Détection et localisation de changements dans une structure : application numérique et expérimentale

par Alaa Hamze

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Philippe Guéguen et de Laurent Baillet.

Soutenue le 24-05-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (équipe de recherche) .

Le président du jury était Denis Jongmans.

Le jury était composé de Philippe Guéguen, Jacques n. Harb.

Les rapporteurs étaient Jean-françois Semblat, Georges Jacquet-richardet.


  • Résumé

    La détection d'endommagements et de changements des propriétés élastiques dans des structures, utilisant les variations des paramètres dynamiques, fait l'objet d'une attention particulière depuis plusieurs années dans les domaines du génie mécanique et du génie civil. Le principe général repose sur le fait que la variation des propriétés physiques (e.g. rigidité, masse, module d'Young, conditions aux limites) entraîne une variation des caractéristiques dynamiques de la structure (e.g. fréquences de résonance, amortissements modaux et déformées modales). La présence d'endommagement provoque ainsi une diminution de la rigidité de la structure, c'est-à-dire une augmentation de sa flexibilité et de son amortissement que l'on retrouve dans la forme des modes et les valeurs des fréquences. Utilisant le changement de ces informations entre un état sain et un état endommagé, plusieurs méthodes non-destructives ont été proposées dans la littérature afin d'identifier et de localiser ces endommagements. Ces pratiques et ces activités sont d'une importance considérable puisqu'elles permettent en premier lieu d'anticiper et donc d'éviter des ruptures dans les structures, toujours catastrophiques, et plus généralement de mettre en place des plans de maintenance prédictives, en lien avec le suivi sur le long terme de leur intégrité (Structural Health Monitoring). Ces méthodes de surveillance se popularisent également du fait de la réduction des coûts des instrumentations, liés à l'apparition de nouveaux équipements à bas coût, ayant des performances satisfaisantes. L'objectif de ce travail est de tester les différentes solutions permettant la détection, la localisation et la quantification des changements dans des structures simples. Plusieurs méthodes ont été testées et une approche nouvelle a été proposée basée sur l'utilisation de la méthode des perturbations. Trois approches ont été suivies: une modélisation par éléments finis (analyse modale), une simulation numériques par éléments finis (analyse temporelle) et enfin des analyses expérimentales sur des poutres en Plexiglas au laboratoire, les trois volets de ce travail ayant permis de tester la sensibilité des méthodes non-destructives (NDE) globales et locales pour la détection et la localisation. Les changements ont été associés à une variation locale du module de Young (E), numériquement pour les solutions numériques et par chauffage local sur des sections de la poutre dans le volet expérimental. Dans tous les cas, nous sommes en situations réelles afin de proposer l'identification des caractéristiques modales par des méthodes opérationnelles (Operative Modal Analysis) telles que la méthode du décrément aléatoire et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (Frequency Domain Decomposition). Les résultats d'identification ont montré une très bonne corrélation entre les valeurs numériques et les valeurs expérimentales obtenues : fréquences de résonance et déformés modale. Pour identifier l'endommagement, les méthodes de localisation basées sur la courbure des déformées propres, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et enfin sur la méthode d'inversion des modes ont été employées. D'après les résultats obtenus, la méthode d'inversion se montre efficace dans le cas de variations modales faibles et transitoires, alors que la méthode de la courbure de flexibilité donne généralement de bons résultats et apparait robuste lorsque les variations sont plus prononcées.

  • Titre traduit

    Detection and localization of changes in structure : experimental and numerical application : experimental and numerical application.


  • Résumé

    The detection of damage and changes in elastic properties of structures, using the variation of dynamic parameters, has been the subject of special attention for several years in the fields of mechanical and civil engineering. The general principle is based on the fact that the variation of physical properties (e.g. stiffness, mass, Young's modulus, boundary conditions) leads to a change in the dynamic characteristics of structures (e.g. resonance frequencies, modal damping and mode shapes). The presence of damage causes a decrease in the rigidity of structures, which give rise to an increase in flexibility and damping, which can be seen in mode shapes and frequency values. Using the change of this information between a healthy and damaged condition, several non-destructive methods have been proposed in the literature in order to identify and locate the damage. These practices and activities are of considerable importance. They allow us to anticipate and avoid breaks in structures, which are always catastrophic, and more generally, they allow us to establish the plans of a predictive maintenance, along with monitoring of the long-term of integrity (Structural Health monitoring). These monitoring methods are equally us popular because of the low cost of instrumentation, related to the appearance of new equipment at low cost, having the satisfactory performance. The objective of this work is to test different solutions, allow for detection, localization and quantification of changes in simple structures. Several methods have been tested and a new approach is proposed based on the use of the perturbation method. Three approaches are followed: finite element modeling (modal analysis), finite element numerical simulation (temporal analysis), and finally, experimental analysis of a Plexiglas beam in the laboratory. These three scopes of work have allowed us to test the sensitivity of global and local non-destructive methods (NDE) for detection and localization of damage. Changes associated with a local variation of Young's modulus (E) are tested numerically in modal and temporal analysis, and shown experimentally in local heating on the sections of beam. In all cases, we are in real life situations, where we identify modal characteristics by operational methods (Operative Modal Analysis) such as the random decrement technique and the method of decomposition in the frequency domain (Frequency Domain Decomposition). The results show a very good correlation between the numerical and experimental values obtained: resonant frequencies and mode shapes. For identifying damage, localization methods based on the curvature of mode shape, flexibility matrix, curvature of flexibility, and finally on the method of inversion of modes are employed. According to the results, the method of inversion proves effective in the case where modal variation is low and transient, whereas, the curvature of flexibility (ULS method) usually gives good results and appears robust when the changes are more pronounced.


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