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Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
CAPTEURS POUR LE SHM, SIMULATION ET DÉMONSTRATION DEPERFORMANCES
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| 2
OBJECTIFS SHM (STRUCTURAL HEALTH MONITORING)
Le système SHM doit garantir la bonne
santé de la structure jusqu’à la
prochaine opération de maintenance
Sécurité
• Inspections régulières (voire continues) et automatisées
Maintenance simplifiée et planifiée
• Augmentation des intervalles de maintenance
• Maintenance conditionnelle pour éviter des immobilisations imprévues
• Suivi de zones inaccessibles
Prolongation de la durée de vie
Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
Structural Health Monitoring = “The
process of acquiring and analyzing data
from on-board sensors to evaluate the
health of a structure”
Contrôle de santé des structures
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| 3
SHM : CLASSIFICATION
Système SHM
Operationalmonitoring
Prise de décision
Damage monitoring
• Détection d’anomalies
• Analyse statistique
• Machine learning
• Pronostic
• Durée de vie résiduelle
• IHM
• Température
• Pression
• Corrosivité
• Contraintes
• Déformations
• Accélérations
• Vibrations
• Impacts
• Corrosion
• Fissures
• Délaminages
• Décollements
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Bas coût, faible consommation
Multiples paramètres
« IoT »
Capteurs intelligents
Intelligence des données
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| 4Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Développement d’un système SHM pour composant aéronautique
• Tomographie passive par ondes guidées et capteurs FBG
• Simulation pour le SHM
• Comment démontrer la fiabilité du système SHM?
PLAN
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| 5Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
EXEMPLE DE PROJET SHM AU CEA
IFS: inner fixed structure
3 m
HC panelincident
wave
piezoelectric
transducer
diffracted
wavedefect
composite
structure
IFS
Instrumenter IFS pour détecter décollement
peau/nid d’abeille par système SHM
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| 6Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
Corrélation entre le signal théorique et le
signal résiduel mesuré par le système SHM
1
2
DI(Xi,Yj)
N.Quaegebeur, P. Masson 2011, Dispersion-based imaging for structural health monitoring using sparse and
compact arrays
ALGORITHME EXCITELET : PRINCIPE
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| 7
UTILISATION DE L’IMAGERIE
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| 8Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Développement d’un système SHM pour composant aéronautique
• Tomographie passive par ondes guidées et capteurs FBG
• Simulation pour le SHM
• Comment démontrer la fiabilité du système SHM?
PLAN
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| 9Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Méthode sans état de référence
• Un grand nombre de capteurs pour du SHM• Accès à une grande quantité d’information physique
sur le milieu
• Avec des PZT → potentiellement lourd et intrusif
• Méthodes passives
• Uniquement basées sur la mesure du bruit ambiant
présent dans la structure
• Pas d’émission d’ondes• Peu coûteux en énergie
• Électronique simplifiée
• → Utilisation de réseaux de Bragg sur fibre
optique (FBG) pour la tomographie
• Légers et beaucoup moins intrusifs que des PZT
Cartographie d’épaisseur de la zone inspectée
TOMOGRAPHIE PASSIVE
Thèse Tom Druet 2017
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| 10Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Signal actif : Émission en A et mesure en B (ou l’inverse)
• Signal passif : Mesure du bruit ambiant simultanément en A et B
• On remonte à l’information sur la propagation des ondes guidées entre les
points A et B → comme en actif
MÉTHODES PASSIVES PAR ANALYSE DU BRUIT AMBIANT
Extraction par exemple de temps de vol
Sources disponibles : turbulences aérodynamiques,
vibrations, frottements, …
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| 11Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
TOMOGRAPHIE PASSIVE
Génération d’un bruit ambiant par jet d’air compriméo Mesure simultanée du bruit ambiant sur
l’ensemble de la distribution de capteur durant 10 secondes
Utilisation du filtre inverse passif (FIP)o Une mauvaise équipartition de l’énergie du
bruit est compensée par le FIP
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| 12Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
Diverge
TOMOGRAPHIE EXPÉRIMENTALE PASSIVE – CAS D’UN
BRUIT NE RESPECTANT PAS L’HYPOTHÈSE
D’ÉQUIPARTITION
Corrélation de bruit ambiant
Filtre inverse passif
HARBUT-m
→ Tomographie passive dans le cas d’une mauvaise
équipartition du bruit
→ Sans état de référence
Cscan
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| 13Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Mesure à haute fréquence du spectre total réfléchi
→ Mesure de la propagation des ondes guidées par tous les FBG
(disposés sur la fibre) en simultané
FONCTIONNEMENT DES RÉSEAUX DE BRAGG SUR FIBRE
OPTIQUE (FBG)
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| 14Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
MESURES D’ONDES ULTRASONORES PAR FBG
Distance fixe
→ Première mesure d’ondes ultrasonores tout FBG !
