# Caractérisation des mécanismes d'endommagement des structures sandwich GFRP-balsa sous flexion 4 points par couplage d'émission acoustique et de thermographie infrarouge

Yuan Wu, Marie-Laetitia Pastor, Marianne Perrin, Pascal Casari, Xiaojing Gong

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Yuan Wu, Marie-Laetitia Pastor, Marianne Perrin, Pascal Casari, Xiaojing Gong. Caractérisation des mécanismes d'endommagement des structures sandwich GFRP-balsa sous flexion 4 points par couplage d'émission acoustique et de thermographie infrarouge. JNC 22, Jun 2021, Conférence virtuelle, France. hal-04075821

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# Caractérisation des mécanismes d'endommagement des structures sandwich GFRP-balsa sous flexion 4 points par couplage d'émission acoustique et de thermographie infrarouge

## Characterization of damage mechanisms of GFRP-balsa sandwich structures under 4-point bending by coupling acoustic emission and infrared thermography

Yuan Wu¹, Marie-Laetitia Pastor¹, Marianne Perrin¹, Pascal Casari² and Xiaojing Gong¹

1. Institut Clément Ader (ICA), CNRS, UMR 5312
Université de Toulouse, UPS
1 rue Lautréamont, BP1624, 65000 Tarbes, France
E-mail: yuan.wu@iut-tarbes.fr, marie-laetitia.pastor@iut-tarbes.fr

2. Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, CNRS, UMR 6183
Université de Nantes
58 rue Michel Ange, BP420, 44606 Saint Nazaire, France.
E-mail: pascal.casari@univ-nantes.fr

## 1. Introduction

En raison de la rigidité / résistance spécifique élevée et des coûts réduits, les structures sandwich composite GFRP-balsa sont de plus en plus populaires dans l'industrie navale. Cependant, les propriétés anisotropes des structures sandwich compliquent la caractérisation du comportement en flexion [1]. Ainsi, il est très important de classer et de localiser les modes d'endommagement tels que le délaminage, la rupture des fibres, la rupture de l'interface peau/âme et le cisaillement de l'âme afin de mieux comprendre leur impact et leur évolution. Récemment, les techniques de contrôle non destructif (CND) telles que l'Emission Acoustique (EA) et la Thermographie InfraRouge (TIR) sont devenues des outils efficaces pour suivre l'évolution des endommagements dans les structures composites [2-3]. L'EA permet de surveiller les endommagements de manière continue et dynamique. La TIR permet d'inspecter sans contact l'échantillon. Le couplage des deux méthodes peut donc grandement aider à l'identification des défauts sans endommager l'intégrité de la structure. Cependant, très peu d'études sont disponibles dans la littérature concernant le comportement en flexion, les mécanismes d'endommagement des structures sandwich GFRP-balsa et l'application des méthodes EA ou TIR sur ce type de matériaux [4-5].

Dans ce travail, un enregistrement des signaux acoustiques et thermiques est couplé aux essais de flexion pour investiguer les mécanismes d'endommagement de la structure sandwich GFRP-balsa sous flexion 4 points en statique. Une approche tenant compte de la corrélation entre le mouvement vertical du pixel dans les images de température et le déplacement réel de l'échantillon est introduite dans le post-traitement des images thermiques, ce qui améliore de façon significative la précision de la localisation des endommagements. Pour l'EA, une approche de classification des endommagements couplant des paramètres EA tels que l'amplitude, le pic fréquentiel, et les caractéristiques de localisation est choisie pour classer plus efficacement les modes d'endommagement. Il est démontré que l'association de deux méthodes CND (EA et TIR) permet de mieux caractériser les mécanismes d'endommagement des structures sandwich.

