Thèse PAM - Service Central d`Authentification Université de Nantes

Universit´e de Nantes
´
ECOLE DOCTORALE SPIGA
SCIENCES POUR L’ ING´ ENIEUR, G´ EOSCIENCES, ARCHITECTURE
Ann´ee 2013 N◦attribu´e par la biblioth`eque
Mesures de d´eformations par Capteurs `a
Fibre Optique au cœur de mat´eriaux
composites
TH` ESE DE DOCTORAT
Discipline : Sciences de l’Ing´enieur
Sp´ecialit´e : G´enie M´ecanique
Pr´esent´ee et soutenue publiquement par
Pierre-Antoine Morvan
Le 21 F´evrier 2013 `a l’Universit´e de Nantes devant le jury ci-dessous
Pr´esident Philippe Olivier Professeur, Universit´e de Toulouse
Rapporteurs Nadia Bahlouli Professeur, Universit´e de Strasbourg
Pierre Ferdinand Directeur de recherche, CEA LIST Saclay
Examinateurs Christian Boisrobert Professeur, Universit´e de Nantes
Pascal Casari Professeur, Universit´e de Nantes
Dominique Leduc Maˆıtre de conf´erences HDR, Universit´e de Nantes
Cyril Lupi Maˆıtre de conf´erences, Universit´e de Nantes
Laurent Robert Maˆıtre de conf´erences, ´ Ecole des Mines d’Albi
Directeur de Th`ese Pascal Casari, Professeur
Institut de Recherche en G´enie Civil et M´ecanique de Nantes (GeM)
Encadrant Cyril Lupi, Maˆıtre de conf´erences
Institut de Recherche en G´enie Civil et M´ecanique de Nantes (GeM)
N◦ED

Table des mati`eres
Liste des figures viii
Liste des tableaux ix
Introduction 1
1´ Etat de l’art sur l’emploi des Capteurs `a Fibres Optiques dans les mat´eriaux
composites. 5
1.1 Qu’est ce qu’un capteur `a fibre optique. .................... 6
1.1.1 Description g´eom´etrique du guidage optique .............. 6
1.1.2 Description ondulatoire du guidage optique au sein de la fibre optique. 7
1.2 Diffusion de la lumi`ere : ou comment mesurer des d´eformations et des
temp´eratures. ................................... 8
1.3 Capteurs `a r´eseaux de Bragg Fibr´es et techniques de mesures associ´ees . . . 12
1.4 M´ethodes d’analyses de la r´eponse d’un r´eseau de Bragg ........... 16
1.4.1 M´ethodes performantes et appropri´ees `a des mesures de terrains . . 16
1.4.2 R´eflectom´etrie `a faible coh´erence optique et Layer Peeling . . . . . . 17
1.5 ´ El´ements de base sur les mat´eriaux composites. ................ 20
1.5.1 G´en´eralit´es ................................ 20
1.5.2 Les proc´ed´es de fabrication ....................... 24
1.6 ´ Etat de l’art sur l’emploi des capteurs `a fibres optiques dans les composites 25
1.6.1 Application au suivi de fabrication de composites ........... 25
1.6.2 Mesures de d´eformations au cœur des mat´eriaux composites . . . . . 27
1.7 Conclusion .................................... 29
2 Mod´elisation analytique et num´erique du comportement m´ecanique d’un
r´eseau de Bragg au cœur d’un mat´eriau. 31
2.1 ´ Etude analytique du probl`eme .......................... 33
2.1.1 Fibre optique dans un mat´eriau isotrope soumis `a de la traction pure. 33
2.1.2 Fibre optique dans un mat´eriau isotrope transverse soumis `a de la
traction pure. ............................... 42
2.1.3 Mat´eriau Isotrope soumis `a un chargement thermique. . . . . . . . . 47
2.1.4 Bilan concernant l’analyse de la variation de longueur d’onde d’un
FBG en r´eponse `a une sollicitation m´ecanique. ............ 51
2.2 Comportement m´ecanique du capteur : analyse num´erique .......... 51
2.2.1 Contexte de l’analyse num´erique .................... 51
2.2.2 Simulation d’une ´eprouvette soumise `a un chargement de traction . 52
2.2.3 ´ Eprouvette soumise `a un chargement thermique. ........... 55
i

2.3 Comment d´eterminer simultan´ement les d´eformations εzet εrd’un capteur
fibre optique ? ................................... 57
2.3.1 Architecture `a deux r´eseaux de Bragg classiques de pas diff´erents. . 57
2.3.2 Utilisation d’un r´eseau de Bragg inscrit dans une fibre bir´efringente. 59
2.3.3 Architecture `a r´eseaux courte et `a longue p´eriode juxtapos´es . . . . 60
2.4 Conclusion .................................... 62
3 Caract´erisation m´ecanique de r´eseaux de Bragg libres et ins´er´es dans
une r´esine ´epoxy. 65
3.1 Essais de traction sur des fibres libres ..................... 65
3.1.1 Fibre d´enud´ee. .............................. 66
3.1.2 Fibre avec son revˆetement acrylate. .................. 69
3.2 Conception de l’´eprouvette d’essais m´ecaniques int´egrant des r´eseaux de
Bragg. ....................................... 70
3.3 Mise en œuvre de l’´eprouvette instrument´ee. .................. 71
3.4 Essai de traction sur une ´eprouvette ´equip´ee de r´eseaux de Bragg internes
et externes au corps d’´epreuve. ......................... 73
3.5 Essai de flexion sur une ´eprouvette en r´esine ´equip´ee d’un r´eseau de Bragg. 76
3.6 Variation de la temp´erature sur une ´eprouvette ´equip´ee de r´eseaux de Bragg. 77
3.7 Conclusion .................................... 79
4 Identification de champs de d´eformation non uniformes 81
4.1 Essai de traction sur une ´eprouvette bi-composant .............. 81
4.1.1 Pr´esentation ............................... 81
4.1.2 Mod´elisation num´erique ......................... 83
4.1.3 Mise en œuvre de l’´eprouvette ..................... 84
4.1.4 Essai m´ecanique de traction ....................... 91
4.2 Instrumentation d’un composite stratifi´e `a travers son ´epaisseur . . . . . . . 99
4.2.1 Objectif .................................. 99
4.2.2 Mise en œuvre .............................. 99
4.2.3 Mesure du retrait de la r´esine dans un stratifi´e avec un r´eseau de
Bragg ...................................102
4.2.4 Pr´esentation des essais de flexion ....................104
4.2.5 Mod´elisations associ´ees .........................107
4.2.6 R´esultats .................................109
4.2.7 Discussion .................................110
4.2.8 Conclusion ................................111
Conclusion G´en´erale 113
A Mesure du coefficient de r´eflexion complexe de composants fibr´es 115
A.1 R´eflectom´etrie en lumi`ere faiblement coh´erente ................115
A.1.1 Dispositif exp´erimental .........................115
A.1.2 Analyse des donn´ees ...........................116
B Mesure du profil d’indice de r´eseaux de Bragg 119
B.1 Th´eorie des modes coupl´es ............................119
B.2 Algorithme du ≪Layer Peeling≫.........................120
B.3 D´etermination des caract´eristiques du r´eseau .................121
ii

Bibliographie 123
iii