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Détection des fissures de fatigue par vibrothermographie

Mabrouki, Farid (2015). Détection des fissures de fatigue par vibrothermographie. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette thèse présente l’étude de l'utilisation de la vibrothermographie pour la détection des fissures de fatigue dans des spécimens métalliques. Des analyses modales par éléments finis sont effectuées. Les fréquences naturelles et les déformées modales associées obtenues servent à définir les paramètres des excitations vibratoires à appliquer aux différents spécimens. Des modèles par éléments finis thermo-mécaniques couplés sont construits pour simuler les différents processus d'inspection par thermographique. Le premier modèle est relatif aux spécimens compacts de tension, il comprend une représentation de l’échauffement par frottement. Celui relatif aux échantillons sous forme de poutres représente également l’échauffement dû à la déformation plastique. En comparant les résultats des simulations à des mesures expérimentales prises à l'aide d'une caméra infrarouge, le modèle représentant l’échauffement par frottement est capable de prédire la détection de fissures aussi courte que 0,1 mm avec une erreur de l’ordre de 9 %. Celui représentant l’échauffement par déformation plastique est capable de prédire la détection de fissures aussi courte que 1 mm avec une erreur de l’ordre de 8 %. Le modèle associé à l’échauffement par frottement montre que la contrainte de Von Mises à la pointe de la fissure est inférieure à la limite élastique du matériau, ce qui confirme le caractère non destructif du test. Celui associé à la plasticité cyclique montre que la contrainte de Von Mises dépasse la limite élastique du matériau au niveau des lèvres de la fissure mais pas à sa pointe. Ceci montre que le réchauffement local au voisinage de la fissure rendant possible sa détection est dû à la déformation plastique et prouve le caractère non destructif du test puisque la contrainte maximale n’est pas localisée à la pointe de la fissure. Finalement, la transformée de Fourier appliquée aux réponses thermiques numériques montre que la température à proximité de la fissure varie en fonction de la fréquence d'excitation et présente des harmoniques dues à la non-linéarité induite par la fissure.

Titre traduit

Detection of fatigue cracks by vibrothermography

Résumé anglais

This thesis investigates the use of vibrothermography for the detection of fatigue cracks in steel compact tension coupons and in beam shaped aluminum specimens using combined experimental and finite element analyses.

First, modal analyses are carried out by finite element method. The resulting natural frequencies and associated mode shapes serve to define the optimal excitation parameters. Coupled thermo-mechanical models are then built to simulate the thermography inspection processes. The first coupled model related to the compact tension coupons includes a representation of frictional heating. The one associated to the beam shaped spécimens represents, as well, heating due to plastic deformation. The model related to frictional heating predicts the detection of cracks as short as 0.1 mm that is also confirmed experimentally using a commercial infrared camera with an error about 9 % on the temperature evolution. The one related to plastic deformation heating predicts the detection of cracks as short as 1 mm that is also confirmed experimentally with an error about 8 % on the temperature evolution.

The model associated to friction heating shows that the stress at the crack tip is lower than the material’s yield stress, which makes the test truly non-destructive. The one associated to cyclic plasticity shows that the stress at the crack faces exceeds the material’s yield stress but not at the crack tip, confirming that the heat generated during plastic deformation leads to crack detection. Finally, the Fourier transform applied on the numerical thermal response shows that the specimen’s temperature at the crack vicinity varies according to the excitation frequency and presents harmonics due to the nonlinearity induced by the crack.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 131-134.
Mots-clés libres: Métaux Essais Thermographie. Métaux Fissuration. Métaux Fatigue. Thermographie Modèles mathmatiques. vibrothermographie, détection des fissures de fatigue.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Thomas, Marc
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 juill. 2015 19:30
Dernière modification: 14 juill. 2015 19:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1477

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