Dans le contexte actuel d’ouverture des marchés, le contrôle qualité est primordial dans le domaine de la production sidérurgique où qualité se conjugue avec réduction de coûts de fabrication. Ce contrôle peut être décrit comme un ensemble de systèmes déployés pour vérifier et maintenir le niveau de qualité souhaité. Cela implique une inspection minutieuse, accompagnée le plus souvent d’actions correctives. Cette inspection se traduit par l’utilisation, à différentes étapes de la production, d’outils de Contrôle Non-Destructif (CND) pour détecter des défauts. Etant donné que la détection au stade le plus en amont possible de la production est essentielle pour réduire le coût de la qualité et améliorer la production, des systèmes d’inspection à ultrasons sont utilisés au stade du décapage pour détecter certains défauts internes sans ralentir la cadence de production. Toutefois, le besoin de disposer d’une technique de CND sensible aux défauts sub-surfaciques très proches de la surface pouvant se transformer en défauts surfaciques demeure.Parmi les techniques courantes de CND, la thermographie infrarouge stimulée a été identifiée comme ayant un fort potentiel pour la détection des défauts internes très proches de la surface. En outre, cette technique présente des avantages remarquables : elle est sans contact, relativement rapide et adaptable. Son principe est relativement simple : il consiste à créer un transitoire thermique dans un échantillon et à surveiller la réponse de sa surface avec une caméra infrarouge (IR). La présence d’éventuel défaut interne créerait un contraste sous forme de motifs thermiques irréguliers dans la séquence thermique enregistrée. Cette technique, bien qu’attractive n’est pas encore déployée en ligne de production pour détecter des défauts dans les bandes d’aciers décapées. C’est ce qui constitue d’ailleurs l’innovation majeure de cette thèse.La thèse explore les limites théoriques et expérimentales de la thermographie infrarouge stimulée pour la détection de défauts internes dans des métaux. Elle a abouti aux développements d'outils de laboratoire capables de détecter des défauts très proches de la surface, tant dans des configurations statiques qu’en défilement. Ces développements se sont appuyés sur des simulations numériques en 3D qui ont permis d’évaluer le potentiel de la technique ; gagner en expertise ; obtenir des indications pour optimiser et concevoir les dispositifs expérimentaux. Les connaissances acquises à la suite des développements des outils de laboratoire ont montré qu’il est possible d’implémenter la technique directement dans la chaîne de production, particulièrement au stade de décapage où la bande se déplace généralement à 5 m / s. Par conséquent, un système d’inspection a été construit et déployé avec succès pour l’inspection d’une fraction de bande d’acier en milieu industriel. Les résultats obtenus et présentés dans cette thèse sont très encourageants. Des points d’améliorations sont mis en évidence et leur prise en compte permettra d’aboutir sur un système industriel finalisé, robuste et efficient. / In today’s competitive market, the quality control is vital in steelmaking industry where high quality product must pair with cost reduction. This control can be described as a system used for verifying and maintaining a desired level of quality. It implies careful inspection and corrective action if needed. The inspection can be performed with several Non-Destructive Testing (NDT) techniques to detect defects. Since the detection at the earliest possible stage is vital for the reduction of the quality cost, the ultrasonic systems have been used at pickling stage to detect internal defects without slowing down the production paces. However, there is still a need of a sensitive NDT technique to detect near subsurface defects which may turn into surface defects at downstream stages or even worse, at the customers during forming.Amongst the common NDT techniques, Active Infrared Thermography (AIRT) was identified as having a great potential for the detection of near surface internal defects. As an attractive NDT technique, AIRT has remarkable: it is contactless, relatively fast and versatile. Its principle is relatively simple: it consists in heating the sample and monitoring the surface response with an Infrared (IR) camera. The presence of any subsurface defect appears as specific thermal patterns in the recorded thermal sequence. Despite being an attractive technique, AIRT is not deployed yet to detect subsurface defects in steel strip at pickling stage on an industrial production line which is the innovative part of this thesis.The work provided in the thesis investigates the theoretical and experimental limits of AIRT for the detection of subsurface defects in steel samples. First, the investigation led to the development of laboratory tools capable of detecting near subsurface defects in static as well as moving samples. These developments are supported by 3D simulations which allowed evaluating the potential of the technique; gaining comprehensive knowledge; getting guidance for and/or optimize experimental designs. Then, the knowledge developed in laboratory has allowed outlining that the technique can be implemented directly in production line; especially at pickling stage where the strip travels at typically 5 m/s. Therefore, an inspection system was built and successfully implemented for the inspection of a reduced width of the moving strip in industrial environment. The thesis presents encouraging results and some keys identified points that should be considered for the design of full-integrated industrial AIRT inspection system.

