Journée de travail Thalès Raytheon Systems, Massy-Palaiseau, 20 mars 2007

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Journée de travail Thalès Raytheon Systems,

Massy-Palaiseau, 20 mars 2007

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2

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1 Locaux

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4

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Présentation CER Sysac: Bilan du 13 mars 2007 : Actions Matériaux

Exemples de matériaux poroélastiques

Exemples de matériaux granulaires

6

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Equipe AMM (Acoustique et Mécanique des Matériaux)

• OR1 : Evaluation & Contrôle Non Destructif (ECND)

• OR2 : Acoustique et Mécanique des Matériaux Poreux (A2MP)

• OR3 : Acoustique Non Linéaire des milieux Inhomogènes (ANL µ I)

• OR4 : Opto-Acoustique Laser (OAL)

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8 OR1 : Evaluation et contrôle non destructifs

• Permanents : M. Bruneau, C. Depollier, R. El Guerjouma, V. Pagneux, C. Potel, L. Simon, J.H. Thomas, N. Tahani, A. El Mahi

• Doctorants : A. Marec, A. Roux, M.A. Ploix (thèse EDF, co-encadrement INSA Lyon), R. Berbaoui, M. Khelil

• Thèses soutenues : aucune, car OR créée en 2003

• Publications : 8 RCL ; 5 CI ; 14 CN ; plusieurs ouvrages publiés en 2006

• Principales actions en cours :

1- Propagation ultrasonore dans les structures composites planes complexes ; 2- Propagation multimodale et couplages modaux des ondes de Lamb ;

3- Propagation d’ondes modales en présence de rugosité ;

4- Caractérisation ultrasonore des soudures en acier austénitique ;

5- Etude des mécanismes d’endommagement par émission acoustique ;

6- Traitement du signal spécifique avancé pour l’émission acoustique.

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Demande sociétale :

 Forte demande industrielle pour le contrôle de santé et la caractérisation de défauts de pièces mécaniques.

 Préoccupations liées à la « Sécurité » et au « Développement Durable »

Objectifs de l'OR :

 Compréhension des phénomènes de propagation dans les milieux complexes

 Identification de propriétés (élastiques, viscoélastiques, ...)

 Evaluation de l'endommagement, de la porosité, ...

 Caractérisation de défauts, contrôle de santé

 Estimation de la durée de vie restante des structures

sandwich

unidirectionnel (ou monolithique)

composite

Nid d'abeille sandwich

unidirectionnel (ou monolithique)

composite

Nid d'abeille

Pièce de grande taille Soudure en acier austénitique

Milieux et structures complexes

Enjeux et objectifs de l’END-CND par ultrasons

(10)

excitation

détection

Matériau Structure

Instrumentation : systèmes d’END/CND

Modélisation • Traitement du signal

• Résolution de problèmes inverses Identification de propriétés

Détection de défaut,…

Principe de l’évaluation et du contrôle non destructif des matériaux

10

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plaques en carbone/époxyde : défaut entre le 3ème et le 4ème pli

{0°/45°/90°/135°}_0° en carbone/époxyde, comportant 8 plis en symétrie miroir. Incidence de 10,3°, fréquence de 2 MHz.

bleu : plaque saine

rouge : plaque avec défaut

0 2 4 6 8 10

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5x 10^-3

10e-6 s V

(1)

(2)

(3) (4)

(1)

8 plis 3 plis

5 plis 8 plis

Détection de défaut par ondes de Lamb Matériau Composite

Acoustique linéaire pour l’ECND

(12)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Fréquence (MHz)

Incidence (°)

3 plis 0°/45°/90°

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Incidence (°)

5 plis 135°/135°/90°/45°/0°

Si mode (2) ou mode (3) différents du mode (1) alors mode (4) ≠ mode (1) défaut détecté Si mode (2) ou mode (3) proches du mode (1)

alors mode (4) ≈ mode (1) défaut non détecté Conversion du mode (1) en (2) et (3) puis (4)

Défaut entre le 3ème et le 4ème pli

(1)

(2)

(3) (4)

(1)

