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Contrôle santé intégré (SHM)
Le SHM est une discipline récente. Il est très lié au contrôle non destructif (CND), les deux disciplines s’intéressant à la santé d’une structure. Cette section explicite donc dans un premier temps ce qui diffère entre le CND et le SHM. Dans un second temps, une définition générique du SHM est présentée. Enfin, des motivations pouvant pousser à choisir un système SHM à la place (ou en combinaison à) de la maintenance par CND seront exposées.
Du contrôle non destructif au contrôle santé intégré
Dans l’industrie aéronautique, spatiale, pétrochimique ou encore nucléaire, où une défaillance non-contrôlée peut donner lieu à une catastrophe, le maintien de l’intégrité des structures revêt une importance critique. La maintenance joue un rôle prépondérant aussi bien du point de vue des coûts (Giurgiutiu et al. estiment dans [14] que la maintenance et les réparations sont responsables de 25 % des coûts d’exploitation des compagnies aériennes américaines) que de la sécurité.
Afin de limiter le risque d’un défaut passé inaperçu causant une défaillance majeure, les structures doivent donc être surdimensionnées afin de résister à une usure supérieure à ce pour quoi elles ont été prévues. En plus du surcoût imposé, cela peut également limiter leurs performances (par exemple en augmentant la masse et donc la consommation d’un avion de ligne). Pour éviter ces désagréments, les méthodes de CND s’attachent à détecter d’éventuels défauts et à suivre leur évolution au cours du temps afin de déceler suffisamment tôt les signes d’une défaillance à venir. Le CND regroupe l’ensemble des méthodes permettant d’inspecter et d’évaluer l’état de santé d’une structure sans dégrader celle-ci. Il peut être utilisé autant lors de sa fabrication (contrôle qualité), pour contrôler sa conformité, qu’après sa mise en service afin de suivre son évolution et estimer son usure. Le CND permet par exemple de déterminer la localisation d’un défaut, sa nature, ses dimensions. On peut ensuite évaluer sa dangerosité et si nécessaire procéder à une inspection plus approfondie. Le CND utilise des capteurs placés à la surface de la structure ou déportés de cette dernière. Ils sont amenés et éventuellement déplacés par un opérateur ou un robot, afin de balayer une certaine partie de la structure. Cependant, de tels contrôles sont coûteux non seulement en terme d’équipement et de personnel, mais également en raison de l’indisponibilité qu’ils entraînent (par exemple due au démontage de la pièce à inspecter, à l’arrêt du réacteur ou du pipeline). De plus, la géométrie parfois complexe de ces structures rend difficile l’inspection de certaines zones, réduisant la fiabilité du contrôle. Une approche plus récente consiste à intégrer directement des capteurs à la structure étudiée et à les laisser sur place, afin de suivre de manière très régulière (possiblement en temps réel) l’évolution de l’état de santé de la structure. On parle alors de contrôle santé intégré (Structural Health Monitoring en anglais) (SHM). Le SHM est naturellement adapté à l’inspection des zones difficiles d’accès telles que les cuves de réacteurs nucléaires, les plateformes pétrolières ou les éoliennes offshore. Le SHM est un ensemble de disciplines permettant d’intégrer des capteurs et des actionneurs dans une structure dans le but d’enregistrer, analyser et localiser des endommagements de cette structure. A tout instant, le système SHM doit être capable de diagnostiquer l’état de santé de chacun des constituants de la structure complète puis, idéalement, d’estimer sa durée de vie résiduelle (pronostic) [15]. Dans sa première fonction, celle de « diagnostic », le SHM est très proche du CND puisque ses moyens physiques d’investigation sont similaires à ceux du CND. Mais le SHM cherche à aller plus loin que le CND. Une première raison à cela concerne la notion de « pronostic », c.a.d. accéder à la durée de vie résiduelle. Cette notion de pronostic fait partie intégrante de la démarche de déploiement d’un système SHM en lien direct avec la stratégie de maintenance. Ensuite, le caractère intégré du SHM introduit certaines contraintes empêchant d’utiliser à l’identique des techniques de CND. En effet, généralement le CND se base sur des méthodes consistant à balayer un capteur sur la structure inspectée (ultrasons, courants de Foucault par exemple) ou sur des équipements de grandes dimensions généralement déportés de la structure. Ce dernier cas permet d’avoir un grand angle de vue et les équipements déportés ne nécessitent pas d’être déplacés (thermogaphie infrarouge, rayons X par exemple). En SHM, tout cela n’est pas possible puisque les capteurs sont intégrés, donc fixes par rapport à la structure. Il est illusoire de remplacer totalement le CND par le SHM car il semble impossible de concevoir un ensemble de systèmes contrôlant la totalité de structures pouvant être très complexes. De plus, dans certains cas les performances du SHM ne sont pas assez satisfaisantes (la finesse du diagnostic peut être insuffisante), alors il pourra servir de prédiagnostic pour un CND ciblé et donc bien plus efficace. SHM et CND sont donc complémentaires.