Ce travail de thèse a pour objectif de fournir un outil de modélisation rapide de l'interaction d'une source électromagnétique 3D avec une pièce de géométrie ou de propriétés physiques complexes dans le domaine des basses fréquences (régime quasi-statique). La principale application est la simulation d'un procédé de Contrôle Non Destructif (CND) d'une pièce conductrice présentant une surface ou des propriétés physiques perturbées. La plateforme logicielle CIVA, comportant un module dédié à la simulation des procédés de CND par courants de Foucault intègre à l’heure actuelle des modèles semi-analytiques limités aux géométries canoniques : pièces planes, cylindriques. Afin de lever ce verrou, le formalisme des équations de Maxwell covariantes, déjà très utilisé dans le domaine optique pour la caractérisation des réseaux de diffraction (méthode des coordonnées curvilignes) est étendu au régime quasi-statique. L’utilisation d’un nouveau système de coordonnées curvilignes non-orthogonal associé à la géométrie de la pièce conduit à écrire très facilement et de manière analytique les conditions de passage aux interfaces de formes complexes. La résolution numérique des équations de Maxwell sous leur forme covariante est abordée par une approche modale qui repose sur le calcul préalable de solutions propres d’un système d’équations différentielles en absence de source. La représentation des composantes du champ électromagnétique à partir de deux fonctions de potentiels du second ordre (SOVP) ou potentiels de Hertz dans des systèmes de coordonnées canoniques est d’abord étendue au système de coordonnées curvilignes. On obtient alors les expansions modales des composantes covariantes et contra-variantes du champ électromagnétique. Les coefficients de ces expansions modales sont déterminés ensuite en introduisant le champ d’excitation et en imposant les conditions de passage adéquates entre les différents milieux. Cette approche est ensuite couplée d'une part à un algorithme récursif (les paramètres S) afin de prendre en compte la présence d'interfaces internes complexes dans la pièce, et d'autre part à une méthode numérique d'ordre élevé (Méthode pseudo-Spectrale) afin de prendre en compte de façon rigoureuse des variations des propriétés physiques (perméabilité magnétique et/ou conductivité électrique...) du matériau avec la profondeur. La validation de la méthode numérique proposée s’appuie sur des comparaisons avec des données simulées à l'aide d'un logiciel commercial de calcul par éléments finis et des données expérimentales obtenues au laboratoire. En outre, les codes développés ont été intégrés à une version de développement de la plateforme CIVA afin de répondre aux besoins des partenaires dans le cadre du projet européen SIMPOSIUM. / This PhD work concerns the development of fast numerical tools, dedicated to the computation of the electromagnetic interaction between a low frequency 3D current source and a complex conductor, presenting rough interfaces and/or conductivity (and/or permeability) variations. The main application is the simulation of the Eddy Current non-destructive testing process applied to complex specimens. Indeed, the existing semi-analytical models currently available in the CIVA simulation platform are limited to canonical geometries. The method we propose here is based on the covariant Maxwell equations, which allow us to consider the physical equations and relationships in a non-orthogonal coordinate system depending on the geometry of the specimen. Historically, this method (cf. C-method) has been developed in the framework of optical applications, particularly for the characterization of diffraction gratings. Here, we transpose this formalism into the quasi-static regime and we thus develop an innovative formulation of the Second Order Vector Potential formalism, widely used for the computation of the quasi-static fields in canonical geometries. Then, we determine numerically a set of modal solutions of the source-free Maxwell equations in the coordinate system introduced, and this allows us to represent the unknown fields as modal expansions in source-free domains. Then, the coefficients of these expansions are computed by introducing the source fields and enforcing the boundary conditions that the total fields must verify at the interfaces between media. In order to tackle the case of a layered conductor presenting rough interfaces, the generalized SOVP formalism is coupled with a recursive algorithm called the S-matrices. On the other hand, the application case of a complex shape specimen with depth-varying physical properties is treated by coupling the modal method we developed with a high-order numerical method: pseudo-spectral method. The validation of these codes is carried out numerically by comparison with a commercial finite element software in some particular configurations. Besides, the homogeneous case is also validated by comparison with experimental data.

