Modélisation du contrôle par méthodes électromagnétiques de défauts réalistes de type fissuration

par Roberto Miorelli

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique Lesselier.

Soutenue le 20-11-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire des signaux et systèmes (L2S) (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) , Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne) (équipe de recherche) et de Département Imagerie Simulation pour le Contrôle (équipe de recherche) .

Le président du jury était Yann Le Bihan.

Le jury était composé de Dominique Lesselier, Yann Le Bihan, Andrea Massa, Jozsef Pavo, Theodoros Theodoulidis, Christophe Reboud.

Les rapporteurs étaient Andrea Massa, Jozsef Pavo.


  • Résumé

    Le contrôle non destructif (CND) par Courants de Foucault (CF) de défauts de fissuration est l’une des techniques les plus répandues dans de nombreux secteurs industriels. L’utilisation d’outils de modélisation adaptés permet d’améliorer les procédés de contrôle et la compréhension des données expérimentales observées. Ce travail de thèse, réalisé au CEA LIST et sous la direction de D. Lesselier (Laboratoire des Signaux et Systèmes), a pour objectif de proposer une approche de modélisation semi-analytique dédiée à la simulation du CND CF de défauts fins ou très fins dans une pièce plane conductrice composée de plusieurs couches. Il a fait l’objet d’une collaboration, dans le cadre du projet CIVAMONT, avec l’équipe Meander de l’University of Western Macedonia (Grèce), dirigée par le professeur T. Theodoulidis.Du point de vue de la simulation, la complexité du problème à traiter est liée aux particularités des défauts de fissuration : une ouverture très fine, un profil complexe et la possibilité d’avoir des ponts de conductivité entre les deux faces latérales du défaut. Ces caractéristiques expliquent la difficulté qu’ont les méthodes de simulation classiques, semi-analytiques ou purement numériques, à traiter efficacement ce type de configuration. Pour ces raisons, une approche dédiée aux défauts fins, fondée sur la méthode des éléments de frontière, a été développée. Elle présente l’avantage majeur de ne requérir qu’une discrétisation surfacique du défaut, en traitant analytiquement le calcul dans la direction de son ouverture. Après la résolution, avec la Méthode des Moments, de l’équation intégrale décrivant les interactions entre le champ d’excitation et le défaut, la réponse de la sonde est calculée en appliquant le théorème de réciprocité. Les développements théoriques réalisés dans cette thèse ont abouti à la mise en place d’une formulation générale permettant la prise en compte d’un nombre quelconque de défauts fins, d’orientations et des géométries différentes, pouvant être situés dans des couches différentes de la pièce. Par la suite, cette méthode innovante a été implémentée au sein de la plateforme de simulation CIVA, développée au CEA LIST, et a été validée expérimentalement à plusieurs reprises. Une extension de cette méthode a également permis la mise en place d’une approche la couplant à une modélisation volumique standard pour la simulation de configurations complexes comme le contrôle de fissures au voisinage d’un alésage. Ce travail, qui a fait l’objet d’une diffusion internationale affirmée, a permis de lever avec succès un certain nombre de difficultés théoriques et pratiques liées à la modélisation du CND CF de défauts fins.

  • Titre traduit

    Efficient modeling of eddy-current testing signal in layered half-space affected by realistic cracks


  • Résumé

    Non Destructive Testing (NDT) with Eddy Current (EC) techniques are is widely employed in several industrial sectors for cracks detection. Numerical simulation tools are largely used in order to design sensors, understand the signals collected during the measurements process and to provide a support in expertise. This work has been accomplished inside CEA LIST in collaboration with L2S-Supélec. It is also a part of the CIVAMONT 2012 project, with the active participation of MEANDER laboratory members from University of Western Macedonia (Greece) and Technological Educational Institute of Western Macedonia (Greece). The main goal of our work has consisted in to developing a semi-analytical modeling approach, devoted to Eddy Current Testing (ECT) of multiple narrow cracks in planar multilayered structures. From the numerical point of view, simulation of multiple narrow cracks problems is a difficult task for classical methods, like for example the Volume Integral Method (VIM) or the Finite Element Method (FEM). The main issues reside in geometrical characteristics of narrow crack themselves. Indeed, a narrow crack presents a small opening as well as complex profile and a complex shape, with possible electrical contacts inside it. All these features increase enormously, with classical methods, the difficulty to simulate in rapid and/or precise way problems involving narrow cracks. We have tackled the narrow crack issue by developing a Boundary Element Method (BEM) dedicated to ECT signal modeling, starting from an approach presented in literature. Then, we have extended its capability to more realistic and challenging cases, such as the ECT of multilayered structures affected by complex narrow cracks. The principle of this method is to introduce additional assumptions, leading to the description of the crack perturbation as the effect of a dipole distribution, oriented toward the crack opening. Numerically speaking, such a description makes it possible to largely reduce, compared to the VIM, the number of unknowns that one needs to properly solve the problem. A particular attention has been devoted to the analytical formulation, in order to achieve generality, accuracy and efficiency. A precise derivation of the spectral-domain Dyadic Green Function (DGF) associated to our problem has first been developed. In this work, analytical expressions of the spectral-domain DGF have been obtained via the Discrete Complex Image Method (DCIM). Then, an accurate approximation of the spectral-domain DGF has been achieved via the Generalized Pencil of Function (GPOF) method. Therefore, the closed-form of the spectral-domain DGF, expressed under the form of Sommerfeld Integrals (SIs), has been calculated analytically. Finally, the integral equation(s) associate to the electromagnetic problem is solved by applying the Method of Moments (MoM).Validations with respect to experiments and commercial simulation software have been performed to test the model. A large set of configurations have been chosen in order to address realistic configurations involving multiple narrow cracks embedded in different layers of a given multilayered structure. The model proposed has shown its promising performance in terms of computational time compared with the VIM and the FEM. Moreover, a very good agreement with respect to the experimental data has always been observed. In the last and very recent part of our work, a coupled approach between BEM and VIM has been studied and developed in order to address, in a efficient way, problems where narrow cracks appear in the vicinity of with volumetric flaws (for example the simulation of fastener sites inspections). Comparisons with experimental measures have shown that the coupled approach is capable to achieve, overall, better results than the VIM and saves a lot of computational time.



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