Définition et intérêts d’un système SHM
Définition Il existe un document de référence [16] rédigé par un groupe de travail d’experts internationaux du SHM au sein de la SAE International et publié en 2013. Ce document définit le SHM comme : « the process of acquiring and analyzing data from on-board sensors to evaluate the health of a structure. » [voir 16, page 4]. Il est le premier de la communauté SHM à définir la terminologie et un ensemble de bonnes pratiques pour le domaine aéronautique. En général, on ne parle pas de SHM mais plutôt de système SHM. On entend par système SHM, la chaîne complète partant de la structure pour arriver à l’information finale souhaitée, c.a.d. la durée de vie résiduelle. Un tel système dépend de la structure inspectée, du type de défaut recherché et des sollicitations extérieures (thermique, mécanique, etc.). Il est composé de capteurs (et éventuellement d’actionneurs) intégrés à la structure, de dispositifs d’acquisition, d’une centrale de traitement (n’étant pas forcément embarquée dans la structure) faisant appel à des algorithmes plus ou moins élaborés et d’une interface homme-machine permettant de présenter le diagnostic à un opérateur. La conception d’un système SHM fait donc appelle à un large éventail pluridisciplinaire dans les différents domaines de la physique, de l’électronique, de l’informatique, des matériaux, . . . Cette diversité s’illustre dans les phénomènes physiques, intimement liés aux défauts recherchés. Il peut s’agir d’ultrasons (ondes élastiques de volume, ondes élastiques guidées utilisant des transducteurs Titano Zirconate de Plomb (PZT) 1 par exemple), de courants de Foucault, d’optique (utilisant des fibres optiques sensibles aux déformations, à la température, à l’humidité, à la pression), de vibration (analyse modale libre ou forcée à l’aide d’accéléromètres pouvant être des systèmes microélectromécaniques (MicroElectroMechanical Systems en anglais) (MEMS) ou, à l’aide de capteurs piézoélectriques) ou encore d’autres phénomènes physiques . . . Tout comme le CND, les domaines d’application du SHM sont très larges. Historiquement, les travaux en SHM ont démarré dans les secteurs de l’aéronautique et du génie civil [17] mais il est aussi possible de citer les domaines de l’énergie (éoliennes, plates formes offshore) ou bien encore des transports (naval, ferroviaire). Deux congrès consacrés à la discipline présentent une bonne synthèse des travaux courant sur le SHM : l’International Workshop on Structural Health Monitoring ayant lieu toutes les années impaires à Stanford (Californie) et son pendant européen l’European Workshop on Structural Health Monitoring lui ayant lieu toutes les années paires dans une ville différente (Cachan-2002, Munich-2004, Grenade-2006, Cracovie 2008, Sorrente-2010, Dresde-2012, Nantes-2014, Bilbao-2016). En général, on dit qu’un système SHM doit répondre à cinq niveaux d’informations (basés sur une classification initialement proposée par Rytter dans [18]) sur l’état de santé de la structure contrôlée :
Niveau 1 – Détection Indication qualitative sur la présence d’un défaut ou non. Cela se manifeste en général par une alarme.
Niveau 2 – Localisation Indication de la position probable du défaut.
Niveau 3 – Classification Indication sur le type de défaut détecté.
Niveau 4 – Taille Estimation de la géométrie du défaut.
Niveau 5 – Pronostic Prédiction sur la santé de la structure. Estimation de la durée de vie résiduelle.
Les travaux de cette thèse traitent des niveaux 1 à 4. En effet, la tomographie par ondes guidées est une méthode quantitative permettant ainsi de reconstruire la géométrie complète d’un défaut de corrosion. L’aspect pronostic, intimement lié aux propriétés d’évolution du défaut, n’est pas abordé.
Intérêts d’un système SHM En fournissant des informations en temps réel sur la structure qu’il surveille, un système SHM permet de réduire les temps d’immobilisation et d’apporter une sécurité en diminuant le nombre d’accidents. Le SHM permet aussi de revoir la conception en évitant de sur-dimensionner la structure ce qui entrainerait des limitations de performances (notamment en aéronautique où la masse est un facteur clé). De plus, un système SHM peut inspecter des zones qui seraient inaccessibles avec des méthodes de CND classiques. Ce cas se présente par exemple pour les éoliennes offshore ou pour des pièces nécessitants que la structure soit démontée puis remontée pour y accéder, ce qui par ailleurs pourrait entrainer des fragilisations [19]. Avec un système SHM il est également possible d’effectuer de la maintenance prévisionnelle. En effet, en suivant le vieillissement de la structure en temps réel, ces technologies permettent d’anticiper les défaillances, ce qui présente un réel intérêt au niveau logistique (acheminement de pièces de rechange ou de personnel qualifié). Enfin, on peut imaginer déclencher les opérations de maintenance uniquement sur alertes du système SHM, ce qu’on appelle la maintenance conditionnelle.