This thesis investigates an alternative solution to deal with the civil structure vibration. Non-contact electromagnetic or Eddy current damping is selected as a score of vibration suppression. Electromagnetic damping relies on the interaction between a permanent magnet and conductor. An electromagnetic damper (EMD) is applied both to a laboratory footbridge structure and 6-storey model-scale aluminium moment resisting frame (AMRF). In this first study the EMD is connected in series with an electronic shunt circuit to construct an electromagnetic shunt damper (EMSD). A robust optimisation method is applied to develop the corresponding optimal design formula of the EMSD. The principle of an EMSD is to convert mechanical energy to electrical energy. Hence, the induced electromotive force (emf) is generated by electromagnetic induction. This emf induces an amount of shunt damping, which is fedback to the structure to achieve vibration suppression. It was found that when the impedance was applied, the shunt damping feature was of a similar nature to viscous dampers. In contrast, when an RLC (resistance-inductance-capacitance) circuit is connected, the shunt damping is analogous to a tuned mass damper. A second form of EMD is Eddy current damper (ECD), which relies on a geometrical arrangement of permanent magnets and conductors to produce damping forces. The vertical and horizontal orientation of the magnet, unidirectional and alternative pole projection and moving different direction of the conductor are investigated. A theoretical study involving the infinite boundary and finite boundary (the method of images current) is carried out to obtain an analytical calculation of the damping force. On the basis of this analysis, one type of ECD prototype was physically built. A performance test was carried out to determine the damping characteristics of the ECD, which agreed with the results of the numerical analysis. In addition, the ECD was applied to control the dynamics of the 6-storey AMRF. It was found that, the ECD can effectively increase system damping and have a satisfactory control effect.

A novel electromechanical brake (EMB) based on the eddy current principle is proposed for application in electrical vehicles. The proposed solution is a feasible replacement for the current conventional hydraulic brake (CHB) systems. Unlike CHBs eddy current brakes (ECBs) use eddy currents and their interaction with an externally applied magnetic field to generate braking torque. Due to their pure electrically controllable and contact free nature, ECBs have multiple advantages over the current CHB systems, such as faster response, reduced weight and number of components, ease of implementing various controllers (e.g., anti-lock braking), and reduced noise levels. However, the torque generated by a typical ECB at low speeds is insufficient to effectively and completely stop a moving vehicle. Therefore, an ECB is commonly used as an assistive brake to the CHB system in heavy vehicles, i.e. trains and trucks In order to overcome this shortcoming, the use of AC magnetic fields is proposed to realize a stand-alone ECB system in which sufficient braking torque can be generated at low speeds. To this end, eddy currents are modeled analytically using the governing Maxwell’s equations with the consideration of time varying field application. The analytical model was validated using finite element analysis. Results show that the braking torque increases with the application of a time varying field. Various forms of time varying fields have been studied. It was found that the frequency-modulated applied field in triangular waveform results in the highest braking torque. Next, the design was optimized to maximize the braking torque and an optimum configuration was obtained using multiple pole projection areas (PPAs). Optimization results show that the braking torque significantly increases with the introduction of additional PPAs to the configuration, and the braking torque generation for an optimum four-PPA ECB configuration exceeds the braking requirements for current passenger vehicles. For control purposes, a dynamic model for a novel stand-alone ECB system using AC fields for automotive applications has been successfully designed and evaluated. Also, a model-based predictive controller has been developed for the optimum ECB configuration. Finally an experimental test-bed has been designed for experimentation of both DC and AC field application on ECB. / Graduate

