Sujet de thèse (Phd Position) : Contrôle Santé des Structures Nacelles pour Moteurs d'Avions -/- Structural Health Monitoring (SHM) of Aircraft Nacelles

Sujet de Thèse

Contrôle Santé des Structures Nacelles pour Moteurs d'Avions

 Structural Health Monitoring of Aircraft Nacelles

Contexte :

La réduction des vibrations et le contrôle de santé des structures sont devenus des enjeux d'un intérêt essentiel dans de nombreux secteurs de l’industrie innovante, notamment dans le domaine des transports (aéronautique et spatial, automobile, ferroviaire, maritime). Les technologies du contrôle santé et leur intégration globale offre une nouvelle approche pour la gestion du cycle de vie des structures. Ils permettent d'espérer pour les opérateurs des marges de conception plus réduites, un allégement des structures ainsi qu’une plus grande disponibilité des véhicules.

Le travail présent s'inscrit dans un des projets de la plateforme de démonstration technologique EPICE[*], une des huit plateformes du CORAC[†] au titre du programme gouvernemental d’investissements d’avenir. Ce projet, focalisé sur le thème du contrôle santé, concerne le suivi, l'analyse et la prédiction de la santé de l'ensemble propulsif, est porté par la société AIRCELLE (groupe SAFRAN), un des leaders mondiaux de la fabrication des nacelles des moteurs d'avions.

Mots clés : SHM, Identification, Expérimentation, Non linéaire, Détection et Isolation, Pronostic, Optimisation, Robustesse, Estimation, Apprentissage, ACP, SVM, Traitement du signal, Reconnaissance de forme, Simulation, Recalage, Eléments Finis, Matériaux, Piézoélectrique, Acoustique, Onde de Lamb.

Problématiques

Le contrôle et la surveillance in situ de l'état structurel (Structural Health Monitoring, SHM) ont bénéficié des récents progrès dans la caractérisation de dommages matériels (étude de la durabilité et du vieillissement des matériaux) et structurels, et des technologies des capteurs et transducteurs. Ces avancées technologiques ont favorisé l'émergence de nouvelles structures dites "structures intelligentes" (smart structures). Ce sont des structures qui se composent d’un réseau de capteurs et/ou d’actionneurs, d’une architecture d’acquisition et de commande en temps réel qui assurent le traitement des signaux. Dans ce travail, c’est la technologie piézoélectrique qui est retenue pour les éléments actifs. Les matériaux piézoélectriques sont capables de mesurer les déformations ainsi que de transmettre des efforts au système. Ils sont légers et peuvent être collés sur la structure ou à l’intérieur lorsqu’il s’agit structure en composites. Il subsiste néanmoins le problème de l’optimisation de leur forme, de leur taille et de leur localisation et par conséquent la nécessité de les modéliser finement ainsi que leurs interactions avec la structure. De plus, leur durée de vie doit être en adéquation avec la durée de vie de la structure.

La nacelle, pour un turboréacteur double flux, a plusieurs fonctions dont en particulier celle de fournir un ensemble de surfaces aérodynamiques guidant le flux secondaire (extérieur) dans le moteur ainsi que l'écoulement d'air autour du moteur. Une partie des surfaces de la nacelle est sujette à un traitement acoustique, visant à réduire le bruit émis par le moteur. Ainsi, la structure de la nacelle est exposée à de nombreuses sollicitations: variations de pression quasi-statiques (régime moteur et conditions extérieures) et dynamiques (fatigue sonique), vibrations moteur, variations thermiques importantes (-60° à +120° C). De nombreuses pièces des nacelles sont réalisées en matériaux composites (tissus de fibres de carbone avec matrices organiques) et en matériaux sandwichs composites+nid d'abeilles. Ces matériaux sont sujets à de nombreux modes de dégradation. Au cours du présent projet, on se propose d'analyser la santé de la structure vis-à-vis des délaminages inter-plis des composites et des décollements peaux/nid d'abeilles.

