Apport des méthodes vibro-acoustiques non linéaires à la détection et à la localisation d’endommagements dans les structures aéronautiques en matériaux composites

L’industrie aéronautique opère une transition des matériaux traditionnels vers les matériaux composites, plus légers pour une résistance mécanique équivalente, permettant ainsi une réduction significative de la consommation de carburant. Cependant, ces matériaux subissent des endommagements complexes, notamment à la suite d’impacts générant des défauts appelés BVID (Barely Visible Impact Damage), souvent invisibles en surface, et qui constituent un enjeu majeur. Provoqués par des chocs légers (grêle, débris ou chutes d’outils lors de la maintenance), ils peuvent évoluer vers des états critiques suite à des sollicitations mécaniques répétées. La sécurité étant une préoccupation constante dans l’industrie aéronautique, elle s’appuie notamment sur le suivi de l’intégrité des structures. Les techniques traditionnelles de contrôle non destructif (CND) reposent sur des inspections ponctuelles programmées et coûteuses, limitant alors la fréquence des inspections. Le contrôle de santé intégré (SHM, pour Structural Health Monitoring) vise à pallier ces limites en assurant une surveillance continue de la structure à l’aide de capteurs embarqués sur l’appareil. Parmi les méthodes de SHM existantes, celles exploitant les ondes élastiques guidées sont naturellement sensibles à ces défauts. Cependant, les approches traditionnelles reposant sur un état de référence sont peu adaptées à des structures évoluant dans des environnements sévères. Ce travail vise alors à développer une méthode de détection et de localisation de BVID sans état de référence, via une méthode pompe-sonde reposant sur le principe de modulation vibro-acoustique, où une vibration basse fréquence (pompe) modifie l’état de contact du défaut, perturbation ensuite détectée par une onde ultrasonore (sonde). Comme les signatures obtenues avec cette famille de méthodes sont d’un ordre de grandeur plus faible que les signatures obtenues avec un état de référence, une méthode d’imagerie cohérente a d’abord été développée, pour des structures très anisotropes. Elle tient compte des effets de focalisation induisant une déviation de phase, et a permis de localiser un BVID avec état de référence en présence de bruit très élevé. Un défaut de contact artificiel a ensuite été conçu et modélisé, pour la mise en place de méthodes d’imagerie sans état de référence. Il a été montré que ce défaut impose une force variable sur la plaque en vibration, générant alors une interface de contact variable. La modulation d’une onde élastique guidée traversant ce défaut a été observée par des capteurs piézoélectriques et confirmée par une observation du champ ultrasonore. La troisième étape a porté sur la localisation du défaut artificiel avec une instrumentation multi-émetteurs compatible SHM. Plusieurs stratégies ont été explorées, des approches incohérentes, ne nécessitant pas l’information de phase des signatures ultrasonores, à des approches cohérentes plus performantes mais aussi plus contraignantes. Le cas d’une pompe monochromatique a été étudié, puis celui d’une pompe aléatoire grâce à une méthode basée sur la décomposition en valeurs singulières des matrices différentielles. Une seconde approche matricielle, fondée sur la décomposition en composantes indépendantes, a permis de détecter des modulations faibles noyées dans le bruit. Enfin, les méthodes développées ont été appliquées à un cas réel sur un BVID. La nature multimodale des ondes élastiques guidées et la présence de modulations concurrentes à celle du défaut rendent l’interprétation des résultats délicate. Les modulations observées sur les modes A0 et S0 ont été étudiées ainsi que la modulation des conversions entre ces modes à l’aide d’algorithmes d’imagerie multimodale. Une approche alternative, basée sur le mixage fréquentiel de deux ondes ultrasonores, a permis de mettre en évidence une interaction non linéaire dans la zone du BVID via une mesure du champ ultrasonore, et donne des pistes d’améliorations futures de la méthode.