Present and future demonstrator designs were used to demonstrate the quality assurance of welds. The NDT methods tested on prototype demonstrator parts are: visual inspection, radius gauges, throat size gauge, liquid-penetrant testing, magnetic particle testing and ultrasonics with pulse echo and phased array. The other methods like eddy current, time of flight diffraction, radiography, impression test, macro test and infrared thermographs are currently being analyzed along with their inspection costs.   The control plans for present and future designs with corresponding present and future NDT methods are suggested to minimize a shift in process. Magnetic particle testing revealed a lack of fusion and cracks for fillet welds, whereas ultrasonic pulse echo and phased array identified an internal lack of fusion, inner pores/slag inclusions on butt welds. Ultrasonic PAUT & TOFD could be used for accurate defect identification and thermography for online identification of lack of penetration, depth of penetration and weld parameters. / Weight reduction by improved weld quality (WIQ)

Die Modellierung natürlicher und technischer Systeme spielt eine wichtige Rolle, um deren Verhalten zu simulieren und vorherzusagen. Die Impedanzspektroskopie ist in diesem Zusammenhang eine interessante Methode, da die Impedanz oft einfach messbar ist. Die herausfordernde Aufgabe ist die Interpretation gemessener Daten. Das Verständnis des Zusammenhanges zwischen realen Effekten und gemessener Impedanz anhand eines Impedanzmodells ist eine zentrale Problemstellung. Die Herleitung solcher Modelle wird in dieser Arbeit anhand drei verschiedenartiger Beispiele aus dem Gebiet der Messtechnik untersucht. Wirbelstromsensoren werden allgemein zur Messung von Abstand und Materialeigenschaften eingesetzt. Anhand eines Modells wird untersucht, wie diese Größen simultan bestimmbar sind. Die Messung der Zusammensetzung von Materialgemischen ist vielfach technisch relevant. Am Beispiel von Waschlaugen und Dispersionen mit Carbon Nano Tubes wird gezeigt, wie deren Zusammensetzung die Impedanz beeinflusst und welche Eigenschaften messbar sind. Batterien spielen eine wichtige Rolle zur Speicherung elektrischer Energie. Mit einem fraktionalen Differentialgleichungsmodell erfolgt eine Simulation der Batteriespannung unter wechselnden Einsatzbedingungen. Anhand der Anwendungen wird deutlich, dass es keinen Automatismus zur Modellerstellung und kein Modell für alles geben kann. Um so mehr liefert das vorgeschlagene Vorgehen einen Einstieg in die Modellerstellung. / Modeling natural and technical systems is important in order to simulate and predict their behavior. Impedance spectroscopy is an interesting method in the field of modeling because the impedance often is easily measurable. Nevertheless, interpretation of measured data is the challenging task in this field. The fundamental problem is understanding the relationship between real physical effects, measured impedance and impedance model. Fundamentals and advanced methods for deriving impedance models are investigated for three different problems in the field of measurement and sensor technology in this work. Eddy current sensors are commonly used to measure distance and material properties. Based on a model, it is investigated how these quantities can be determined simultaneously. Measuring the composition of material mixtures has many technical applications. Using the example of dispersions containing laundry detergents and dispersions with carbon nanotubes shows how their composition effects the impedance and measurable quantities. Batteries play an important role for storing electrical energy. Applying a fractional differential equation model allows a simulation of the battery voltage under varying operating conditions. Based on these applications it becomes clear, there can be no fully automated model creation method. A scientific analysis of the underlying problem is always required. The more the proposed approach provides an introduction to modeling.

