Brevet FR3075381A1 — publié le 20190621

CONTROLE DE PIECES EN COMPOSITE PAR VIBROTHERMOGRAPHIE L'invention a trait au domaine du controle non destructif des pieces en materiau composite et plus particulierement a la detection d'endommagements par vibrothermographie. Le document de brevet publio EP 1 582 867 B1 divulgue un systeme permettant de detecter une fissure ou un delaminage dans une piece composite par vibrothermographie. La piece est mise en vibration par un transducteur (note 94 sur la figure 9 de ce document) et la distribution de la temperature a sa surface est mesuroe par thermographie. Ce systeme nocessite divers capteurs et controleurs car les signaux de vibrations varient pour chercher a mieux faire apparaltre des defauts, en faisant coIncider la frequence d'excitation avec la taille des elements a caracteriser. Ce systeme est donc particulierement complexe en termes de materiel et son utilisation est reservee a un utilisateur experiment& Seuls les defauts de grande dimension sont perceptibles par ce systeme. L'invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvonients de l'etat de la technique susmentionne. Plus particulierement, ('invention a pour objectif de proposer un procede et un dispositif de detection, de localisation et/ou de suivi des endommagements dans une piece en materiau composite qui soit plus simple et qui donne de meilleurs resultats que le procede connu de l'etat de la technique, en particulier en ce qui concerne les defauts de petite dimension. L'invention a pour objet un procede de mesure pour detecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une piece en materiau composite, le procede comprenant les stapes suivantes : l'excitation vibratoire de la piece ; et l'identification des endommagements par mesure thermographique de la piece ; le procede otant remarquable en ce que l'excitation vibratoire est otablie a la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de la piece. L'observation par thermographie est faite simultanoment ou un court instant apres l'excitation vibratoire, alors que la piece prosente encore une distribution de temperature non homogene a sa surface. L'analyse ou l'identification des endommagements sur les images (photo ou video) enregistrees par les moyens de thermographie peut etre faite ulterieurement. 2 Selon un mode avantageux de l'invention, l'etape d'identification des endommagements comprend l'identification d'une fissuration transversale ou d'une densito de fissurations transversales par l'acquisition de la deformee modale de la piece a l'etat sain, l'acquisition de la deformee modale a l'etat presume endommage 5 et par la mesure de l'accroissement de la poriode spatiale de la deformee entre l'etat sain et l'etat presume endommage. La piece peut etre declaree endommagoe si l'accroissement depasse une valeur seuil. Selon un mode avantageux de l'invention, l'etape d'identification des 10 endommagements comprend l'identification d'un delaminage par observation de zones anormalement chaudes. Resultant de l'excitation vibratoire, des points chauds apparaissent regulierement a oquidistances les uns des autres, selon un motif spatialement poriodique. Un point ou une zone « anormalement chaude » est une zone bien plus chaude - c'est-a-dire au-dela d'une tolerance de mesure - que la 15 zone correspondante dans une poriode adjacente du motif poriodique. Selon un mode avantageux de l'invention, l'etape d'excitation vibratoire est procedoe d'une otape de determination de la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de la piece. La determination du premier mode antisymetrique de Lamb peut etre faite par simulation numerique ou par 20 caracterisation experimentale. La these de doctorat de M. Thomas Monnier (« Ondes de Lamb dans les milieux stratifies : application a la surveillance in situ et en temps reel de l'endommagement de structures composites », 2001) detaille certains aspects de ces techniques bien connues. Selon un mode avantageux de l'invention, l'etape d'excitation vibratoire est procedoe 25 d'une otape de determination de l'orientation optimale d'application de l'excitation vibratoire. Cette otape de determination de l'orientation peut par exemple etre realisee par dichotomie entre 0 et 90°, avec un pas de 5° a 10° par exemple dans un premier temps, puis avec un pas de 1° pour affiner. Pour chaque valeur de ('angle d'orientation, et pour une meme