Modélisation modale de la transduction de patch magnétostrictif pour le rayonnement d'ondes élastiques guidées en vue du contrôle de santé intégré de structures fines

Modal modelling of transduction by magnetostrictive patch for elastic guided wave radiation in structural health monitoring of thin structures

• Auteur / Autrice : Guillaume Cousin
• Direction : Sébastien Grondel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique. Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Jenot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Grondel, Catherine Potel, Frédéric Cegla, Philippe Guy, Alain Lhémery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Potel, Frédéric Cegla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferromagnétiques

Lamb, Ondes de

Ondes de cisaillement

Ondes élastiques

Mots clés libres

Patch magnétostrictif

Ondes guidées

Ondes élastiques

CND

SHM

Modélisation modale

Transduction

Magnetostrictive patch transducer

Guided wave

Elastic waves

NDT

SHM

Modal modelling

Transduction

Résumé

Les patchs magnétostrictifs qui sont des transducteurs électro-acoustiques permettant d’émettre et de recevoir des ondes élastiques dans les matériaux solides offrent une alternative particulièrement prometteuse par comparaison avec les transducteurs piézoélectriques, notamment en ce qui concerne la génération d’ondes élastiques guidées et spécifiquement pour leur utilisation en contrôle santé intégré. Par définition, un patch magnétostrictif est constitué d’une fine bande d’un matériau magnétostrictif couplée à la pièce dans laquelle sont créées des ondes élastiques. En outre, cette bande est magnétisée ou pré-magnétisée et excitée par une bobine dans laquelle circule un courant haute-fréquence. La conception de la géométrie de la bobine ainsi que la manière dont est magnétisée la bande et le choix du domaine fréquentiel d’excitation aident à créer différentes sources mécaniques dynamiques à la surface de la pièce. Ce travail de thèse propose un modèle global de l’ensemble des phénomènes multi-physiques mis en jeu dans la transduction des patchs magnétostrictifs, le but étant de créer un outil de simulation opérationnel pour optimiser les paramètres servant à créer les ondes guidées sélectionnées au sein de la plaque tels que les ondes de Lamb ou les ondes transverses de cisaillement à polarisation horizontale. Plus précisément, cette recherche s’intéresse à différents aspects, c’est-à-dire à la création des sources électro-magnéto-élastiques dans la bande magnétostrictive, aux ondes que ces sources créent et qui se propagent au sein du patch magnétostrictif et enfin aux ondes guidées rayonnées dans la pièce. Au niveau de la méthodologie choisie, le modèle global est développé suivant une approche modale et selon une stratégie optimale visant à minimiser les calculs numériques. Aussi, de nouveaux modèles d’interfaçage sont élaborés et adaptés afin d’assurer le couplage entre deux modèles existants développés au laboratoire, l’un, non-modal, dédié à la transduction électro-magnéto acoustique en milieu ferromagnétique, l’autre, modal, consacré au rayonnement d’ondes guidées par une source de contrainte à la surface d’une pièce. Le simulateur qui en résulte peut alors être exploité de façon intensive comme cela est requis dans le cadre de travaux de conception de sources ultrasonores pour une application donnée. Dans la construction du modèle global de transduction d’ondes guidées par un patch magnétostrictif, différentes hypothèses et approximations sont proposées. Afin de vérifier leur pertinence et leur précision, chacune fait l’objet d’une analyse et d’une vérification détaillée. Le modèle global fait également l’objet de validations théoriques et expérimentales puisque l’on confronte systématiquement les résultats obtenus avec soit des simulations par éléments finis, soit des mesures. L’ensemble de ces comparaisons démontre la capacité du simulateur à traiter des configurations très variées.

Magnetostrictive patches, which are electro-acoustic transducers making it possible to emit and receive elastic waves in solid materials, offer a promising alternative to piezoelectric transducers, in particular with regard to the generation of guided elastic waves and specifically for their use in structural health monitoring. A magnetostrictive patch consists of a thin strip of magnetostrictive material coupled to the part in which elastic waves are to be generated. In addition, this strip is magnetized or pre-magnetized and excited by a coil in which a high-frequency current flows. The design of the coil geometry as well as the way the strip is magnetized and the choice of the excitation frequency range help to generate different dynamic mechanical sources at the piece surface. This thesis work proposes a global model of all the multi-physical phenomena involved in the transduction of magnetostrictive patches, the goal being to create an operational simulation tool to optimize the parameters used to selectively generate guided waves in a plate such as Lamb waves or horizontally polarized shear waves. More precisely, this research is interested in different aspects, i.e. the creation of electro-magneto-elastic sources in the magnetostrictive strip, the waves that these sources create and that propagate within the magnetostrictive patch and finally to the guided waves radiated into the piece. The global model is developed according to a modal approach and according to an optimal strategy aimed at minimizing numerical calculations. New models are developed to ensure the chaining of two existing models developed in the laboratory, one, non-modal, dedicated to electro-magneto-acoustic transduction in a ferromagnetic medium, the other, modal, devoted to the radiation of guided waves by a source of stress at the surface of a part. The resulting simulator can then be used intensively as required in the context of ultrasonic source design work for a given application. In deriving the global transduction model of guided waves by a magnetostrictive patch, different assumptions and approximations are made. In order to verify their relevance and accuracy, each of these assumptions is subject to detailed analysis and verification. The global model is also the subject of theoretical and experimental validations since the results obtained are systematically compared with either finite element simulations or measurements. Taken together, these comparisons demonstrate the simulator's ability to deal with a wide variety of configurations.