Propagation des ondes ultrasonores dans les structures tricouches planes, application à l'évaluation et au contrôle non destructifs des assemblages collés

Abstract

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans le cadre général de l’évaluation et du contrôle non destructifs des structures : recherche de défauts métallurgiques, caractérisation de l’adhérence, détermination des propriétés mécaniques… Les structures considérées ici sont des assemblages plans tri-couches constitués de deux tôles collées des outils numériques, basés sur des méthodes théoriques, ont été mis au point pour étudier le potentiel des techniques ultrasonores à contrôler et évaluer l’état de santé des assemblages collés. La première technique présentée dans cette étude est basée sur l’analyse de l’évolution fréquentielle du coefficient de réflexion. Un code de calcul numérique de grande précision est développé sur Matlab pour déterminer, en incidence normale, l’évolution fréquentielle du coefficient de réflexion pour différentes qualités du contact. La modélisation du contact est faite selon les conditions aux limites définies par Pilarski. Des simulations numériques sont effectuées sur trois structures tri-couches : aluminium/colle/aluminium : acier/colle/acier et zircaloy/colle/zircaloy. Les résultats numériques obtenus sont en parfait accord avec ceux déterminés expérimentalement par d’autres chercheurs. Une nouvelle interprétation de l’évolution fréquentielle des minimums du coefficient de réflexion en passant d’un collage parfait à un mauvais collage est proposé. La deuxième technique proposée ici est basée sur la propagation des ondes guidées ayant l’amplitude à se propager sur de longues distances ce qui permet un contrôle de l’intégrité de la structure. L’utilisation de cette technique pour contrôler la qualité du collage de deux plaques d’aluminium nécessite l’étude et la compréhension de la propagation des ondes guidées dans les structures tri-couches. Deux méthodes analytiques sont exposées permettant la détermination de l’équation de dispersion de ces structures. Par une résolution numérique de cette équation caractéristique, nous avons déterminé le réseau de dispersion de la structure collée. Une nouvelle équation caractéristique, nous avons déterminé le réseau de dispersion de la structure collée. Une nouvelle interprétation des courbes de dispersion est proposée mettant en évidence l’existence, pour chaque mode de propagation, de portions (quasi horizontales) qui suivent les modes d’une couche de colle seule et de portions qui suivent les modes d’une couche d’aluminium seule. Par ailleurs, l’étude du champ de déplacement a montré que le déplacement s’effectue dans la couche de colle lorsque le mode de propagation est pris de la partie qui suit le mode de la couche de colle seule et il est prépondérant dans la plaque d’aluminium si le mode est situé dans la partie qui suit le mode d’une plaque d’aluminium seule. En introduisant le modèle des interfaces de Pilarski, le calcul numérique des courbes de dispersion pour différentes natures du contact colle-aluminium a permis de montrer la grande sensibilité de ces courbes de dispersion à la qualité du collage. La troisième technique présentée dans cette étude consiste à l’évaluation non destructive des propriétés matérielles d’une structure tri-couche à partir de ces courbes de dispersion. La structure tri-couche est composée d’une tôle de cuivre liée à une tôle d’acier par une couche de colle en résine époxy. Les propriétés matérielles considérées sont les vitesses d’onde longitudinale est transversale, ainsi que la densité de chaque couche de la structure. Sur les courbes de dispersion déterminées par notre code numérique, nous avons mis en évidence l’existence, pour chaque mode de la structure tri-couche, des portions qui suivent les modes d’une plaque de cuivre seule et des portions qui suivent les modes d’une plaque d’acier seule et d’autres (quasi horizontales) qui suivent les modes d’une couche de colle seule. A partir de ces courbes de dispersion, le champ du déplacement est déterminé en montrant que l’énergie ultrasonique dans la structure tri-couche est restreinte à une couche donnée quand le mode sélectionné de la structure est localisée dans le portion qui suit le mode de cette couche. Finalement, à partir d’une courbe de dispersion sélectionnée de la structure tri-couche étudiée. La procédure de la méthode inverse utilise la solution non-linéaire des moindres carrés à l’équation de dispersion en définissant une fonction d’erreur en minimiser cette fonction d’erreur et donc déterminer un ensemble optimum des neuf propriétés matérielles. La comparaison des valeurs optimisées avec les valeurs exactes montre l’efficacité de la méthode inverse proposée. Cette technique ultrasonore permet donc l’accès à la connaissance de l’état de santé des assemblages collés en déterminant leurs propriétés matérielles.