## 2. Matériaux et dispositif expérimental
Tous les échantillons sandwich GFRP-balsa sont fabriqués à partir de deux peaux symétriques identiques en stratifié [0°]₃ à partir d'un tissu équilibré en verre/époxyde (GFRP). La géométrie des éprouvettes est en forme de triple os de chien (Fig. 1) afin de mieux observer les endommagements par cisaillement de l'âme dans les zones 1 et 2 et de déterminer les endommagements des peaux par compression dans la zone 3.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig. 1. Éprouvette sandwich GFRP-balsa : (a) Géométrie. (b) Dimensions (280 mm×70 mm).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig. 2. Montage expérimental en flexion : (a) Capteurs EA. (b) Caméra IR.</figcaption></figure>

Les essais de flexion 4 points en statique sont réalisés sur une machine MTS ayant une cellule de charge de 100 kN et sont contrôlés avec une vitesse de déplacement de 2 mm/min. La portée de chargement (L) est de 80 mm et la portée de support (S) est de 240 mm (Fig. 2). Les essais de flexion sont suivis par EA et par TIR. Le système TIR comprend principalement une caméra IR (FLIR X6801sc, avec une résolution de 608 × 312 images complètes à 520 images par seconde) et un logiciel d'acquisition ResearchIR Master. Basé sur les types d'endommagements possibles du sandwich [4-6], la caméra IR est réglée pour surveiller la surface supérieure de l'échantillon (zone 3 dans la Fig. 1) avec une fréquence d'acquisition de 100 images par seconde. Le système EA comprend les capteurs, le couplant (graisse silicone), le préamplificateur et le système d'acquisition PCI-2 (logiciel Mistras AEwin). Deux capteurs à large bande sont fixés symétriquement sur la surface du sandwich avec une distance de 180 mm entre les capteurs pour recevoir tous les signaux acoustiques utiles causés par les défauts internes lors des essais de flexion (Fig. 2).

## 3. Résultats

### 3.1 Réponses mécaniques

Quatre échantillons identiques de sandwich GFRP-balsa ont été testés dans les mêmes conditions. Les courbes Force/Déplacement et Force/Temps sont tracées sur la Fig. 3. Les quatre échantillons montrent tout d'abord une augmentation linéaire de l'effort jusqu'à la force maximale, puis la rupture finale apparaît soudainement. À la fin de l'essai, seuls les endommagements au milieu de la peau supérieure dans la zone 3 (en compression) peuvent être observés à l'œil nu (Fig. 4).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig. 3 : (a) Courbe Force / Déplacement. (b) Courbe Force / Temps.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig. 4. Endommagements visibles dans la zone 3 d'un sandwich GFRP-balsa.</figcaption></figure>

## 3.2 Observation et localisation des endommagements par TIR

Afin d'observer clairement le processus d'évolution des endommagements, la variation de température (ΔT) est ici calculée par le cumul de la différence de température entre deux images successives, à cause d'un grand déplacement vertical de l'éprouvette durant l'essai (ΔT=T₁-T₀+T₂-T₁+...+Tₜ-Tt-₁). La corrélation entre le déplacement vertical d'un pixel issu des images thermiques et le déplacement réel est ainsi introduite dans le programme MATLAB afin d'améliorer la précision du post-traitement de la température thermique. La figure 5 montre l'évolution du défaut et sa localisation en fonction du temps. Le point initial des endommagements vu par la caméra IR apparaît au bord de la peau supérieure dans la section minimale de la zone 3 à 326,25 s (Fig. 5. (a)), avec une légère augmentation de la température (2,16 °C). Une augmentation brutale de la température (25,7 °C) est observée à 327,26 s. La température continue ensuite d'augmenter pour se stabiliser à 328,40 s à 17,48 °C (Fig. 5. (d)).

Il est montré sur la figure 5 (e) la cohérence de la localisation du défaut obtenu lors de l'essai et celui observé sur les images thermiques.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Fig. 5. (a-d) Images thermiques obtenues lors d'un essai de flexion, (e) localisation visuelle d'un défaut.</figcaption></figure>

## 3.3 Localisation et classification des endommagements par EA

La figure 6 (a) montre que l'activité EA cumulée a une tendance similaire à la courbe de force, car l'amplitude commence à s'accumuler fortement juste avant la rupture de l'éprouvette.