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| 15Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Développement d’un système SHM pour composant aéronautique
• Tomographie passive par ondes guidées et capteurs FBG
• Simulation pour le SHM
• Comment démontrer la fiabilité du système SHM?
PLAN
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• Principe
1. Méthode éléments finis d’ordre élevé (moins d’éléments)
2. Stratégie de maillage par macro-éléments (diminution mémoire et CPU)
ELEMENTS FINIS SPECTRAUX POUR LES ONDES GUIDÉES
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| 17
EXEMPLE – PANNEAU COMPOSITE COURBE
t = 26.2 µs t = 43.7 µs
t = 87.5 µs t = 140 µs
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Composite 8 couches [0°/90°]2s
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| 18Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Développement d’un système SHM pour composant aéronautique
• Tomographie passive par ondes guidées
• Simulation pour le SHM
• Comment démontrer la fiabilité du système SHM?
PLAN
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| 19Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• POD = Probability Of Detection
• Probabilité de détection
• Une courbe POD représente, pour un système d’inspection et une
configuration donnés, la probabilité de détecter un défaut en
fonction de sa taille
POD ET DÉMONSTRATIONS DE PERFORMANCES
0
0.5
1
Defect size
PO
D
20
a90a90/95
0.9
Courbe POD
Hauteur du défaut
(mm)
Courbe généralement croissante
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| 20Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
0
0.5
1
Defect size
PO
D
Différents documents de recommendation précisent comment
determiner ces courbes POD, notamment :
• MIL-HDBK-1823A (US DoD)
• IIW RP
Pro
ba
bili
té d
e d
éte
ctio
n (
PO
D)
a90/95
POD
a90/95
Inacceptable
Acceptable
Non désiré
Insignifiant
Évaluation de
la criticitéTaille
du défaut
Operational
timeInspectionsa : Taille du défaut
Événement
extérieur
Prédiction
d’évolution
POD (a90/95)
La courbe POD est un élément important pour fixer les intervalles de maintenance
POD et démonstrations de performances
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| 21Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Comment démontrer la performance d’un système SHM?
• La méthodologie POD décrite dans MIL-HDBK-1823A / IIW RP n’est
pas directement applicable :
• Indépendance des données non vérifiée : même capteur au même endroit
• Multiplier les mesures par le système SHM ne permet pas d’augmenter le
nombre de données
• Sensibilité forte à la position du défaut (SHM global / SHM local)
• Dégradation des capteurs, calibration
Généralisation du cadre statistique, travaux de recherches en cours
Simulation indispensable
PERFORMANCE D’UN SYSTÈME SHM
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| 22Capteurs et POD pour le SHM | Bastien CHAPUIS | SHM France | 15/03/2018
• Méthodes d’imagerie innovantes pour le SHM par ondes guidées
• Tomographie passive sans état de référence
• Capteurs réseaux de Bragg sur fibre optique système très peu intrusif
• Nouveaux outils de simulation dédiés
• Démonstration de performance pour le SHM
CONCLUSION
0
0.5
1
Defect size
PO
D