Development of a new generation of fiber sensors for structural health monitoring in composites in real-time

par Yumna Qureshi

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Mostapha Tarfaoui.

Soutenue le 10-07-2020

à Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) et de Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) .

Le président du jury était Francisco Chinesta.

Le jury était composé de Mohamed Benbouzid, Fodil Meraghni, Daniela Plachá, Khalid Lafdi.

Les rapporteurs étaient Daniel Coutellier, Fouad Erchiqui.

  • Titre traduit

    Développement d'une nouvelle génération de capteurs pour la surveillance de la santé structurale des composites en temps réel


  • Résumé

    Les composites ont remplacé les matériaux traditionnels dans presque toutes les applications d'ingénierie et de structure en raison de leurs performances extraordinaires, mais ils ne sont pas exemptes de limitations et de problèmes. Bien qu'il s'agisse d'un matériau polyphasé, les mécanismes d'initiation et de propagation des dommages conduisant à la rupture est bien établi et le problème est que ces dommages ou défaillances ne sont pas toujours visibles. Ainsi, même lorsque la structure globale est toujours intacte, il est essentiel d'étudier ses performances en conditions opérationnelles en temps réel pour éviter tout incident catastrophique. Ainsi, une surveillance de la santé structurelle in-situ a été développée dans laquelle les données structurelles peuvent être collectées et analysées en temps réel pour identifier la présence de dommages. L'étude menée dans le cadre de ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'un système de capteurs sensible et robuste qui peut non seulement surveiller la déformation des structures composites en temps réel, mais aussi détecter l'initiation et la propagation des dommages sous différentes conditions de charge. Dans cette étude, trois systèmes de capteurs différents ont été développés en utilisant des matériaux fonctionnels intelligents pour étudier leur efficacité dans le suivi de la déformation des composites dans différentes directions et positions sous différente type de chargement. Un objectif supplémentaire de ce projet est d'étudier les performances de détection de chaque système de capteurs et de démontrer s'ils peuvent identifier le type de déformation en plus de leur détection en temps réel. Les résultats ont établi que chaque système de capteur présentait un bon potentiel en tant que capteur flexible de contrainte pour la surveillance in-situ des composites et leur disposition peut fournir une détection sur une grande section et des emplacements inaccessibles. La comparaison des résultats de la campagne d’essais a permis de sélectionner les meilleurs systèmes de capteur qui sont ensuite utilisés pour la détection des dommages dans les composites sous l’action des charges statiques et dynamiques. Cette étude donne une vision complète concernant le comportement de détection de différents systèmes de capteurs sous différentes charges opérationnelles et montre également que la position et l’orientation du capteur dans l'échantillon jouent un rôle vital. Sur la base de cette comparaison détaillée, le système de capteurs sélectionné surveille non seulement la déformation en temps réel, mais permet également de détecter le déclenchement et la propagation des dommages ainsi que d’identifier et quantifier leur nature sous des chargements statiques et dynamiques. De plus, des modèles numériques robuste ont été développés et corréler avec les résultats expérimentaux. Les résultats numériques ont non seulement validé le comportement mécanique expérimental de l'échantillon composite, mais ont également confirmé le signal de détection du capteur placé dans différentes positions et directions au sein de l'échantillon composite. Ce travail de recherche a donné lieu à plusieurs publications dans des revues de rang A (6 articles), 1 chapitre dans un livre, 1 publication dans la bibliothèque numérique SPIE et 6 présentations orales dans différentes conférences.


  • Résumé

    Composites have substituted traditional materials in almost every engineering and structural application because of their extraordinary performance but still, they are not exempt from limitations and problems. Despite being a multiphase material, their mechanism of damage initiation and propagation leading to failure are well established and the problem is that these damages or failures are not visible always. So, even when the overall structure is still intact, it is essential to study their performance during operational conditions in real-time to avoid any catastrophic incident. Thus, in-situ structural health monitoring was developed in which structural data can be collected and analyzed in real-time to identify the presence of damage. The study conducted in this research is within the framework of development affective and robust sensor system which can monitor not only the deformation in composite structures in real-time but also can detect damage initiation and damage propagation under different loading conditions. In this study, three different sensor systems are developed using smart functional materials to study their effectiveness in monitoring deformation in composites in different directions and positions under different quasi-static loadings. An additional goal of this research was to study the detection behavior of each sensor system and demonstrate whether they can identify the type of deformation besides their detection in real-time. The results established that each sensor system exhibited good potential as a flexible strain sensor for in-situ monitoring of composites and their arrangement can provide detection over a large section and unapproachable locations. The comparison of their results assisted in the selection of better sensor systems which is then utilized to detect damage and final fracture in composites during overall mechanical behavior under quasi-static and dynamic loadings. This study provides a comprehensive understanding regarding the detection behavior of different sensor systems under different operational loads and also shows that the position and direction of the sensor within the sample plays a vital role in it. Based on this detailed comparison, the selected sensor system does not only monitor the deformation in real-time but also, detect damage initiation, identify the type of damage, quantifies them, and also sense damage propagation under both quasi-static and dynamic loadings. Moreover, numerical models are developed to verify the detection behavior of this sensor system to verify the experimental results. Numerical results not only validated the experimental mechanical behavior of the composite sample but also confirmed the detection signal of the sensor placed in different positions and directions within the composite sample. This research study has resulted in several publications in rank A journals (6 articles), 1 chapter in a book, 1 publication in SPIE digital library, and 5 oral presentations in different conferences.


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