8 plis 3 plis

5 plis 8 plis

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Incidence (°)

8 plis [0°/45°/90°/135°]

_2s

Détection de défaut par ondes de Lamb: modélisation

12

(13)

Détection de défauts dans les composites à l’aide des ondes de Lamb

C. Potel, S. Baly, J.F. de Belleval, M. Lowe, P. Gatignol, IEEE Trans. UFFC (2005)

(14)

(15)

Soudure

Domaines α (°)

1 35

2 11

3 18

4 8

5 0

6 - 31

7 14

1

2 3 4 5

6 MB 7

MB

Y Zα 3

Caractérisation Ultrasonore des propriétés élastiques

Modélisation Collaboration EDF

Caractérisation

microstructurale de la texture

Caractérisation ultrasonore des soudures en acier austénitique

Thèse Marie Aude PLOIX

M.A. Ploix, J. Leval, R. El Guerjouma, J. Moysan, G. Corneloup, B. Chassignole, J. Advan. Sci. (2005)

(16)

Résonance acoustique non linéaire

Composite verre/époxy

Matériau sain Matériau endommagé

émetteur

récepteur

Amplitude

Acoustique non linéaire pour l’ECND

16

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H. Nechad, A. Helmstetter, R. El Guerjouma, D. Sornette, Phys. Rev. Lett. (2005)

microfissure

Capteur d’EA

Matériaux sous contraintes mécaniques émission d’ondes acoustiques.

Etude de l’endommagement et estimation de la durée de vie restante des composites par émission acoustique

Signal typique d ’EA

énergie temps de montée

nombre de coups seuil

temps

durée

Thèse Anne MAREC

(18)

18

(19)

(20)

20 OR2 : Acoustique et Mécanique des Matériaux Poreux

• Permanents : J.F. Allard, C. Ayrault, B. Brouard, B. Castagnède, N. Dauchez, O. Dazel, C. Depollier, M. Henry, D. Lafarge, S. Sahraoui

• Doctorants : M. Deverge, O. Doutres, L. Dupont, A. Duclos, S. Griffiths, N. Sebaa

• Thèses soutenues : S. Berger, L. Jaouen, C. Renard, M. Saeid

• Publications : 35 RCL ; 14 CI ; 10 CN ; 1 brevet

• Actions en cours :

1- Métrologie et modélisation des poreux en acoustique BF ; 2- Mesures de rigidité mécanique et modèles microstructuraux ; 3- Technique de caractérisation ultrasonore sous pression ;

4- Etude des ondes de surface et d’interface ; 5- Problèmes inverses dans les milieux poreux ;

6- Métrologie dans les poreux à l’aide des antennes paramétriques.

(21)

Exemples de matériaux

poroélastiques

(22)

Exemple de validation numérique du modèle de relaxation de Lafarge

(Méthode Monte Carlo)

Lafarge,

2^d Biot Conference on Poromechanics,

Grenoble, France, August 26-28 2002

ω c

ω ~ = ω

97 .

= 0 φ

10

^-1

10

⁰

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

numerical data Allard-Lafarge Lafarge

regular random

Im ( )

~ ) ( K ∞ K ω

22

(23)

Exemple d ’application : Calcul des modes de propagation dans un conduit traité avec une mousse polyurethane résistive

Fait intervenir les trois types de pertes,

a. visqueuses

b. thermiques

c. solidiennes

(24)

Nécessité de la théorie de Biot (1956) Matériaux résistifs,

--> présence de résonances BF Multicouches, ...

Mur rigide Poreux

Septum

Fond rigide Poreux résistif

Code Maine, commercialisé par le CTTM*

*

Centre de Transfert de Technologie du Mans

24

(25)

Mesures de rigidité mécanique (Méthode d’equivalence température - fréquence) Thèse Mickaël DEVERGE (2006)

M. Etchessahar, S. Sahraoui, L. Benyahia, J.F. Tassin, J. Acous. Soc. Am. (2005)

(26)

Mesures ultrasonores avec poreux dans enceinte sous pression

Thèse Stéphane GRIFFITHS (2007)