Le logiciel AEwin permet d'afficher la localisation de l'activité EA entre les deux capteurs à tout moment pendant l'essai (Fig. 7). L'amplitude est maximum (99 dB) au centre de l'éprouvette à 323 s et reste inférieure à 50 dB lors de l'endommagement de l'âme (rectangles violets) (Fig. 7 (a)). Ainsi, la localisation des endommagements obtenus à partir de la TIR et des EA sont en accord avec ceux obtenus lors des essais. Ceci permet d'aider à l'identification des types d'endommagements, en particulier le cisaillement de l'âme.

L'algorithme de clustering K-Means est utilisé et les 11 paramètres EA les plus corrélés sont choisis pour cette analyse. Basé sur les modes d'endommagement classique du sandwich, cinq clusters ont été identifiés par l'analyse de classification (Fig. 6). Le cluster 0 n'occupe qu'un très petit pourcentage et est inférieur à 55 dB. Le cluster 1 apparaît en premier et est inférieur à 40 dB. Le cluster 2 suit et s'accumule principalement après 322 s, en étant inférieur à 55 dB. Les clusters 3 et 4 démarrent après 300 s. Le cluster 3 est inférieur à 50 dB, tandis que le cluster 4 est supérieur à 50 dB.

En combinant les 5 clusters avec la localisation (Fig. 7 (b)), il est montré que le cluster 0 est dans les zones 1 et 2 tandis que les clusters 1-4 sont dans la zone 3. À 323 s, tous les
endommagements peuvent être observés. Selon les littératures [2-5], les clusters 0-5 peuvent correspondre à l'endommagement de l'âme, la fissuration matricielle, la rupture de l'interface fibre/matrice, la rupture de l'interface peau/âme et la rupture des fibres. Néanmoins, plus de tests devront être effectués à l'avenir pour bien valider les résultats de cette première campagne d'essais.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Fig. 6. L'activité EA : (a) Amplitude. (b) Pic Fréquentiel.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Fig. 7. Localisation des endommagements obtenus par les EA à 323 s.</figcaption></figure>

## 3.4 Comparaison entre les résultats obtenus par EA et TIR

En conclusion, il a été montré sur la figure 8 la cohérence de la localisation du défaut obtenu lors de l'essai et celui observé avec les images thermiques et l'activité EA. En conséquence, les deux méthodes (TIR et EA) peuvent être couplées afin de caractériser plus finement les mécanismes d'endommagement d'une structure sandwich à base de bois balsa.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Fig. 8. Localisation des endommagements à la fin de l'essai</figcaption></figure>

## Références

[1] Borrega M, Gibson L J « Mechanics of balsa (Ochroma pyramidale) wood », Mechanics of Materials Vol. 84, pp. 75-90, 2015.

[2] Pashmforoush F, Khamedi R, Fotouhi M, et al. « Damage classification of sandwich composites using acoustic emission technique and k-means genetic algorithm », Journal of Nondestructive Evaluation Vol. 33, pp. 481-492, 2014.

[3] Naderi M, Kahirdeh A, Khonsari M M « Dissipated thermal energy and damage evolution of Glass/Epoxy using infrared thermography and acoustic emission », Composites Part B: Engineering Vol. 43, pp. 1613-1620, 2012.

[4] Ammar I B, Karra C, El Mahi A, et al. « Mechanical behavior and acoustic emission technique for detecting damage in sandwich structures », Applied Acoustics Vol. 86, pp. 106-117, 2014.

[5] Masmoudi S, El Mahi A, Turki S « Use of piezoelectric as acoustic emission sensor for in situ monitoring of composite structures », Composites Part B: Engineering Vol. 80, pp. 307-320, 2015.