FR3075381A1 - Controle de pieces en composite par vibrothermographie detection - Google Patents
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Abstract
Procédé de mesure pour détecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une pièce (1) en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes : l'excitation vibratoire de la pièce ; et l'identification des endommagements par mesure thermographique de la pièce (1) ; le procédé étant remarquable en ce que l'excitation vibratoire est établie à la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce.
L'invention porte également sur un dispositif de contrôle d'une pièce (1) en matériau composite, le dispositif comprenant un piézoélectrique pour exciter la pièce en vibration et une caméra infrarouge, et étant remarquable en ce qu'il comprend un piézoélectrique auxiliaire et un vibromètre laser 3D pour déterminer la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce (1).
Description
CONTRÔLE DE PIECES EN COMPOSITE PAR VIBROTHERMOGRAPHIE
L’invention a trait au domaine du contrôle non destructif des pièces en matériau composite et plus particulièrement à la détection d’endommagements par vibrothermographie.
Le document de brevet publié EP 1 582 867 B1 divulgue un système permettant de détecter une fissure ou un délaminage dans une pièce composite par vibrothermographie. La pièce est mise en vibration par un transducteur (noté 94 sur la figure 9 de ce document) et la distribution de la température à sa surface est mesurée par thermographie. Ce système nécessite divers capteurs et contrôleurs car les signaux de vibrations varient pour chercher à mieux faire apparaître des défauts, en faisant coïncider la fréquence d’excitation avec la taille des éléments à caractériser. Ce système est donc particulièrement complexe en termes de matériel et son utilisation est réservée à un utilisateur expérimenté. Seuls les défauts de grande dimension sont perceptibles par ce système.
L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer un procédé et un dispositif de détection, de localisation et/ou de suivi des endommagements dans une pièce en matériau composite qui soit plus simple et qui donne de meilleurs résultats que le procédé connu de l’état de la technique, en particulier en ce qui concerne les défauts de petite dimension.
L’invention a pour objet un procédé de mesure pour détecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une pièce en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes : l’excitation vibratoire de la pièce ; et l’identification des endommagements par mesure thermographique de la pièce ; le procédé étant remarquable en ce que l’excitation vibratoire est établie à la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce. L’observation par thermographie est faite simultanément ou un court instant après l’excitation vibratoire, alors que la pièce présente encore une distribution de température non homogène à sa surface. L’analyse ou l’identification des endommagements sur les images (photo ou vidéo) enregistrées par les moyens de thermographie peut être faite ultérieurement.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’étape d’identification des endommagements comprend l’identification d’une fissuration transversale ou d’une densité de fissurations transversales par l’acquisition de la déformée modale de la pièce à l’état sain, l’acquisition de la déformée modale à l’état présumé endommagé et par la mesure de l’accroissement de la période spatiale de la déformée entre l’état sain et l’état présumé endommagé.
La pièce peut être déclarée endommagée si l’accroissement dépasse une valeur seuil.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’étape d’identification des endommagements comprend l’identification d’un délaminage par observation de zones anormalement chaudes. Résultant de l’excitation vibratoire, des points chauds apparaissent régulièrement à équidistances les uns des autres, selon un motif spatialement périodique. Un point ou une zone « anormalement chaude » est une zone bien plus chaude - c’est-à-dire au-delà d’une tolérance de mesure - que la zone correspondante dans une période adjacente du motif périodique.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’étape d’excitation vibratoire est précédée d’une étape de détermination de la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce. La détermination du premier mode antisymétrique de Lamb peut être faite par simulation numérique ou par caractérisation expérimentale. La thèse de doctorat de M. Thomas Monnier (« Ondes de Lamb dans les milieux stratifiés : application à la surveillance in situ et en temps réel de l’endommagement de structures composites», 2001) détaille certains aspects de ces techniques bien connues.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’étape d’excitation vibratoire est précédée d’une étape de détermination de l’orientation optimale d’application de l’excitation vibratoire. Cette étape de détermination de l’orientation peut par exemple être réalisée par dichotomie entre 0 et 90°, avec un pas de 5° à 10° par exemple dans un premier temps, puis avec un pas de 1° pour affiner. Pour chaque valeur de l’angle d’orientation, et pour une même amplitude de vibration du piézoélectrique, l’intensité de réchauffement et la présence de motifs sur la thermographie correspondant à un premier mode antisymétrique sont observées. L’orientation optimale est celle qui génère les plus vives réactions.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’excitation vibratoire est appliquée par une série d’impulsions de rapport cyclique fixe, chaque impulsion étant une excitation à la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb.
Selon un mode avantageux de l’invention, la pièce est un élément de structure d’un véhicule automobile.
L’invention a également trait à un dispositif de mesure pour détecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une pièce en matériau composite, le dispositif comprenant un actuateur piézoélectrique apte à exciter la pièce en vibration à sa fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb et une caméra infrarouge, le dispositif étant remarquable en ce qu’il comprend en outre un actuateur piézoélectrique auxiliaire et un vibromètre laser 3D pour déterminer la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce.
Le dispositif de mesure permet donc de déterminer le premier mode antisymétrique de Lamb d’une pièce, par analyse modale expérimentale. A partir d’un excitateur piézoélectrique auxiliaire, la structure est excitée sous forme de Dirac, dont l’amplitude, la largeur d’impulsion, les temps de montée - descente, ainsi que l’impédance de l’excitateur vont être caractéristiques de la bande de fréquences sur laquelle nous souhaitons identifier ce mode spécifique.
Le dispositif permet ensuite de détecter les endommagements de la pièce par utilisation du piézoélectrique (principal) qui excite la pièce à une fréquence égale à son premier mode antisymétrique de Lamb.
Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif comprend des moyens de positionnement pour ajuster la position et l’orientation de l’actuateur piézoélectrique.
Selon un mode avantageux de l’invention, le dispositif comprend des moyens de traitement d’images pour comparer deux images acquises par la caméra infrarouge ou pour identifier des zones d’intensité supérieure à une valeur seuil. Ces moyens peuvent être constitués d’un ordinateur muni d’un logiciel de traitement d’image.
L’invention permet de détecter à la fois des défauts de très petite dimension (quelques mm2) et à la fois des défauts plus gros. L’invention permet de localiser un délaminage et détecter des fissurations transversales ou une densité de fissurations transversales, au moyen d’un seul actuateur.
Des avantages de la présente invention seront mieux compris à 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 délaminage ;
- La figure 3 localise l’angle d’orientation de l’excitation en vibration.
La figure 1A montre une pièce 1 en matériau composite schématisée sous la forme d’une pièce rectangulaire plane 1. La pièce 1 est à l’état non-endommagé. Lorsqu’elle est excitée selon son premier mode antisymétrique de Lamb, un échauffement survient et se manifeste sur la thermographie par un motif bidimensionnel. Les zones grisées de la figure 1 sont les maximums locaux de la température. La période spatiale de la déformée modale selon l’axe Y est notée A.
La figure 1B décrit la même pièce 1 dans son état présumé endommagé, soumise à une même excitation vibratoire selon le premier mode antisymétrique de Lamb. La période spatiale de la déformée modale selon Y est notée B. Une valeur B supérieure à A résulte d’une ou de plusieurs fissuration(s) transversale(s) (parallèle(s) à X). Plus la différence B-A est importante, plus la ou les fissuration(s) sont importantes. II n’est pas nécessaire de localiser les fissurations pour réformer une pièce en matériau composite puisque sa tenue mécanique est fonction de la densité des fissurations. Lorsque la différence B-A dépasse un seuil de tolérance, la pièce est déclarée endommagée. Des mesures successives lors de la durée de vie de la pièce permettent de suivre et d’anticiper le moment où la pièce atteindra un critère d’usure donné.
La figure 2 montre une pièce 1 présumée endommagée, soumise à une excitation vibratoire de fréquence égale à son premier mode antisymétrique de Lamb et observée par thermographie infrarouge. Les motifs créés par réchauffement de la pièce sont réguliers sauf sur le côté gauche qui présente une zone anormalement chaude notée C. Un délaminage est la cause d’une telle surchauffe qui résulte de la concentration de l’énergie vibratoire à cet endroit. Un délaminage de faible envergure illustré par la zone D peut aussi être détecté par cette méthode.
La figure 3 décrit une vue isométrique schématique du dispositif d’excitation de la pièce. La pièce 1 peut par exemple être maintenue en position par des mors 3, 4 à la façon d’une éprouvette d’essai mécanique. La pièce 1 est excitée par un piézoélectrique 2. Celui-ci effectue des oscillations de faible amplitude et de grande fréquence selon un axe E. L’axe E se situe préférablement dans le plan (X, Z) et forme un angle a avec l’axe Z. Des moyens de réglage de l’orientation a du piézoélectrique sont prévus sur le dispositif. Ces moyens sont par exemple des glissières, un portique, des bras de maintien, des rotules, etc.
L’homme du métier saura adapter le procédé et le dispositif de l’invention en fonction de la forme et des dimensions de la pièce à contrôler.
L’invention est particulièrement avantageuse dans le domaine de la maintenance automobile car elle peut être appliquée en atelier par un utilisateur non expérimenté qui suit un protocole (fréquence, angle a) décrit dans une notice de maintenance et prédéterminé pour chacune des pièces en composite, s’assurant ainsi qu’une pièce peut être maintenue dans un véhicule ou doit être remplacée.
Claims (10)
- Revendications1. Procédé de mesure pour détecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une pièce (1) en matériau composite, le procédé comprenant les étapes suivantes :- l’excitation vibratoire de la pièce ; et- l’identification des endommagements par mesure thermographique de la Pièce (1) ;le procédé étant caractérisé en ce que l’excitation vibratoire est établie à la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape d’identification des endommagements comprend l’identification d’une fissuration transversale ou d’une densité de fissurations transversales par l’acquisition de la déformée modale de la pièce à l’état sain (A), l’acquisition de la déformée modale à l’état présumé endommagé (B) et par la mesure de l’accroissement de la période spatiale de la déformée entre l’état sain et l’état présumé endommagé.
- 3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape d’identification des endommagements comprend l’identification d’un délaminage par observation de zones anormalement chaudes (C, D).
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape d’excitation vibratoire est précédée d’une étape de détermination de la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce (1).
- 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’étape d’excitation vibratoire est précédée d’une étape de détermination de l’orientation optimale (a) d’application de l’excitation vibratoire.
- 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’excitation vibratoire est appliquée par une série d’impulsions de rapport cyclique fixe, chaque impulsion étant une excitation à la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb.
- 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce (1) est un élément de structure d’un véhicule automobile.
- 8. Dispositif de mesure pour détecter, localiser et/ou suivre les endommagements dans une pièce (1) en matériau composite, le dispositif comprenant un actuateur piézoélectrique (2) apte à exciter la pièce en vibration à sa fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb et une caméra infrarouge, le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre un actuateur piézoélectrique auxiliaire et un vibromètre laser 3D pour déterminer la fréquence de résonance du premier mode antisymétrique de Lamb de la pièce (1).
- 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de positionnement pour ajuster la position et l’orientation de l’actuateur piézoélectrique.
- 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de traitement d’images pour comparer deux images acquises par la caméra infrarouge ou pour identifier des zones (C, D) d’intensité supérieure à une valeur seuil.
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