C. Ayrault, S. Griffiths, accepted in Ultrasonics (2006) 26

(27)

α ∞

E

b

Problèmes inverses dans les milieux poreux (Mesures ultrasonores dans l’os) Thèse Naima SEBAA (2006)

Experiment (solid line)

Theory

(dashed line) Slow wave

Fast wave

N. Sebaa, Z.E.A. Fellah, M. Fellah, W. Lauriks, C. Depollier, J. Appl. Phys. (2005)

(28)

Diffusion multiple dans les matériaux poreux,

• Exemple de validation théorie - expérience en diffusion multiple à travers des rangées de cylindres

28 Thèse A. DUCLOS

(2007)

(29)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

BD E F C

Absorption

Frequency (Hz)

25 mm 20 mm 15 mm 10 mm 5 mm

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

B D E F C

25 mm 20 mm 15 mm 10 mm 5 mm

Frequency (Hz)

Thickness (mm)

Porosity Resistivity (N m-4 s)

Tortuosity Viscous length ( µ m)

Thermal length ( µ m)

25 0.98 40 000 1.05 100 200

20 0.975 50 000 1.06 80 160

15 0.97 67 000 1.08 60 120

10 0.95 100 000 1.12 40 80

5 0.90 200 000 1.25 20 40

Mesures « in-situ » d’absorption avec une antenne « paramétrique »

B. Castagnède, M. Saeid, A. Moussatov, V. Gusev, V. Tournat, Ultrasonics (2006)

expérience

simulation

(30)

30

(31)

Figure : influence of thickness on the sound absorption curve

of a polyester fibre mat (density: 30 kg/ m

³

; thickness: 25, 50, 100 mm)

1 0.8 0.6 0.4 0.2

(32)

32 Partenaires industriels et partenaires de la recherche publique

1- Laboratoire de Rhéologie du Bois de Bordeaux – LRBB (coordonnateur)

5- Institut Français du Textile et d e l’Habillement - IFTH

2- Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l’Ecole Polytechnique - LPMC

6- Centre Technique du Bois et de l’Ameublement - CTBA

3- Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine - LAUM

7- Entreprise ISOROY 4-ARMINES-CMM Centre de Morphologie

Mathématique

8- Entreprise DASSÉ Constructeur

9- Entreprise BESSIÈRE S.A.

(33)

OR3 : Acoustique Non Linéaire dans les solides micro-inhomogènes

• Permanents : P. Béquin, B. Castagnède, R. El Guerjouma, V. Gusev (PR LPEC, UMR 6087), V. Tournat

• Doctorants : L. Fillinger, C. Inserra

• Chercheurs post-doctorants : V. Aleshin, X. Jacob

• Publications : 28 RCL ; 20 CI ; 20 CN

• Actions en cours :

1- Acoustique non linéaire des matériaux granulaires ; 2- Acoustique non linéaire des solides micro-fissurés;

3- Utilisation des antennes paramétriques dans les milieux poreux;

4- Suivi de l’endommagement des matériaux par acoustique non linéaire

(en collaboration avec l’OR END-CND).

(34)

Opé Op ération de recherche ration de recherche

début des activités au LAUM il y a 7 ans

Acoustique non linéaire dans les solides micro-inhomogènes

34 1999 : V. Gusev, A. Moussatov et B. Castagnède 2000 : V. Tournat

2001 : V. Zaitsev, V. Aleshin 2002 : P. Béquin, V. Nazarov 2003 : A. Sutin, L. Fillinger

2004 : R. El Guerjouma, C. Inserra 2006 : X. Jacob

contexte de fort potentiel des méthodes acoustiques non linéaires pour le CND

ANL_ ANL _I I

(35)

Orientations initiales et originalité de l'approche

CND de milieux fissurés artificiellement, étude de milieux "modèles" comme les milieux granulaires

Non lin

Non

linééaritaritéé, diffusion multiple, dispersion, dissipation, , diffusion multiple, dispersion, dissipation, dynamique lentedynamique lente...