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Table des matières
Introduction générale
1 Imagerie par ondes élastiques guidées pour le contrôle santé intégré
1.1 Contrôle santé intégré (SHM)
1.1.1 Du contrôle non destructif au contrôle santé intégré
1.1.2 Définition et intérêts d’un système SHM
1.2 Ondes élastiques guidées
1.2.1 Ondes élastiques de volume
1.2.2 Propagation guidée
1.3 Algorithmes de tomographie par ondes élastiques guidées
1.3.1 Modèle complet versus modèle simplifié
1.3.2 Modèle géométrique, en temps de vol
1.3.2.1 Straight-ray tomography
1.3.2.2 Bent-ray tomography
1.3.3 Modèles ondulatoires
1.3.3.1 Tomographie par diffraction classique
1.3.3.2 Beamforming
1.3.4 HARBUT
2 Tomographie par ondes élastiques guidées pour des configurations SHM
2.1 Données d’entrée des algorithmes de tomographie
2.1.1 Simulation par éléments finis pour la génération et la réception d’ondes de Lamb par
transducteurs piézoélectriques
2.1.1.1 Configuration
2.1.1.2 Modélisation de l’émission et de la réception piézoélectrique
2.1.1.3 Validation par comparaison expérimentale
2.1.2 Temps de vol
2.1.2.1 Détection basique des temps de vol : le maximum de l’enveloppe
2.1.2.2 Détection de temps de vol par compensation de la dispersion
2.1.2.3 Détection des temps de vol par méthode temps-fréquence
2.1.3 Comparaison des différentes méthodes de détection de temps de vol
2.1.4 Champs dérivés des signaux complets et leurs calibrations
2.2 Résultats sur données simulées
2.2.1 Tomographie en temps de vol
2.2.1.1 Cas d’un défaut réfractant – défaut no 1
2.2.1.2 Défaut intermédiaire à la fois réfractant et légèrement diffusant – défaut no 2
2.2.1.3 Défaut réfractant et très diffusant – défaut no 3
2.2.1.4 Discussion
2.2.2 HARBUT
2.2.2.1 Défaut intermédiaire à la fois réfractant et légèrement diffusant – défaut no 2
2.2.2.2 Défaut réfractant et très diffusant – défaut no 3
2.3 Conclusion
3 Les méthodes passives et leur application au contrôle du vieillissement des matériaux
3.1 Méthodes passives pour le contrôle santé intégré
3.1.1 La corrélation de bruit ambiant
3.1.1.1 Milieux fermés, milieux ouverts et généralisation
3.1.1.2 Cas d’un champ non complètement diffus
3.1.1.3 Qualité de la convergence
3.1.2 Le filtre inverse
3.1.2.1 Fonctionnement actif
3.1.2.2 Fonctionnement passif (FIP)
3.1.3 Signaux passifs pour la tomographie par ondes guidées
3.2 Comparaison actif-passif
3.3 Application des méthodes passives au contrôle du vieillissement des matériaux
3.3.1 Identification de paramètre matériau par ajustement d’une courbe de dispersion
3.3.2 Cas d’une faible bande passante : ∅piézo = 18mm
3.3.2.1 Méthode par filtrage du signal passif (méthode 1)
3.3.2.2 Méthode par spectrogramme réalloué (méthode 2)
3.3.3 Cas d’une bande passante plus large : ∅piézo = 13mm
3.4 Conclusion sur les méthodes passives
4 Tomographies expérimentales actives et passives
4.1 Configuration expérimentale
4.1.1 Référence : scan ultrasonore en immersion
4.1.2 Acquisition active
4.1.3 Acquisition passive
4.2 Tomographie en temps de vol
4.2.1 Tomographie active
4.2.2 Tomographie passive
4.2.2.1 Image brute (flou gaussien + seuil physique)
4.2.2.2 Régularisation
4.2.3 Conclusion sur la tomographie en temps de vol
4.3 HARBUT
4.3.1 Tomographie active
4.3.2 Tomographie passive
4.3.2.1 Cas d’un bruit ambiant en quasi-équipartition
4.3.2.2 Cas d’un bruit ambiant violant l’hypothèse d’équipartition
4.4 Conclusions sur la tomographie passive
5 Les réseaux de Bragg sur fibre optique pour la tomographie passive
5.1 Principe de mesure par réseaux de Bragg
5.2 Comparaison actif-passif
5.3 Représentation temps-fréquence
5.3.1 Méthode par filtrage du signal passif (méthode 1)
5.3.2 Méthode par spectrogramme réalloué (méthode 2) – identification du module d’Young
5.4 Conclusion
Conclusion
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