A la conquête des ondes guidées : un pas de plus vers des structures multifonctionnelles intelligentes

Marc Rébillat (1)

1 PIMM - Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux

Today's structures integrate a whole ecosystem that goes far beyond their sole mechanical strength. Smart and multifunctional vibrating structures are equipped with sensors, actuators, and algorithms that enable them to perform different functions based on their vibratory dynamics. One of these functions gives them the ability to diagnose their health status autonomously (SHM for Structural Health Monitoring). This is done via, for example, the permanent installation on their surface of piezoelectric elements (PZT) capable of emitting and receiving Lamb waves. This manuscript thus presents a synthetic vision of my research activities at PIMM around the SHM of aeronautical structures in composite materials by Lamb waves. Three characteristics of these waves must be considered in order to understand their propagation in composite materials: the evolution of their velocity with frequency, their attenuation in composite materials, and the dependence of their properties on their propagation direction. My contributions in this area are related to the semi-analytical prediction of the propagation characteristics of Lamb waves in arbitrary composite stacks and to the experimental validation of these predictions. The interactions with damages encountered in composite materials can then be classified according to three families: diffraction which makes that a damage could be seen as a secondary source of waves, mode conversion which explains the transfers of energy between various types of waves, nonlinear ``waves/damages'' interactions which generate new spectral contents. The contributions I have made in this theme are associated with the characterization of nonlinear wave-damage interactions. The industrial deployment of Lamb wave SHM requires the design of a dedicated dispersed PZT network. It is first necessary to dimension a PZT and to ensure its good operation in situ before approaching the design of a complete sparse network of PZTs (number of elements, positions, etc...). My contribution was the study of the impact of operational conditions and the proposal of a generic methodology for the sizing and placement of a dispersed array of PZTs on arbitrarily complex aeronautical parts. The implementation of these networks of PZTs must finally be carried out in operating situations close to real conditions and on complex aeronautical parts. My contribution was to propose and experimentally validate algorithms for the different steps of the SHM process: detection, localization, classification and quantification of damages as well as for the compensation of environmental effects. These different algorithms have been grouped in a Matlab library called ``SHM@PIMM''. The majority of the approaches retained for the realization of the SHM of aeronautical structures by Lamb waves are based on a linear vision of the interaction ``waves/damages''. However, these interactions are also the seat of non-linear phenomena that can be exploited for SHM purposes. My contribution is here related to the development of tools for the estimation of nonlinear dynamical systems and their use in the development of SHM algorithms. However, there are few industrial applications of intelligent multifunctional vibrating structures. In the continuity of this work, a first perspective that I propose is to develop generic and flexible models describing the interrogation of structures by waves and encompassing the variability of cases encountered in real life. Different active materials alternative to PZT have furthermore been recently developed and offer new possibilities in terms of application in addition to SHM. A second perspective that seems relevant to me is related to the design of a multifunctional structure directly by the choice of its constituent electroactive materials and by the specification of the functions it must perform.

Les structures actuelles intègrent tout un écosystème allant bien au-delà de leur seule tenue mécanique. Les structures vibrantes intelligentes et multifonctionnelles sont ainsi équipées de capteurs, d’actionneurs, et d’algorithmes, qui les rendent capables de réaliser différentes fonctions basées sur leur dynamique vibratoire. L’une de ces fonctions les dote de la capacité de diagnostiquer leur état de santé en toute autonomie (SHM pour ``Structural Health Monitoring''). Cela se fait via, par exemple, l’installation permanente à leur surface d’éléments piézoélectriques (PZT) capables d’émettre et de recevoir des ondes de Lamb. Ce manuscrit présente une vision synthétique de mes activités de recherche autour de la thématique du contrôle de la santé des structures aéronautiques en matériaux composites par ondes de Lamb au PIMM. Trois caractéristiques de ces ondes doivent être considérées pour comprendre leur propagation dans les matériaux composites: l’évolution de leur vitesse avec la fréquence, leur atténuation dans les matériaux composites, et la dépendance de leurs propriétés avec leur direction de propagation. Mes contributions dans cette thématique sont liées à la prédiction semi-analytique des caractéristiques de propagation des ondes Lamb dans des empilements composites arbitraires et à la validation expérimentale de ces prédictions. Les interactions avec les dommages rencontrés dans les matériaux composites peuvent ensuite être classées selon trois familles : les phénomènes de diffraction qui font qu’un dommage pourra être vu comme une source d’ondes secondaire, la conversion de modes qui explique les transferts d’énergie entre différents types d’ondes, et les interactions ``ondes/dommages'' non-linéaires qui génèrent de nouveaux contenus spectraux. Les apports que j'ai réalisés dans cette thématique sont associés à la caractérisation des interactions ``ondes/dommages'' non-linéaires. Le déploiement industriel du SHM par ondes de Lamb nécessite ensuite la conception d’un réseau dispersé de PZT dédié. Il faut d'abord dimensionner un PZT et s’assurer de son bon fonctionnement in situ avant d’aborder la conception d’un réseau dispersé complet de PZTs (nombre d’éléments, positions, etc...). Mon apport a été ici l’étude de l’impact des conditions opérationnelles et la proposition d’une méthodologie générique pour le dimensionnement et le placement d’un réseau dispersé de PZTs sur des pièces aéronautiques arbitrairement complexes. La mise en œuvre de ces réseaux de PZTs doit enfin être réalisée dans des situations d’exploitation se rapprochant des conditions réelles et sur des pièces aéronautiques complexes. Ma contribution a ici été de proposer et de valider expérimentalement des algorithmes pour les différentes étapes du processus de SHM : détection, localisation, classification et quantification des dommages tout en tenant compte des effets environnementaux. Ces différents algorithmes ont été regroupés au sein d’une bibliothèque Matlab appelée ``SHM@PIMM'' . La majorité des approches retenues pour la réalisation du SHM de structures aéronautiques par ondes de Lamb sont basées sur une vision linéaire de l’interaction ``ondes/dommages''. Cependant, ces interactions sont aussi le siège de phénomènes non-linéaires exploitables à des fins de SHM. Ma contribution est ici liée au développement d’outils d'estimation de systèmes dynamiques non-linéaires et à leur utilisation pour le développement d’algorithmes de SHM. Il existe cependant peu d'applications industrielles de structures multifonctionnelles vibrantes intelligentes. Dans la continuité de ces travaux, une première perspective que je propose est de développer des modèles génériques et flexibles décrivant l'interrogation des structures par des ondes et englobant la variabilité des cas rencontrés dans la vie réelle. Différents matériaux actifs alternatifs au PZT ont de plus été récemment mis au point et offrent de nouvelles possibilités d'applications en plus du SHM. Une seconde perspective qui me semble pertinente est liée à la conception plus adaptée d’une structure multifonctionnelle directement par le choix de ses matériaux électro-actifs constitutifs et par la spécification des fonctions qu’elle doit réaliser.

Mots clés: Lamb waves; Structural Health Monitoring; Smart Structures

Mots clés: Ondes de Lamb; Contrôle de la santé des structures; Structures intelligentes

Domaines: Acoustique [physics.class-ph]; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Marc Rébillat. A la conquête des ondes guidées : un pas de plus vers des structures multifonctionnelles intelligentes. Acoustique [physics.class-ph]. Conservatoire National des Arts et Métiers, 2023. ⟨tel-04481530⟩