Contrôle de la santé des structures aéronautiques composites par des réseaux d’éléments piézo-électriques intégrés

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Comment l’industrie aéronautique utilise-t-elle la maintenance comme enjeu économique et concurrentiel majeur ? Eclairages de Nazih Mechbal, Marc Rébillat, Eric Monteiro, Mikhail Guskov et Etienne Balmès, enseignants au Laboratoire PIMM, Equipe DYSCO (Dynamique, Structure, Commande).

De la maintenance planifiée à la maintenance conditionnelle

Les stratégies en lien avec la maintenance actuellement mises en œuvre dans l’industrie aéronautique sont dénommées maintenance planifiée et consistent à planifier un certain nombre d’interventions sur les avions. Au terme d’un certain nombre d’heures de vol, des inspections visuelles des composants critiques devront être réalisées. A intervalles moins fréquents, ces composants devront être entièrement démontés pour une vérification complète de leur intégrité structurelle. Cette stratégie de maintenance imposée par les normes aéronautiques en vigueur n’est pas satisfaisante car elle impose, dans la majorité des cas, l’immobilisation de l’aéronef alors que ce n’est pas nécessaire et car elle est basée sur des interventions humaines pouvant être causes d’erreurs d’appréciation. L’interrogation actuelle de la communauté scientifique et des industriels qui l’accompagnent est donc de proposer des solutions permettant de passer d’une stratégie de maintenance planifiée à une stratégie de maintenance conditionnelle. La maintenance conditionnelle sera effectuée uniquement en cas de nécessité et suite à un diagnostic automatisé réalisé de façon autonome par la structure aéronautique concernée. Le prérequis au passage à la maintenance conditionnelle est de rendre les structures à surveiller intelligentes en les équipant de capteurs, d’actionneurs et d’algorithmes leur permettant de diagnostiquer automatiquement et de façon autonome leur état de santé structurel.

Un sujet de recherche induisant des travaux variés

Ce thème pluridisciplinaire, car il combine traitement du signal, dynamique des structures, intelligence artificielle, et instrumentation, est à l’origine de nombreux projets de recherche. A Arts et Métiers, ces projets sont portés entre autres par l’équipe DYSCO (Dynamique Structures Commande) du Laboratoire PIMM (Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux) et plus particulièrement par Nazih Mechbal, Marc Rébillat, Eric Monteiro, Mikhail Guskov et Etienne Balmès. Parmi les projets récents sur ce thème, figurent le projet européen H2020 MORPHO (https://morpho-h2020.eu/) ou encore le projet ANR COQTEL (https://coqtel.cnrs.fr/) tous les deux coordonnés par l’équipe DYSCO du PIMM.

L’élément piézo-électrique, détecteur des défaillances et garant d’une plus grande sécurité des structures aéronautiques

L’approche originale proposée par cette équipe de chercheurs consiste à équiper les pièces aéronautiques (fabriquées majoritairement en matériaux composites multicouches) d’éléments piézo-électriques. L’effet piézo-électrique correspond à un couplage entre grandeurs mécaniques et grandeurs électriques : un élément piézo-électrique soumis à une force génèrera une tension électrique et de façon inverse si ce même élément est soumis à une tension, il développera une certaine force. Par la réversibilité de l’effet piézo-électrique, ces éléments auront donc le double-rôle de capteurs et d’actionneurs. En effet, les éléments installés à demeure sur les structures permettront de les rendre intelligentes et seront ainsi utilisés pour les sonder automatiquement et régulièrement via des ondes ultrasonores produites entre 100~kHz et 200~kHz. Dès qu’un dommage apparaitra dans la structure hôte, un écho ultrasonore associé à ce dommage sera produit et des algorithmes de surveillance dédiés seront ensuite capables, grâce à cette signature unique, de détecter ce dommage, de le localiser, de le classer et d’estimer sa sévérité. Ces avancées technologiques ont été validées à l’échelle du laboratoire mais aussi lors d’essais en vol réalisés à Toulouse sur des nacelles d’Airbus A380. Sur la Figure 1, les deux parties des nacelles de l’A380 équipées d’éléments piézoélectriques (la capote de soufflante et la structure fixe interne) ont été photographiées juste avant leur envol.

 

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Figure 1: Les deux parties des nacelles de l’A380 équipées d’éléments piézoélectriques (la capote de soufflante et la structure fixe interne) photographiées juste avant leur envol.

 

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