La mise en place de la surveillance de l'intégrité des structures comprend les étapes de modélisation, d’identification, d’extraction des caractéristiques et de développement d’un modèle. Généralement les endommagements peuvent être définis comme des changements intervenus dans un système qui affectent défavorablement sa performance actuelle ou future. Le concept de l’endommagement n’est significatif que par la comparaison entre deux états différents du système : l’état initial du système souvent intact (sain) et l’état actuel. Différentes techniques (actives ou passives) sont utilisées pour générer des caractéristiques sensibles aux endommagements et ainsi détecter les dommages (temporelles/fréquentielles, acoustiques, statistiques, ACP, identification par sous-espaces, …). Ces techniques sont ensuite couplées à des approches utilisant des données (numériques et expérimentales) du système sain et endommagé pour la localisation et la prédiction (reconnaissance de forme, réseaux de neurones, SVM, recalage de modèle EF,...). Leur mise en œuvre pose de nombreuses difficultés liées à l’identification précise et répétitive des caractéristiques discriminantes et ceci avec un nombre limité de capteurs. De plus, ce problème est aggravé par les variations des paramètres environnementaux. En effet, peu des approches existantes ont été testées en service et ainsi validées pour des conditions très variables : ex. température (-60° à +120° C).

Objectifs

L’objectif est de définir un système de surveillance de la structure nacelle embarqué ou non, compatible de l’environnement d’une installation motrice et respectant les contraintes opérationnelles de la nacelle. Le benchmark des solutions s’articulera principalement autour de solutions de contrôle de santé basées sur la transmission de vibrations (ondes de Lamb, impédance, identification fréquentielle, ...) et leur analyse par des outils de traitement de signal et de classification appropriés. Trois phases majeures sont envisagées : 1) définition du besoin et cartographie/évaluation des solutions possibles, 2) mise en œuvre à l’échelle laboratoire sur pièces représentatives (2D et 3D), 3) définition/spécification d’une application pour essais. Les approches SHM étudiés doivent détecter, isoler le dommage et si possible fournir des indications sur sa durée de vie restante (Pronostic).

La démarche de l'étude comportera un volet simulation numérique du comportement mécanique des pièces et des sous-ensembles. Ces simulations permettront d'anticiper le comportement que nous retrouverons par mesures. La modélisation mécanique se fera avec plusieurs niveaux de finesse, dans le souci de recherche d'un modèle permettant de faire des prédictions acceptables phénoménologiquement tout en réduisant le coût numérique. Les simulations incluront la présence des capteurs et actionneurs piézoélectriques. Cette disponibilité de modèles mathématiques permettra d'introduire différents dommages difficiles à réaliser expérimentalement et d'optimiser le nombre et l'emplacement des PZT.

Les algorithmes développés (passifs ou actifs) devront tenir compte des contraintes d'embarquabilité (puissance de calcul, électronique de puissance et de mesure). Le travail de thèse comporte un fort aspect expérimental où un banc d'essai laboratoire est à concevoir. Les mesures ainsi obtenues permettront de recaler les modèles analytiques et EF et valider les approches avant le passage sur des essais en vol.

Candidature

Le SHM se trouve à la croisée des chemins de plusieurs disciplines, allant de la science des matériaux, jusqu’au traitement du signal en passant, à titre d’exemple, par la mécanique vibratoire, l’acoustique, la classification et l’estimation robuste. Une expertise dans un de ces domaines est attendue.

Les candidatures sont à adresser à Mr. Mechbal. Elles doivent comporter un CV détaillé, une lettre de motivation et relevés de notes (Master, cycle d'ingénieur). L'adjoint de recommandations est appréciable.

Contacts

 

Nazih Mechbal : Tel : 01.44.24.64.58

 email : nazih.mechbal@ensam.eu

Mikhail Guskov : mikhail.guskov@ensam.eu

Marc Rebillat : marc.rebillat@ens-cachan.fr

 



[*] EPICE : Ensemble Propulsif Intégré avec du Composite pour l’Environnement

[†] CORAC : COnseil pour la Recherche Aéronautique Civile,  http://www.aerorecherchecorac.com/

 

Groupe(s) de recherche lié(s): 
DYSCO : Dynamics, Structures, Systems and Control
Centre(s) de ressources lié(s): 
Essais Mécaniques, Numerical simulation
Opération(s) de recherche liée(s): 
OR 14 : System dynamics, OR 15 : Command of mechanical systems