Etude de l’effet de conditions d’interface imparfaites dans les structures multicouches isotropes et anisotropes sur les coefficients de réflexion des ondes ultrasonores

Study of the effect of imperfect interface conditions in isotropic and anisotropic multilayered structures on the reflection coefficients of ultrasonic waves

• Auteur / Autrice : Abderrahmane Loukkal
• Direction : Marc Lethiecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur. Acoustique
• Date : Soutenance le 20/05/2020
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Potel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Lematre, Maxime Bavencoffe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Despaux, Francine Luppé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adhésion (physique)

Constantes physiques

Élastoviscoplasticité

Relations de dispersion

Ultrasons

Estimation de paramètres

Revêtements optiques

Anisotropie

Isotropie

Parois multicouches

Électrocinétique (effets d'interface)

Mots clés libres

Coefficient de réflexion

Courbes de dispersion

V(z)

Optimisation

Reflection coefficient

Dispersion curves

Adhesion quality

V(z)

Constantes élastiques

Optimization

Résumé

Les structures collées suscitent un intérêt particulier par leur faible coût, leur légèreté, généralement la bonne distribution des contraintes qui les caractérise, ainsi que leur facilité d’assemblage. Cependant, les couches adhésives peuvent souffrir de certains défauts tels que les délaminations ou encore la porosité. Il est ainsi nécessaire de développer des outils permettant de contrôler les interfaces de manière non destructive. Parmi ces outils, la microscopie acoustique représente un moyen essentiellement qualitatif de caractériser ces défauts d’adhérence grâces aux images obtenues, mais elle donne également accès à des informations quantitatives par l’utilisation de la méthode V(z) qui lui est associée. Celle-ci permet en effet de caractériser la qualité d’adhérence ainsi que les propriétés mécaniques d’une couche d’interface par l’intermédiaire de la reconstruction du coefficient de réflexion ou des courbes de dispersion des ondes guidées.Le formalisme mathématique permettant de simuler le coefficient de réflexion et les courbes de dispersion correspondant à des structures multicouches isotropes et anisotropes est d’abord introduit. Des modèles d’interfaces imparfaites entre couches, et prenant en compte la nature isotrope et anisotrope des matériaux, sont ensuite implémentés. Dans le cas des milieux isotropes, la couche d’interface est modélisée par un matériau viscoélastique dont la viscosité est régie par un paramètre permettant de moduler la qualité d’adhérence. Dans le cas anisotrope, la couche d’interface est modélisée par un matériau virtuel poreux dont on peut modifier le facteur de porosité ainsi que l’orientation des pores permettant ainsi, de modéliser des défauts tels que des délaminations, et possédant des orientations privilégiées au sein de l’interface.Les coefficients de réflexion et les courbes de dispersion des ondes guidées relatifs à des bicouches isotropes et anisotropes sont ensuite calculés. Les coefficients de réflexion permettent d’accéder aux modes de résonance de ces structures. La correspondance entre modes de résonance dans des structures métalliques plongées dans l’eau et courbes de dispersion des ondes guidées pour les mêmes structures dans des conditions de surfaces libres est d’abord établie. Des simulations sont ensuite menées pour étudier l’influence, sur les modes de résonance, de plusieurs paramètres caractérisant une couche adhésive assurant la liaison entre deux couches métalliques. Des modes de couplage de la structure globale sont identifiés et font l’objet d’une attention particulière car ils sont, de fait, plus sensibles à la variation des propriétés de la couche d’interface. Pour le cas isotrope, le paramètre viscoélastique impacte fortement les modes de résonance de couplage de la structure, et permet de caractériser des défauts tels que des délaminations ou des défauts de polymérisation. Concernant le cas anisotrope, le facteur de porosité permet de modéliser la qualité d’adhérence, et offre également la possibilité de caractériser des défauts possédant des orientations privilégiées liées à celles des pores introduits dans le modèle.Enfin, les données expérimentales obtenues par méthode V(z) sont traitées. Les courbes V(z) sont ainsi inversées afin de reconstruire les coefficients de réflexion associés. La qualité d’adhérence ainsi que les constantes élastiques d’une couche adhésive enfouie dans un multicouche métallique sont caractérisées à l’aide d’algorithmes d’optimisation utilisant la méthode du simplexe. Les résultats concernant l’évaluation de la qualité d’adhérence sont mitigés, en raison, notamment, de difficultés expérimentales. Concernant la caractérisation des constantes élastiques d’une couche d’époxy liant deux couches métalliques, l’algorithme d’optimisation permet une évaluation convenable de ses constantes, en fournissant un bon accord entre les vitesses des ondes guidées simulées et mesurées.

Bonded structures are of particular interest because of their low cost, light weight, generally good distribution of stresses and ease of assembly. However, adhesive layers can suffer from certain defects such as delaminations or porosity. It is therefore necessary to develop tools for non-destructive testing of interfaces. Among these tools, acoustic microscopy represents an essentially qualitative means of characterizing these adhesion defects thanks to the images obtained, but it also makes it possible to extract quantitative information by using the V(z) method associated with it. This method allows characterizing the adhesion quality and the mechanical properties of an interface layer by means of the reconstruction of the reflection coefficient or the dispersion curves of the guided waves.The mathematical formalism for simulating the reflection coefficient and dispersion curves corresponding to isotropic and anisotropic multilayered structures is first derived. Models of imperfect interfaces between layers, taking into account the isotropic and anisotropic nature of the materials are then implemented. In the case of isotropic media, the interface layer is modeled by a viscoelastic material whose viscosity is governed by a parameter that modulates the adhesion quality. In the anisotropic case, the interface layer is modeled by a virtual porous material whose porosity factor and pore orientation can be modified, thus making it possible to take into account defects, such as delaminations, which can have privileged orientations within the interface.Reflection coefficients and guided waves dispersion curves for isotropic and anisotropic bi-layers are then calculated. The reflection coefficients provide access to the resonance modes of these structures. The correspondence between resonance modes in metal structures immersed in water and guided waves dispersion curves for the same structures under free surface conditions is first established. Simulations are then carried out to study the influence on the resonance modes of several parameters characterizing an adhesive layer providing the bond between two metal layers. Coupling modes of the overall structure are identified and are the subject of particular attention because they are found to be more sensitive to the variation of the properties of the interface layer. For the isotropic case, the viscoelastic parameter has a strong impact on the coupling resonance modes of the structure, and makes it possible to characterize defects such as delaminations or polymerization defects. For the anisotropic case, the porosity factor allows modeling the adhesion quality, and also offers the possibility to characterize defects with privileged orientations related to those of the pores introduced in the model.Finally, experimental data obtained by the V(z) method are processed. The V(z) curves are thus inverted in order to reconstruct the associated reflection coefficients. The adhesion quality as well as the elastic constants of an adhesive layer embedded in a metallic multilayer are characterized using optimization algorithms based on the simplex method. The results concerning the evaluation of the adhesion quality are mixed, mainly due to experimental difficulties. Concerning the characterization of the elastic constants of an epoxy layer bonding two metallic layers, the optimization algorithm allows a proper evaluation of its constants, providing a good agreement between the simulated and measured guided waves velocities.