amplitude de vibration du piezoelectrique, l'intensito 30 de l'ochauffement et la presence de motifs sur la thermographie correspondant a un 3 premier mode antisymetrique sont observoes. L'orientation optimale est celle qui genere les plus vives reactions. Selon un mode avantageux de l'invention, ('excitation vibratoire est appliquoe par une serie d'impulsions de rapport cyclique fixe, chaque impulsion otant une 5 excitation a la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb. Selon un mode avantageux de l'invention, la piece est un element de structure d'un vehicule automobile. L'invention a ogalement trait a un dispositif de mesure pour detecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une piece en materiau composite, le dispositif 10 comprenant un actuateur piezoolectrique apte a exciter la piece en vibration a sa frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb et une camera infrarouge, le dispositif otant remarquable en ce qu'il comprend en outre un actuateur piezoolectrique auxiliaire et un vibrometre laser 3D pour determiner la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de la piece. 15 Le dispositif de mesure permet donc de determiner le premier mode antisymetrique de Lamb d'une piece, par analyse modale experimentale. A partir d'un excitateur piezoolectrique auxiliaire, la structure est excitoe sous forme de Dirac, dont ('amplitude, la largeur d'impulsion, les temps de montoe - descente, ainsi que ('impedance de ('excitateur vont etre caracteristiques de la bande de frequences sur 20 laquelle nous souhaitons identifier ce mode specifique. Le dispositif permet ensuite de detecter les endommagements de la piece par utilisation du piezoolectrique (principal) qui excite la piece a une frequence ogale a son premier mode antisymetrique de Lamb. Selon un mode avantageux de l'invention, le dispositif comprend des moyens de 25 positionnement pour ajuster la position et ('orientation de ('actuateur piezoolectrique. Selon un mode avantageux de l'invention, le dispositif comprend des moyens de traitement d'images pour comparer deux images acquises par la camera infrarouge ou pour identifier des zones d'intensito superieure a une valeur seuil. Ces moyens peuvent etre constituos d'un ordinateur muni d'un logiciel de traitement d'image. 4 L'invention permet de detecter a la fois des defauts de tres petite dimension (quelques mm2) et a la fois des defauts plus gros. L'invention permet de localiser un delaminage et detecter des fissurations transversales ou une densito de fissurations transversales, au moyen d'un seul actuateur. 5 Des avantages de la prosente invention seront mieux compris a l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - Les figures 1A et 1B illustrent l'identification d'une fissure transversale ; - La figure 2 illustre l'identification d'un delaminage ; - La figure 3 localise ('angle d'orientation de ('excitation en vibration. 10 La figure 1A montre une piece 1 en materiau composite schematisee sous la forme d'une piece rectangulaire plane 1. La piece 1 est a l'etat non-endommage. Lorsqu'elle est excitoe selon son premier mode antisymetrique de Lamb, un ochauffement survient et se manifeste sur la thermographie par un motif bidimensionnel. Les zones grisees de la figure 1 sont les maximums locaux de la 15 temperature. La poriode spatiale de la deformee modale selon l'axe Y est notoe A. La figure 1B docrit la meme piece 1 dans son otat presume endommage, soumise a une meme excitation vibratoire selon le premier mode antisymetrique de Lamb. La poriode spatiale de la deformee modale selon Y est notoe B. Une valeur B superieure a A resulte d'une ou de plusieurs fissuration(s) transversale(s) 20 (parallele(s) a X). Plus la difference B-A est importante, plus la ou les fissuration(s) sont importantes. II n'est pas nocessaire de localiser les fissurations pour reformer une piece en materiau composite puisque sa tenue mocanique est fonction de la densito des fissurations. Lorsque la difference B-A depasse un seuil de tolerance, la piece est declaree endommagoe. Des mesures successives lors de la duree de vie 25 de la piece permettent de suivre et d'anticiper le moment ou la piece atteindra un critere d'usure donne. La figure 2 montre une piece 1 presumee endommagoe, soumise a une excitation vibratoire de frequence egale a son premier mode antisymetrique de Lamb et observoe par thermographie infrarouge. Les motifs crees par l'ochauffement de la 5 piece sont reguliers sauf sur le cote gauche qui prosente une zone anormalement chaude notoe C. Un delaminage est la cause d'une telle surchauffe qui resulte de la concentration de l'onergie vibratoire a cet endroit. Un delaminage de faible envergure illustre par la zone D peut aussi etre detects par cette mothode. 