Structural health monitoring of composite structures : statistical and experimental approach
Contrôle santé des structures composites : approche expérimentale et statistique
Résumé
The aviation industry uses materials always more effective for its aircraft and space systems. The aircraft are equipped with antenna arrays to make communications. Our thesis falls within the MSIE project (Matériaux et Structures Intelligentes pour l'Electromagnétisme). The objective of this project is to meet the demands of the aviation industry, to evaluate the concept of new materials that enable the realization of compact and reconfigurable antenna composite structures. This adaptability assumes that these structures are also equipped with sensors/actuators able to perform an active control. It then necessary to add to these future structures a Structural Health Monitoring systems (SHM) to detect possible damage (impact, delamination between the host structure and the antenna array, fiber breakage, etc...), which may occur during the flight or during the aging of the structure. The development of the SHM systems is the core of our thesis. For this purpose, we have built experimental tests that took into account the industrial requirements. These experimental tests include antenna composite structures equipped with piezoelectric sensors and actuators. Through the information received from the sensors, we developed two damage detection methodologies, based on Principal Component Analysis (PCA) and Independent Component Analysis (ICA). These methods are statistical approaches, which have the particularity of not requiring any knowledge of the mechanical model of the structure to be monitored. These two methods are a way to extract features from the piezoelectric sensors of the structure in a healthy and in an unknown state. The comparison between these characteristics allowed us to calculate for each method, a damage index. Furthermore, to robustify the decision, we have associated to this damage index, a bound that decides if the structure is in healthy or damaged state. We have successfully applied the two methods to detect damage in antenna composite structures, namely: impact, delamination of the composite structures.
L'industrie aéronautique utilise des matériaux toujours plus performants pour ses avions et systèmes spatiaux. Ainsi, pour réaliser les communications, les avionneurs souhaiteraient aller vers une réelle intégration des structures antennaires à la structure de l'avion et donc de passer de la structure antennaire vue comme équipement embarqué à la structure antennaire devenue équipement intégré. Notre travail de thèse se situe dans le cadre du projet MSIE (Matériaux et Structures Intelligentes pour l'Electromagnétisme). L'objectif de ce projet est de répondre aux demandes du secteur aéronautique, en évaluant le concept de nouveaux matériaux susceptibles de permettre la réalisation de structures antennaires conformées, compactes et reconfigurables. Cette adaptabilité suppose que ces structures soient reconfigurables et donc capables, une fois munies de capteurs/actionneurs, de réaliser un contrôle actif de la directivité, du rendement et du gain des structures antennaires. Il est alors apparu nécessaire d'adjoindre à ces futures structures, une fonction de Contrôle santé ou Structural Health Monitoring "SHM", de manière à pouvoir détecter d'éventuels endommagements (impact, délaminage entre le réseau d'antennes et la structure composite, rupture des fibres, etc....) susceptibles de se produire au cours du vol ou au cours du vieillissement de la structure. C'est dans le développement de la fonction SHM que s'inscrit ce travail de thèse. A cet effet, nous avons réalisé des dispositifs expérimentaux en tenant compte des demandes de l'industriel. Ces dispositifs comportent des structures composites antennaires munies de capteurs et d'actionneurs piézoélectriques. A travers les informations transmises par les capteurs, nous avons développé deux méthodes de détection de l'endommagement à base d'Analyse en Composantes Principales (ACP) et d'Analyse en Composantes Indépendantes (ACI). Ces deux méthodes sont des approches statistiques qui ne nécessitent pas la connaissance du modèle mécanique de la structure à surveiller. Il s'agit de méthodes traitant des observations vectorielles (multivariées) transmises par les capteurs piézoélectriques, afin d'en extraire des caractéristiques de fonctionnement de la structure à l'état sain et de la structure dans un état inconnu. La comparaison entre ces caractéristiques nous a permis de calculer pour chacune des deux méthodes, un résidu indicateur d'endommagement. Nous avons complété ce résidu par une robustification de la prise de décision et cela par le calcul d'une borne, au-delà de laquelle l'endommagement est détecté.
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