Structural Health Monitoring avec CIVA

CIVA SHM permet de simuler les dispositifs de Structural Health Monitoring (ou contrôle santé des structures) par ondes ultrasonores guidées.

Il inclut :

  • Un module de simulation SHM
  • Un module de calcul de mode

Ce module est également compatible avec les fonctionnalités suivantes disponibles dans la plate-forme CIVA : Etude paramétrique, Métamodèles, Etude POD, et CIVA Script.

Comme les capteurs de Structural Health Monitoring sont embarqués à demeure dans la structure, il est encore plus important que pour des END classiques de concevoir et qualifier ces dispositifs rigoureusement avant leur implémentation. Les outils de simulation permettent de réduire le nombre de maquettes et d'essais nécessaires afin de diminuer les coûts dans ces phases de conception et de qualification.

Avec la simulation, vous pourrez :

  • Aider la conception de la stratégie de monitoring (en particulier le nombre et la distribution des capteurs selon la géométrie de la structure inspectée)
  • Supporter les démonstrations de performance et justifications techniques (études paramétriques et analyses de sensibilité)
  • Fournir des données pour alimenter les études de POD
  • Apporter des informations et des données pour mieux comprendre et maîtriser la technique et savoir traiter les signaux de SHM

 

Exemples de simulation

 

Exemples de simulation : imagerie de reconstruction SHM des signaux de défauts dans différentes géométries de structures

 

Pièces

Les géométries paramétriques suivantes sont disponibles dans CIVA SHM :

  • Plaques métalliques ou composites, potentiellement stratifiées
  • Raidisseur
  • Cylindres
  • Courbures et déformations

 

Exemples de géométries prises en compte dans CIVA SHM

 

Un matériau isotrope peut être défini pour tous les types de pièces en fournissant les valeurs de densité et vitesse des ondes de volume pour ce matériau. Dans une pièce plane ou courbée, l’utilisateur peut aussi considérer un matériau anisotrope ayant une symétrie cristalline orthotrope ou isotrope transverse tel que dans les plis composites fibreux, via la définition de la matrice des constantes élastiques.

 

Définition d’une structure multicouche avec matériau anisotrope dans CIVA SHM

 

Défauts

Plusieurs défauts peuvent être simulés dans un modèle CIVA SHM. Les types de défauts disponibles sont les suivants :

  • Délaminage (de profil rectangulaire ou elliptique), trous et fissure initiée à partir d'un trou, dans les pièces planes ou courbes stratifiées
  • Profils d'érosion / corrosion / choc, et également trous et fissure initiée à partir d'un trou, dans les pièces homogènes et isotropes, qu'elles soient planes, courbes ou cylindriques

 

Types de défauts disponibles dans CIVA SHM pour différentes géométries de pièces :
délaminages, profil de type érodé, trous, fissure initiée depuis un trou

 

Capteurs

Les capteurs peuvent être minces et de forme circulaire tels que les patchs piézo-électriques types, avec des modes d'excitation :

  • En chargement radial : appliqué sur la circonférence du disque piézo-électrique (caractéristique des capteurs basse fréquence)

 

  • En chargement normal : appliqué sur la surface entière du disque piézo-électrique (caractéristique des capteurs haute fréquence)

 

Des formes et excitations arbitraires peuvent être également définies par l'utilisateur, pour définir un capteur EMAT par exemple.

Exemple de différentes formes et types d’excitation de capteurs

 

Une forme d'onde est associée au capteur pour modéliser le signal émis. Il est basé sur la définition d'une fréquence centrale et de sa largeur de bande ou du nombre de cycles. Des signaux arbitraires peuvent également être chargés.

Les capteurs peuvent être positionnés en cercle, grille ou selon un schéma libre.

Exemple de distribution spatiale des capteurs

 

Ils peuvent opérer en mode Round Robin (tous les capteurs sont successivement utilisés en tant qu'émetteur pendant que les autres "écoutent" les signaux reçus) ou en mode libre défini par l'utilisateur.

 

Résultats

Simulation SHM

Le module de simulation SHM utilise une technique par Eléments Finis optimisée dite Eléments Finis Spectraux (SEM pour "Spectral Finite Element Model"). Elle s'appuie sur des Eléments Finis d'ordres élevés construits à partir d'une stratégie de maillage basée sur une décomposition paramétrique en macro-éléments. CIVA SHM par Ondes Guidées est totalement parallélisé et démontre des performances très compétitives, avec des temps de calcul beaucoup plus rapides que des logiciels Eléments Finis traditionnels (généralement supérieurs à un facteur 100 !), et requiert très peu de RAM, de telle sorte que ce module peut fonctionner sur des ordinateurs tout à fait classiques. En s'appuyant sur des géométries paramétrées, CIVA SHM génère automatiquement le maillage et ne nécessite pas de compétences spécifiques en Eléments Finis de la part de l'utilisateur. Un panneau informe l'utilisateur du maillage automatique réalisé, qui peut être ajusté via un paramètre de précision.

CIVA SHM simule les signaux reçus par chaque capteur pour chaque séquence de tir. Les modes symétriques et antisymétriques peuvent être séparés.  A partir de ces résultats, un algorithme d'imagerie de reconstruction ("Delay and Sum") est disponible pour post-traiter les signaux et donner une image de l'impact du défaut qui peut être affichée dans la vue 3D de la pièce, et ce pour différents modes ou vitesses de reconstruction potentiels.

 

Résultats de simulation SHM : données ultrasonores brutes pour 6 sondes utilisées en mode Round Robin
 
Résultats de simulation SHM : images reconstruites via l'algorithme "Delay and Sum"

 

Les champs de déplacements ou de contraintes locaux peuvent être extraits dans des fichiers texte pour différents points de mesure spécifiés par l'utilisateur. Un export *.vtk permet de visualiser la propagation de des ondes guidées simulées sous forme d'animation, et les maillages dans un viewer VTK tel que l'outil freeware Paraview.

 

Images de propagation du champ ultrasonore dans un viewer VTK

 

Calcul de modes

Basé sur une approche hybride "SAFE" (Semi-Analytical Finite Element), CIVA SHM inclut également un outil de calcul de modes qui permet d'afficher les courbes de dispersion associées à une pièce pour une gamme de fréquences donnée.  Les déplacements et contraintes modaux sont également fournis. Ce module est similaire à celui disponible dans CIVA GWT.

Des plaques stratifiées, des géométries cylindriques et des guides d'onde de section CAO2D sont disponibles dans cet outil. Des matériaux isotropes ou anisotropes peuvent être pris en compte. Dans le cas d'un matériau anisotrope, les courbes de dispersion sont disponibles en représentation polaire.

 

 
Calcul de courbes de dispersion dans CIVA SHM