Nouvelles

Nouvelles manifestations manifestations d'effets d'effets non non liné lin éaires classiques aires classiques

Génération d'harmoniques Auto-démodulation

Génération de sous-harmoniques et route vers le chaos

Observation de nouveaux Observation de nouveaux

processus

processus non non lin liné éaires aires Effet Luxembourg-Gorky Auto-modulation

Mélange de fréquence sans cascade

Paramètres quantitatifs et meilleure compréhension du milieu

ANL_ ANL _I I

(36)

Effet "Luxembourg-Gorky" dans les milieux fissurés

V. Zaitsev, V. Gusev, B. Castagnède, Phys. Rev. Lett. (2002) 36 Modulation de la dissipation acoustique

au niveau des fissures

ANL_ ANL _I I

Onde de sonde

Onde de pompage modulée en amplitude

Onde de sonde modulée en amplitude

(37)

ANL_ ANL _I I

Effet "Luxembourg-Gorky" dans les milieux fissurés

V. Zaitsev, V. Gusev, B. Castagnède, Phys. Rev. Lett. (2002) pompe

sonde

Dissipation d'énergie de l'onde sonde induite par la

présence de l'onde de pompage

Diminution du facteur de qualité

Autres effets et applications :

mesure du temps de relaxation associé à la diffusion thermique dans les contacts,

effets de seuil en amplitude,

END quantitative

(38)

38 Effet Luxembourg-Gorky dans les milieux granulaires

Distribution de forces entre billes

contacts forts contacts faibles

dissipation

propriétés non linéaires propriétés linéaires chaînes de forces

Observation du transfert de modulation pour des ondes

propagatives

V. Zaitsev, V. Nazarov, V. Tournat, V. Gusev, B. Castagnède, Europhys. Lett. (2004)

(39)

Effet Luxembourg-Gorky dans les milieux granulaires

"effets linéaires"

"effets non linéaires"

Forte sensibilité de l'effet Luxembourg-Gorky à de faibles perturbations du milieu (contacts faibles)

Observation d'une relaxation lente du milieu

V. Zaitsev, V. Nazarov, V. Tournat, V. Gusev, B. Castagnède, Europhys. Lett. (2004)

(40)

Acoustique non linéaire dans les milieux endommagés, CND

ANL 40 ANL_ _I I

Thèse L. Fillinger (2003-2006)

Contrat Framatome (2005-2006) PECO-NEI (2006-2007), V. Zaitsev

Opales synthétiques,

auto-modulation, fissures artificielles, absorption thermo-élastique à l'échelle d'un ou quelques contacts

(41)

Réponse hystérétique de fissures individuelles ou multiples au cours des cycles ouverture - fermeture

A. Moussatov, V. Gusev, B. Castagnède, Phys. Rev. Lett. (2004)

ANL_ ANL _I I

(42)

Automodulation et sauts hystérétiques dans les fissurés

ANL 42 ANL_ _I I

L. Fillinger, V. Gusev, B. Castagnède, Europhys. Lett. (2006)

(43)

Ondes à la surface de matériaux granulaires

ANL_ ANL _I I

(44)

44

Thèse de C. Inserra (2004-2007, CER-Région)

Post-doctorat de V. Aleshin (2006, région) Post-doctorat de X. Jacob (2006-2007, ANR)

ANL_ ANL _I I

Contrôle et évaluation des milieux granulaires, modèles de propagation (ANR "grANuLar" 2006-2008),

Évaluation acoustique des avalanches

(coll. OR CND) Évaluation acoustique de la

compaction (coll. PPF Rennes)

Ondes à la surface libre

de couches granulaires

(45)

45 Contrôle et évaluation des milieux granulaires, modèles de propagation (ANR "grANuLar" 2006-2008)

Ondes à la surface libre de couches granulaires

Post-doc Xavier JACOB

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46 Contrôle et évaluation des milieux granulaires, modèles de propagation (ANR "grANuLar" 2006-2008),

Compaction dans les matériaux granulaires

Thèse CER de Claude

INSERRA (2004-2007)

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47 Contrôle et évaluation des milieux granulaires, modèles de propagation (ANR "grANuLar" 2006-2008),

Thèse CER de Claude

INSERRA (2004-2007)

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