Characterisation of composite materials using an inverse vibratory method
Caractérisation de matériaux composites par problème inverse vibratoire
Résumé
The increasing use of composite materials in the industry leads to new challenges in various areas, including non-destructive evaluation. Common methods such as modal analysis or finite elements are rarely appropriated to represent the complex vibratory dynamic of composite structures or quantify their viscoelastic properties, new approaches are then needed. This thesis deals with the development and application of a local inverse vibratory method, called the Force Analysis Technique (FAT), in order to the study multilayer composites. The latter are considered to be homogeneous using the Timoshenko beam theory, which takes shear effects into account, usually significant for such structures. A frequency and/or spatial characterization of the equivalent elastic parameters (Young's modulus E, shear modulus G and their associated loss factors) is then possible to accurately interpret the dynamical behaviour of composite materials and also simplify their implementation in finite element software. A second approach using a corrected finite difference scheme (CFAT method) allows a similar analysis using a coarse mesh, reducing the durations of measurement and post-processing. Finally, a perspective of detection and identification of defects is considered. By mean of cartographies of the elastic parameters, it seems possible to infer a signature related to a kind of flaw. A discontinuity of the shear modulus would attest the presence of delamination while a reduced Young’s modulus could indicate a fibre breakage, etc.
L’usage croissant des matériaux composites dans l’industrie induit de nouvelles problématiques dans des domaines variés, notamment pour la caractérisation non destructive. Les méthodes courantes comme l’analyse modale ou les éléments finis sont rarement adaptées pour représenter la dynamique vibratoire complexe des structures composites ou quantifier leurs caractéristiques viscoélastiques, de nouvelles approches sont nécessaires. Les travaux concernent le développement et l’application d’un formalisme vibratoire inverse local, la méthode RIFF, pour l’étude des matériaux composites multicouches. Ces derniers sont considérés comme homogènes à l’aide de la théorie de Timoshenko, prenant en compte le cisaillement non négligeable de ces matériaux. Une caractérisation fréquentielle et/ou spatiale des paramètres équivalents (modules d’Young E et de cisaillement G, et facteurs de pertes associés) est alors possible, permettant de traduire fidèlement le comportement dynamique des composites et de simplifier leur modélisation en éléments finis. Une seconde approche utilisant un schéma aux différences finies corrigé (méthode RIC) autorise une analyse similaire à partir d’un maillage grossier diminuant fortement les temps de mesure et de post-traitement des données. Enfin, une perspective de détection et d’identification de défauts est envisagée. Grâce à des cartographies des paramètres élastiques et d’amortissements, il semble possible de pouvoir déduire la signature d’un défaut typique. Une discontinuité du module de cisaillement témoignerait de la présence d’un délaminage, la diminution du module d’Young traduirait une rupture de fibres, etc.
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