Imagerie topologique de structures tubulaires par ondes ultrasonores guidées

Topological Imaging of Tubular Structures using Ultrasonic guided waves

• Auteur / Autrice : Aditya Krishna
• Direction : Marc Deschamps, Éric Ducasse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Marc Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Deschamps, Éric Ducasse, Marc Bonnet, Didier Cassereau, Joseph Moysan, Karim Jezzine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Cassereau, Joseph Moysan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle de santé intégré

Guides d'ondes

Imagerie ultrasonore

Contrôle non destructif

Ultrasons

Mots clés libres

Ondes Ultrasonores

Contrôle Non Destructif

Imagerie Topologique

Guide d’ondes

Contrôle de Santé Intégré

Ultrasonic waves

Non Destructive Testing

Topological Imaging

Waveguide

Structural Health Monitoring

Résumé

Les structures tubulaires sont largement utilisées dans diverses industries telles que l’aérospatiale, le pétrole et le gaz, le nucléaire, etc. Le Contrôle Non Destructive (CND) de ces structures joue un rôle crucial au cours de leur cycle de vie. Afin de tester de grandes structures avec une accessibilité limitée, la méthode de CND utilisant des ondes guidées a été développée comme une solution viable. En raison de la nature de ces ondes, elles sont capables de se propager sur de grandes distances sans perdre une grande partie de leur énergie. Cependant, elles sont complexes puisque leur vitesse dépend de la fréquence, c'est-à-dire qu'elles sont dispersives. Classiquement, l’étude de ce type d’ondes nécessite des simulations par éléments finis coûteuses. Cette thèse propose une alternative à de telles simulations avec une méthode rapide et robuste pour simuler la propagation d'ondes guidées dans des structures tubulaires.Partant de ces calculs, pour localiser des défauts, l'objectif de ce travail est d'obtenir des images topologiques 3D de structures tubulaires isotropes multicouches par propagation de ces ondes guidées ultrasonores. Un modèle mathématique est proposé où l'équation d'onde est convertie en une équation différentielle ordinaire par rapport au rayon «r» en utilisant les transformées de Fourier et de Laplace pour les variables spatiales et temporelles respectivement. La solution en ondes partielles, exprimée comme une combinaison des fonctions de Bessel, permet la création d'un algorithme semi-analytique rapide et robuste pour calculer la fonction de Green de structures tubulaires. Un modèle approché en présence de défauts numériques est ensuite développé. La réponse des défauts est considérée comme la réponse cumulative des sources secondaires, visant à annuler le champ de contraintes incident et diffracté présent en son sein. Ensuite, le modèle numérique est validé par des mesures expérimentales.Enfin, la technique de l'imagerie topologique est introduite. Cette méthode d'imagerie est basée sur la corrélation entre les champs ultrasonores sans et avec défaut. La polyvalence et la flexibilité de l'outil numérique en conjonction avec cette méthode d'imagerie sont ensuite démontrées avec succès en localisant et imageant une multitude de défauts numériques et expérimentaux avec des dimensions aussi faibles que 1/40e de la longueur d'onde.

Tubular structures are widely used in a variety of industries such as Aerospace, Oil and Gas, Nuclear, etc. Non Destructive Evaluation (NDE) of these structures plays a crucial role during it’s life cycle. In order to test large structures with limited accessibility, guided wave testing was developed as a viable solution. Due to the nature of these waves, they are able to propagate over large distances without losing much of their energy. However, they are also complex in that their velocity is frequency dependent i.e. they are dispersive. Conventionally, guided wave testing require costly finite element simulations. This thesis offers an alternative to such simulations with a quick and robust method to simulate guided wave propagation in tubular structures.Based on these calculations, the aim of this work is to obtain the 3d topological image of multilayered isotropic tubular structures using ultrasonic guided waves to locate defects. A mathematical model has been proposed where the wave equation is converted to an ordinary differential equation with respect to radius 'r' using the Fourier and Laplace transforms for the spatial and temporal variables respectively. The partial wave solution, expressed as a combination of Bessel’s functions, allows for the creation of a fast robust semi-analytical algorithm to compute the Green function in tubular structures. A model to approximate numerical defects is then developed. The defect response is considered as the cumulative response of secondary sources, aiming to negate the incident and diffracted stress field present within it. Next, the numerical model is validated with experimental measurements.Finally, the technique of Topological Imaging is introduced. This method of imaging is based on the idea of performing a correlation between two wave fields for defect localization. The versatility and flexibility of the numerical tool in conjunction with the method of imaging is then successfully demonstrated by localising and imaging a multitude of numerical and experimental defects with dimensions as low as 1=40th of the wavelength.