5 La figure 3 docrit une vue isometrique schematique du dispositif d'excitation de la piece. La piece 1 peut par exemple etre maintenue en position par des mors 3, 4 a la fawn d'une oprouvette d'essai mocanique. La piece 1 est excitoe par un piezoolectrique 2. Celui-ci effectue des oscillations de faible amplitude et de grande frequence selon un axe E. L'axe E se situe preforablement dans le plan (X, Z) et 10 forme un angle a avec ('axe Z. Des moyens de reglage de ('orientation a du piezoolectrique sont provus sur le dispositif. Ces moyens sont par exemple des glissieres, un portique, des bras de maintien, des rotuies, etc. L'homme du métier saura adapter le procede et le dispositif de ('invention en fonction de la forme et des dimensions de la piece a controler. 15 L'invention est particulierement avantageuse dans le domaine de la maintenance automobile car elle peut etre appliquoe en atelier par un utilisateur non experiments qui suit un protocole (frequence, angle a) docrit dans une notice de maintenance et predetermine pour chacune des pieces en composite, s'assurant ainsi qu'une REVENDICATIONS1. Procede de mesure pour detecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une piece (1) en materiau composite, le procede comprenant les otapes suivantes : - l'excitation vibratoire de la piece ; et - l'identification des endommagements par mesure thermographique de Ia piece (1) ; le procede otant caracterise en ce que l'excitation vibratoire est otablie a Ia frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de Ia piece. 2. Procede selon Ia revendication 1, caracterise en ce que l'etape d'identification des endommagements comprend l'identification d'une fissuration transversale ou d'une densito de fissurations transversales par l'acquisition de Ia deformee modale de Ia piece a l'etat sain (A), l'acquisition de Ia deformee modale a l'etat presume endommage (B) et par Ia mesure de l'accroissement de Ia poriode spatiale de Ia deformee entre l'etat sain et l'etat presume endommage. 3. Procede selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que l'etape d'identification des endommagements comprend l'identification d'un delaminage par observation de zones anormalement chaudes (C, D). 4. Procede selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que l'etape d'excitation vibratoire est procedoe d'une otape de determination de la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de la piece (1). 5. Procede selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que l'etape d'excitation vibratoire est procedoe d'une otape de determination de ('orientation optimale (a) d'application de l'excitation vibratoire. 6. Procede selon l'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce que l'excitation vibratoire est appliquoe par une serie d'impulsions de rapport 7 cyclique fixe, chaque impulsion otant une excitation a la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb. 7. Procede selon ('une des revendications 1 a 6, caracterise en ce que la piece (1) est un element de structure d'un vehicule automobile. 5 8. Dispositif de mesure pour detecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une piece (1) en materiau composite, le dispositif comprenant un actuateur piezoolectrique (2) apte a exciter la piece en vibration a sa frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb et une camera infrarouge, le dispositif otant caracterise en ce qu'il 10 comprend en outre un actuateur piezoolectrique auxiliaire et un vibrometre laser 3D pour determiner la frequence de resonance du premier mode antisymetrique de Lamb de la piece (1). 9. Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce qu'il comprend des moyens de positionnement pour ajuster la position et ('orientation de 15 ('actuateur piezoolectrique. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caracterise en ce qu'il comprend des moyens de traitement d'images pour comparer deux images acquises par la camera infrarouge ou pour identifier des zones (C, D) d'intensito superieure a une valeur seuil. 20