Le travail de doctorat réalisé s'attache à étudier les nouveaux types d'interconnexions comme les TSV (Through Silicon Via), les lignes de redistribution (RDL) et les piliers de cuivre (Cu-Pillar) présentes dans le domaine de l'intégration 3D en microélectronique avancée, par exemple pour des applications de type « imager » où une puce « capteur optique » est empilée sur une puce « processeur ». Afin de comprendre et quantifier le comportement électrique de ces nouveaux composants d'interconnexion, une première problématique de la thèse s'articulait autour de la caractérisation électrique, sur une très large bande de fréquence (10 MHz - 60 GHz) de ces éléments, enfouis dans leurs environnements complexes d'intégration, en particulier avec l'analyse de l'impact des pertes dans les substrats de silicium dans une gamme de conductivités allant de très faible (0 S/m) à très forte (10 000 S/m). Par la suite, une nouvelle problématique prend alors naissance sur la nécessité de développer des modèles mathématiques permettant de prédire le comportement électrique des interconnexions 3D. Les modèles électriques développés doivent tenir compte des pertes, des couplages ainsi que de certains phénomènes liés à la montée en fréquence (courants de Foucault) en fonction des caractéristiques matériaux, des dimensions et des architectures (haute à faible densité d'intégration). Enfin, à partir des modèles développés, une dernière partie propose une étude sur les stratégies de routage dans les empilements 3D de puces à partir d'une analyse sur l'intégrité de signaux. En opposant différents environnements, débit de signaux binaires ou dimensions des TSV et des RDL des conclusions émergent sur les stratégies à adopter pour améliorer les performances des circuits conçus en intégration 3D. / The aim of this doctoral work is to study the new kind of interconnections like TSV (Through Silicon Via), redistribution lines (RDL) and copper pillars used in 3D integration context in advanced microelectronic components. An example of 3D integration application could be an imager designed by staking an optical sensor chip upon a processor chip. In order to understand and quantify the electrical behaviour of these new interconnection components, the first issue was about electrical characterization in a very wide frequency band (10 MHz - 60 GHz) of these elements, buried in their complex environment, in particular with the analysis of the silicon substrate loss impact which can be found in a wide band of conductivities from very low (0 S/m) to very high (10 000 S/m). Subsequently, a second issue appears from the need to develop mathematical models to predict the electrical behavior of 3D interconnects. The developed models have to take into account losses, coupling effects and some phenomena appearing with the rise of frequency (eddy currents) according to material characteristics, dimensions and architecture (from high to low density of integration). Finally, based on developed models, the last part presents a study on routing strategies in the 3D stacking chip from the analysis of signal integrity. By contrasting various environments, binary signals flow or dimensions of TSV and RDL, conclusions emerge on the best strategies to use to improve performances of circuits designed in 3D integration.

La méthode PEEC est connue comme une bonne méthode pour la modélisation des interconnexions électriques dans les domaines de l’électronique de puissance et l’électrotechnique. Elle s'applique à une large gamme de dispositifs : circuits imprimés, bus-barres, conducteurs massifs. Elle est particulièrement bien adaptée pour la modélisation de régions conductrices du type filaire. Cependant, elle est requise d’un maillage structuré(discrétisation des géométries en quadrangles) et l’approche est limitée en fréquence (grande épaisseur de peau). Enfin, il semble actuellement difficile d’envisager la modélisation de conducteurs volumiques dans une formulation PEEC standard.Cette thèse développe des formulations intégrales en utilisant des éléments de facette afin d’lever des verrous de la méthode PEEC standard évoqués ci-dessus. Elle constitue de fait une généralisation de la méthode PEEC standard par la prise en compte de maillages non structurés (volumique et surfacique) et la prise en compte de notion de régions minces à faible épaisseur de peau.Les applications visées sont la modélisation de systèmes de conducteurs complexes (des régions non simplement connexes) en prenant en compte des connexions entre des régions (volumique/filaire, surfacique/filaire,volumique/surfacique et surfacique/surfacique). / The PEEC method is known as a good method for modeling electrical connections in the domains of powerelectronics and electrical engineering. It applies to a wide range of devices: printed circuits, bus-bars, solidconductors. It is particularly well adapted for modeling the wire type conductive regions. However, it is requireda structured mesh (discretization geometries quadrangles) and this approach is limited in frequency (high skindepth). Finally, it now seems difficult to envisage modeling of the volume conductors in standard PEECformulation.This thesis develops integrals formulations using facet elements to improve the above mentioned limitations ofthe standard PEEC method. It is in fact a generalization of the standard PEEC method by taking into accountunstructured meshes (volume and surface) and taking into account the notion of thin region with a small skindepth.The applications are the modeling of complex systems of conductors (non-simply connected regions) taking intoaccount the connections between regions (volume / wireframe, surface / wired volume / surface and surface /surface).

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09810.pdf: 7314670 bytes, checksum: 5232e1c4a6554def247601f9a049ba1f (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09810.pdf: 7314670 bytes, checksum: 5232e1c4a6554def247601f9a049ba1f (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP