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.

Le principe du contrôle non destructif par Flux de Fuite Magnétique (FFM) consiste à magnétiser une pièce à contrôler par un champ magnétique intense et à détecter à l’aide d’un capteur magnétique les fuites des lignes de champ qui résultent de la présence d’un défaut dans la pièce. Les méthodes de contrôle FFM sont très employées notamment lors du processus de fabrication des tubes ferromagnétiques par la société Vallourec, le leader mondial des fabricants de tube. Dans le but d’améliorer les performances des systèmes de contrôle installés en usine, le CEA LIST et le centre de recherches de Vallourec (VRA) collaborent pour développer des outils de simulation rapides dédiés au contrôle virtuel des tubes ferromagnétiques. Le système expérimental existant concerne plus particulièrement la détection des défauts longitudinaux. Le problème de modélisation se pose en termes de modélisation d’un système électromagnétique à géométrie complexe en régime magnétostatique non-linéaire. Les courants de Foucault induits par le mouvement relatif entre la pièce et le circuit magnétique sont négligés. Dans ce contexte, une approche semi-analytique reposant sur le formalisme des équations intégrales (EI) a été choisie. Les travaux effectués dans cette thèse ont pour but de traiter des géométries complexes 3D mais limitées dans une première étape aux matériaux linéaires. Toutefois, le caractère non-linéaire de la relation liant l’induction magnétique et le champ magnétique dans un matériau ferromagnétique doit être envisageable lors du choix de la formulation du problème. Après une étude des paramètres influents du système expérimental existant, menée par des simulations par éléments finis, nous avons considéré deux stratégies de modélisation. La première consiste à proposer un schéma de résolution qui combine un module de calcul 2D et un module d’extension du 2D vers le 3D. Le manque de généralisation de cette première approche simplifiée nous a conduits à proposer une deuxième stratégie qui résout le problème complet de magnétostatique 3D. La formulation par équations intégrales porte sur une quantité scalaire auxiliaire : la densité surfacique de charges magnétiques. Afin de pouvoir résoudre à terme un problème 3D non-linéaire, le schéma numérique proposé considère deux hypothèses : la pièce ferromagnétique est divisée en un ensemble de cellules hexaédriques dans lesquelles la perméabilité magnétique est constante et les inconnues du problème, les densités surfaciques de charge sur les faces de chaque cellule sont projetées sur des fonctions de base d’ordre 0. Le calcul numérique des intégrales singulières s’effectue de manière analytique. Plusieurs résultats de simulation confirment la validité du modèle numérique présenté. Même si le modèle présente encore aujourd’hui quelques limitations notamment sur le manque de précision des calculs en présence de défaut, celui-ci donne satisfaction en absence de défaut. Diverses configurations géométriques ont été traitées grâce à l’emploi du mailleur libre Gmsh. Le travail réalisé débouche sur un modèle 3D linéaire intégrable dans un procédé itératif pour effectuer une simulation en régime non-linéaire. Les inconvénients liés au formalisme des équations intégrales sont aujourd’hui contournables grâce aux méthodes de compression de matrices. Ce modèle est un bon candidat pour servir d’outil de simulation pour le contrôle virtuel des matériaux plans ou cylindriques par flux de fuite. / The principle of Non Destructive Testing (NDT) by using magnetic flux leakage (MFL) consists to magnetize a magnetic component to be inspected by a strong magnetic field and to detect with a magnetic sensor the magnetic flux lines which are leaking from part due to a defect. MFL methods are usually used during the process of manufacture of ferromagnetic pipes by our partner, the Vallourec Group, the leader in the world in manufacturing of pipes. To improve NDT systems in manufacturing plants, the CEA-LIST and the research center of Vallourec are working together to develop fast simulation tools dedicated to virtual testing of ferromagnetic pipes. The main experimental system concerns the detection of longitudinal defect. The modeling problem is to solve an electromagnetism problem with a complex geometry in the magneto-static nonlinear regime. Eddy currents induced by the motion of the pipe with respect to the magnetizing system are neglected.In this context, a semi-analytical approach based on integral equations (IE) has been chosen. The goal of some works which have been carried out in this PHD thesis is to address 3D complex geometries but, in first a step, limited to the linear regime. However, the non-linear behavior of the relationship which links the magnetic flux density and the magnetic field inside a ferromagnetic material must be considered when choosing the 3D formulation of the problem.After a study about influent parameters of the experimental system, carried out by using finite elements computations, we have considered two strategies for modeling. The first one has consisted to build up a strategy which consists to join the 2D numerical model, existing in the laboratory to an extension model from 2D to 3D. This approach was a priori quite simple but the lack of generality of this approach leads us to suggest another strategy which results in solving the complete 3D magneto-static problem. This formulation is based the integral equation formalism implying an auxiliary scalar quantity: the magnetic surface charge density. In order to be able to solve a nonlinear problem in the future, the chosen numerical scheme we have adopted is based on two hypothesis: the ferromagnetic part is firstly divided into a finite number of small hexahedral cells in which the relative magnetic permeability is supposed to be constant and secondly, the unknowns of the problem, the surface charge densities on the facets of each cell are expanded by using basis functions of zero order. Thanks to this limitation, the singular integrals can be analytically computed. Some simulation results confirm the validity of the implemented numerical model. This model presents some limitations at the moment in the cases of a workpiece with a defect but it can provide quite good results without any defect. Several geometries have been addressed by using Gmsh, free meshing software. Moreover, the final numerical model can be included into an iterative process to deal with non-linear cases. The limitations due to the EI formalism can be overcome today by using some compression matrix methods. Presently, this model is a good candidate for virtual NDT for cylindrical and planar geometries by magnetic flux leakage.

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.

Les câbles électriques sont présents dans de nombreux produits et systèmes où ils sont utilisés pour transmettre des données ou transporter de l'énergie. Ces liaisons sont la plupart du temps installées pour des durées d'exploitation longues au cours desquelles elles doivent subir l'usure du temps, ainsi que celle résultant d'un environnement parfois agressif. Alors que les câbles électriques assurent des fonctions essentielles et dans certains cas critiques, ils sont aussi sujets à des défaillances qui découlent des contraintes qu'ils endurent. Ceci explique la nécessité de surveiller leur état, afin de détecter au plus tôt les défauts naissants et d'intervenir avant qu'ils ne dégénèrent en dommages dont les conséquences peuvent être préjudiciable et économiquement lourdes. L'entreprise EDF est particulièrement concernée par cette problématique dans la mesure ou elle exploite des longueurs considérables de câbles pour le transport et la distribution d'électricité sur tout le territoire bien sûr, mais aussi au sein des centrales qui produisent l'électricité, pour alimenter les différents organes, et acheminer commandes et mesures. L'entreprise, attentive à ce que ces câbles soient en bon état de fonctionnement mène plusieurs travaux, d'une part pour étudier leur vieillissement et modes de dégradation, et d'autre part pour développer des méthodes et outils pour la surveillance et le diagnostic de ces composants essentiels. Le projet EDF CAIMAN (Cable AgIng MANagement) commandé par le SEPTEN (Service Etudes et Projets Thermiques Et Nucléaires) traite de ces questions, et les travaux présentés dans cette thèse ont été conduits dans ce cadre et sont le fruit d'une collaboration avec Inria (Institut National de Recherche en Informatique et Automatique). Partant du constat que les méthodes de diagnostic de câbles existantes à l'heure actuelle ne donnent pas pleine satisfaction, nous nous sommes donné pour objectif de développer des outils nouveaux. En effet, les techniques actuelles reposent sur différents moyens dont des tests destructifs, des prélèvements pour analyse en laboratoire, et des mesures sur site mais qui ne permettent pas de diagnostiquer certains défauts. Parmi les techniques non destructives, la réflectométrie, dont le principe est d'injecter un signal électrique à une extrémité du câble et d'analyser les échos, souffre aussi de certaines de ces limitations. En particulier, les défauts non-francs restent encore difficiles à détecter. Toutefois les travaux qui se multiplient autour de cette technique tentent d'en améliorer les performances, et certains obtiennent des résultats prometteurs. Les chercheurs de l'Inria qui travaillent sur le sujet ont développé des algorithmes pour exploiter des mesures de réflectométrie. En résolvant un problème inverse, les paramètres d'un modèle de câble sont estimés et servent alors d'indicateurs de l'état de dégradation du câble testé. L'objectif de cette thèse est d'étendre ces méthodes pour répondre aux besoins spécifiques d'EDF. Un des principaux défis auquel nous avons apporté une solution est la prise en compte des pertes ohmiques dans la résolution du problème inverse. Plus spécifiquement, notre contribution principale est une méthode d'estimation du profil de résistance linéique d'un câble. Cette estimation permet de révéler les défauts résistifs qui produisent souvent des réflexions faibles dans les réflectogrammes habituels. Une seconde contribution vise à améliorer la qualité des données utilisées par cette méthode d'estimation. Ainsi, nous proposons un pré-traitement des mesures dont le but est de gommer l'effet de la désadaptation des instruments aux câbles ou celui des connecteurs. Ces travaux apportent de nouveaux outils pour l'exploitation des mesures de réflectométrie et des solutions pour le diagnostic de certains défauts encore difficiles à détecter aujourd'hui. / Electric cables are ubiquitous in many devices and systems where they are used for data or power transmission. These connection links are most often installed for long periods of operation during which they are subject to aging and sometimes exposed to harsh environments. While electric cables fulfill important and sometimes even critical functions, they might fail due to the hard constraints they have to endure. This motivates the need for monitoring tools, in order to detect early faults and to intervene as soon as possible, before they mutate into heavier damage whose consequences can be detrimental and expensive. EDF company is very affected by this problematic insofar as it operates significant lengths of cables for energy distribution, but also in power plant for power supply of the diverse apparatus, to route data and to transmit measurement. The company has been leading several studies regarding cable aging, cable faults, and wire diagnosis methods. The CAIMAN project (Cable AgIng MANagement), sponsored by the Engineering Department of Nuclear and Thermal Projects (SEPTEN), deals with these questions. The work presented in this dissertation were led in this context and results from a collaboration with Inria (French National Institute for Research in Applied Mathematics and Computer Sciences). Starting from the observation that existing cable diagnosis methods do not offer full satisfaction, we targeted the goal of developping new tools to improve the state of the art. Existing techniques rely on a range of tests, some of which are destructive or involve in-lab investigations, but these still cannot detect some kind of faults. Among major techniques, reflectometry has the most promising results. This technique consists in the same principle as a radar. One sends a wave down a cable from one end. Then the reflected signal is analysed searching for signs of faults. Yet, this method also suffers some limitations and soft faults remain hard to detect. Researchers and industries multiply the investigations in the domain of reflectometry-based techniques, and some get interesting results. Scientists from Inria developped algorithms for cable parameter estimation from reflectometry measurements, following an inverse-problem approach. The goal of our work was to extend these methods to meet the specific needs of EDF. One of the main challenges we coped with was to take into account electric losses in the resolution of the inverse problem. Our main contribution is a method to estimate the per unit length resistance profile of a cable. This estimation reveals resistive faults that most often only produce weak reflections in reflectometry measurements. Other contributions concerns the improvement of the method based on pre-processing of the data whose role is to erase the effect of impedance mismatches. This work breaks new grounds in the domain of reflectometry-based wire diagnosis techniques.

nÃo hà / Nas Ãltimas dÃcadas, existiu uma crescente demanda por aproveitamento do potencial eÃlico mundial. Essa tendÃncia està transformando as pÃs eÃlicas em uma das mais importantes aplicaÃÃes dos materiais compÃsitos polimÃricos. Alguns componentes de uma turbina eÃlica sÃo confeccionados em materiais compÃsitos polimÃricos e suas pÃs eÃlicas representam o maior uso desse material. Este trabalho tem como objetivo a avaliaÃÃo dos efeitos do envelhecimento acelerado em amostras de materiais compÃsitos revestidos com poliuretano utilizados em aerogeradores. O compÃsito à constituÃdo de resina epÃxi, reforÃado com fibras de vidro e revestido com poliuretano. O envelhecimento acelerado simula de forma intensificada os intemperismos naturais (radiaÃÃo solar, umidade e temperatura). As placas compÃsitas foram caracterizadas por ensaios nÃo-destrutivos de ultrassom e emissÃo acÃstica; ensaios mecÃnicos de traÃÃo e Izod; anÃlises tÃrmicas de termogravimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC); microscopia Ãptica e grau de empoamento.Devido ao alto coeficiente de atenuaÃÃo caracterÃstico de materiais com mais de um constituinte e a consequenteausÃncia de sinal acÃstico de retorno, o ensaio por ultrassomnÃo logrou Ãxito. Mediante os avanÃos da degradaÃÃo acelerada, houve estabilidade nos valores mÃdios da velocidade de propagaÃÃo da onda e do coeficiente de atenuaÃÃo nos compÃsitos, por meio do ensaio de emissÃo acÃstica. Os ensaios mecÃnicos de traÃÃo e Izod mostraram que o envelhecimento acelerado interferiunas seguintes propriedades: mÃdulo de elasticidade, tensÃo de ruptura, alongamento mÃximo e resistÃncia ao impactoIzod. Pela tÃcnica de TGA, houve alteraÃÃo na temperatura mÃxima de degradaÃÃo e estabilizaÃÃo na massa residual com os avanÃos da degradaÃÃo acelerada. Por DSC, foi possÃvel detectar diminuiÃÃo na temperatura de transiÃÃo vÃtrea (Tg). A microscopia Ãptica revelou que nÃo houve alteraÃÃes na superfÃcie do revestimento de poliuretano e na interface poliuretano-epÃxi e ocorreu degradaÃÃo na interface fibra-matriz (face exposta à radiaÃÃo) nos compÃsitos mediante os progressos de envelhecimento acelerado. Entretanto, a mediÃÃo do grau de empoamento apresentou deteriorizaÃÃosuperficial do revestimento de poliuretano. Diante de todos os resultados encontrados, conclui-se que o envelhecimento acelerado influenciou no desempenho dos materiais utilizados em aerogeradores. / In recent decades, there has been a growing demand for utilization of wind power worldwide. This trend is transforming wind blades in one of the most important applications of polymeric composites. Some components of a wind turbine are made of polymeric composites and wind blades represent the largest use of this material. This study aims to assess the effects of accelerated aging in samples of composite materials coated with polyurethane used in wind turbines. The composite is made of epoxy resin reinforced with glass fibers and coated with polyurethane. The accelerated aging test simulates an enhanced form natural weathering (solar radiation, humidity and temperature). The composite plates were characterized by non-destructive testing of ultrasonic waves and acoustic emission; tensile tests and Izod; thermal analyzes thermogravimetricanalysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC); optical microscopy and the degree of chalking. Because of the high attenuation coefficient characteristic of materials with more than one constituency and the consequent absence of acoustic feedback, the ultrasound test didn`t succeed. Through the advances in accelerated degradation was stable on mean average velocity of wave propagation and attenuation coefficient of the composite by means of acoustic emission test. The tensile tests and Izod showed that the accelerated aging interfered with the following properties: modulus of elasticity, tensile strength,ultimate elongation and Izod impact. By the technique of TGA, there was change in maximum temperature of degradation and stabilization in the residual mass with the advances in accelerated degradation. By DSC it was possible to detect a decrease in glass transition temperature (Tg). The optical microscope demonstrated that no changes in the surface of the coating polyurethane and polyurethane-epoxy interface and degradation occurred in the fiber-matrix interface (the exposed radiation face) in the composite by the progress of accelerated aging. However, measuring the degree of deterioration showed chalking surface of the polyurethane coating. With all the results, these studies conclude that the accelerated aging affect the performance of materials used in wind turbines.

Quando os materiais ferromagnéticos se submetem a campos magnéticos variáveis, experimentam uma mudança na indução que acontece de forma discreta constituindo os saltos de Barkhausen. Estes saltos são conseqüência da interação entre as paredes de domínio se movimentando e os pontos de ancoragem que atuam como barreiras à sua movimentação. Se durante a aplicação do campo variável, coloca-se uma bobina sensora na superfície da amostra, a mudança no fluxo magnético induz uma seqüência de pulsos de tensão elétrica que conformam o sinal de Ruído Magnético de Barkhausen (RMB). Nos últimos anos tem sido publicados trabalhos que mostram que o RMB depende da microestrutura, do teor de carbono, da dureza, do estado de tensões, da deformação, da condição superficial e da anisotropia, fazendo possível utilizá-lo como um método de ensaio não destrutivo para o monitoramento microestrutural de materiais. Esta tese mostra a aplicabilidade do RMB para avaliar a variação microestrutural em juntas soldadas de aço estrutural ASTM A36. A soldagem realizou-se em chapas de 6 mm de espessura com preparação de chanfro em V, com um e dois passes, e com tratamento posterior de alívio de tensões. Fizeram-se a caracterização de microestruturas e microdurezas numa seção transversal da junta soldada. Numa linha na superficie da chapa transversal ao cordão de solda, mediram-se as tensões residuais por difração de raios-X e nas superfícies das chapas, em várias linhas transversais ao cordão de solda, obtiveram-se sinais de RMB. Os sinais de RMB se analisaram no domínio do tempo pelo valor máximo, o valor acima de 80% do máximo, o rms, o rms do envelope, a kurtosis, o skewness e a posição de pico. Analisaram-se no domínio da freqüência o espectro de freqüência na banda completa e em diferentes bandas. Fizeram-se também análises em tempo-escala através da transformada wavelet e wavelet packet, a fim de procurar uma separação do efeito da microestrutura e das tensões residuais. Todos os parâmetros analisados foram grafados em função da distância ao centro do cordão. Obtiveram-se também mapas superficiais com os valores dos parâmetros analisados. Na caracterização microestrutural foi possível identificar tamanhos de zona afetada pelo calor (ZAC) diferentes nas amostras de um e dois passes. Verificou-se também que as microdurezas mudaram através da junta soldada, sendo que a maior dureza se apresentou no limite de fusão e a menor dureza se apresentou no fim da ZAC. Em relação ao RMB constatou-se que no limite de fusão tem-se o menor valor do parâmetro, enquanto que no fim da ZAC tem-se o maior valor do parâmetro. Os mapas superficiais permitiram identificar a região correspondente à solda. Todas as análises feitas mostraram a forte influência da mudança microestrutural. Dos resultados obtidos conclui-se que o RMB pode ser usado como método de inspeção não destrutivo para monitorar juntas soldadas reais de aços carbono. / Ferromagnetic materials submitted to variable magnetic fields experience discontinuous changes in the induction, being the sudden magnetic flux changes referred as Magnetic Barkhausen Noise (MBN). Fast movements of magnetic domain walls and their interaction with the pinning sites result in the MBN. The corresponding signals are detected as voltage pulses when a pick-up coil is placed in the surface of ferromagnetic materials. In this context, several studies have been recently reported showing the dependence of the MBN on the microstucture, hardness, carbon quantity, residual and applied stress, strain, deformation, surface condition and anisotropy. These features make the MBN an important nondestructive testing technique for material microstructural monitoring. This work shows results for the evaluation of ASTM A36 carbon steel welded plates by MBN. V-groove shape welded samples were made in a 6 mm thickness plates, with one-pass and two-pass, and post-weld heat treating for stress relief. Microstructural characterization and microhardness were made on a transversal section of welds. The residual stress were measured by X-ray diffraction. The MBN were measure on surface plates. MBN signals were analyzed on the time domain through several techniques: the maximum value, threshold of 80% above of maximum, the root mean square (rms), the root mean square of the profile, the kurtosis, the skewness and the profile peak position. The spectra in the entire band and in different width bands were analyzed on the frequency domain. To separate the microstructure effect from that of the residual stress, the wavelet and wavelet packet transform, on the timescale domain, were used. All parameters were plotted in function of the distance to center bead. The microstructural characterization identified different HAZ sizes for one-pass and two-pass. In addition, changes on microhardness throughout welded zones were verified. Greater hardness occurred in the fusion boundary whereas lower microhardness happened in the HAZ end. With MBN monitoring were verified that the MBN lower value happened in the fusion boundary, whereas the MBN bigger value happened in the HAZ end. The surface maps identified the weld region. The study showed that changes in the microstructure influence all analyzed parameters. Consequently, we can conclude that the MBN is a potentially important tool to be used in nondestructive testing for carbon steel weld monitoring.

A análise dinâmica experimental tem sido amplamente pesquisada como uma ferramenta de avaliação de integridade de estruturas de concreto armado. Existem técnicas de identificação de danos baseadas em propriedades modais como frequências de ressonâncias, deformadas modais, curvaturas modais e amortecimento. Há também técnicas baseadas na não linearidade da resposta dinâmica, que apesar do grande potencial na detecção de danos, têm sido pouco exploradas nos últimos anos. Este trabalho tem por objetivo avaliar a integridade estrutural de vigas de concreto armado através do comportamento da resposta dinâmica. Foram realizados ensaios dinâmicos em duas vigas de concreto armado com 3,5 m de comprimento, 25 cm de largura, 35 cm de altura e idênticas taxas de armaduras, mas configuradas com barras de aço de diferentes diâmetros, 2 &#981 16 mm e 8 &#981 8 mm, respectivamente. Tais vigas, inicialmente íntegras, foram submetidas a ciclos de carregamento e descarregamento com intensidades crescentes até atingir a ruptura do elemento. Após cada ciclo, as propriedades dinâmicas foram avaliadas experimentalmente, com o emprego de técnicas de excitação por sinais do tipo aleatório e tipo transiente, respectivamente, visando determinar parâmetros que indiquem a deterioração gradativa do elemento. Nesses ensaios dinâmicos aplicaram-se diferentes amplitudes da força de excitação. Verificou-se que o aumento da amplitude da força dinâmica de excitação provocou reduções nos valores das frequências de ressonância de 1,1% e 2,4%, associadas, respectivamente, às excitações aleatórias e transientes; e um comportamento não linear dos índices de amortecimento, associados às excitações aleatórias, mantendo um crescimento linear com as excitações transientes. Constatou-se, ainda, que os valores das frequências de ressonância decrescem com a redução de rigidez mecânica, diminuída com o aumento do nível de fissuração induzido nos modelos. Já os valores dos índices de amortecimento, após cada ciclo, se comportaram de forma não linear e assumiram diferentes valores, conforme a técnica de excitação empregada. Acredita-se que esta não linearidade está relacionada aos danos provocados no elemento pela solicitação estrutural e, por consequência, ao processo de como a dissipação de energia é empregada no processo de instauração, configuração e propagação das fissuras nos elementos de concreto armado. / The experimental dynamic analysis has been widely investigated as a tool to assess integrity of reinforced concrete structures. State-of-the-art modal-based techniques for structural damage analysis use resonance frequencies, modal deformed, curvature and modal damping analysis. There are also techniques based on nonlinear dynamic response that despite the large potential for damage detection, have not been considered in recent years. This work aims to evaluate the structural integrity of reinforced concrete beams through the dynamic response behavior. Dynamic tests were performed on two reinforced concrete beams with 3.5 meters of length, 250 mm of width, 350 mm of height and identical reinforcement rates, but different steel bars diameters, 2 &#981 16 mm e 8 &#981 8 mm, respectively. Beams were initially intact and were subjected to loading and unloading cycles with increasing intensity until the rupture of the concrete beam. After each cycle, the dynamic properties were evaluated experimentally with random and transient excitation signals to determine parameters that indicate gradual deterioration of the beam. Different amplitudes of the excitation force were applied during dynamic testing of concrete beams. These results indicated that an increase in amplitude of dynamic excitation force caused reductions in frequency resonances by 1.1% and 2.4%, associated with the random and transient excitations, respectively. Furthermore, a non-linear behavior of the damping ratios related to random excitations was observed while a linear relationship with transient excitation was found. Moreover, it was found that the resonance frequency decreased with the cracking-related reduction of beam stiffness, caused by increasing level of loading. Additionally, the values of the damping ratios after each cycle behaved non-linearly assuming different values according to the used excitation technique. It is believed that this non-linearity can be related to the loading-related structural damage of the reinforced concrete beam. Therefore, the energy dissipation related to cracking initiation, configuration and propagation in reinforced concrete elements played an important role in the damping ratios of concrete beams.

La thèse s’inscrit dans les travaux du CEA LIST pour développer dans la plate-forme CIVA un module simulant le contrôle non-destructif (CND) par ondes ultrasonores guidées ; elle est dédiée au développement et à la validation de modèles simulant l’inspection de canalisations et se focalise sur le cas de canalisations comportant un ou plusieurs coudes. Pour prédire l’effet de la courbure sur les ondes guidées, une extension en coordonnées curvilignes de la méthode des éléments finis semi-analytiques est réalisée pour calculer les modes se propageant dans un coude, par résolution d’un système d’équations aux valeurs propres restreint à la section du guide. Ce développement a aidé à comprendre les effets de distorsion des champs ultrasonores et de décalage des fréquences de coupures dus à la courbure. La diffraction des ondes à la jonction entre un tube droit et un coude est ensuite calculée par raccordement modal donnant la matrice de diffraction de la jonction ; les éléments de la matrice s’obtiennent par évaluation numérique d’intégrales à la surface de la jonction. Les matrices de diffractions locales sont enfin combinées à des matrices de propagation pour rendre compte de la présence de plusieurs diffracteurs sur la canalisation, sous forme d’une matrice globale de diffraction. Le coût minimal de son calcul permet d’étudier l’influence des paramètres de contrôle et de les optimiser. Les modèles sont validés en comparant leurs prédictions avec des résultats numériques et expérimentaux de la littérature et des mesures faites au CETIM sur maquettes industrielles. Intégrés à la plate-forme CIVA, ils étendent les possibilités du module de simulation du CND par ondes guidées. / The thesis is in the framework of developments made at CEA LIST of a module of the CIVA platform to simulate nondestructive testing (NDT) by ultrasonic guided waves; it is dedicated to the development and the validation of models simulating the examination of pipelines and is focussed on the case of pipeline comprising one or several elbows. To predict effects due to the curvature on guided waves, an extension in curvilinear coordinates of the semi-analytic finite element method is worked out to compute modes propagating in an elbow, by solving an eigen system restricted to the guide section. This development allows us to better understand effects due to the curvature such as displacement field distortions or cut-off frequencies splits. The scattering of waves at the junction between a straight tube and an elbow is then computed by means of the mode-matching method, leading to the modal scattering matrix of the junction; matrix elements are obtained by numerical evaluation of integrals over the junction surface. Local scattering matrices are finally combined to propagation matrices to account for the presence of several scatterers in the pipeline, to form a global scattering matrix. Its minimal computation cost allows us to study the influence of the parameters of the testing configuration and to optimize them. Models are validated by comparing their predictions to numerical and experimental results of the literature and to measurements made at CETIM on industrial mock-ups. Integrated in the platform CIVA, the developed models extend the capabilities of the guided wave NDT module.

Ce travail rentre dans le cadre de la caractérisation des couches minces, de revêtements et de surfaces fonctionnelles (épaisseur, constantes élastiques,…). Parmi les méthodes de caractérisation potentielles, les méthodes ultrasonores employant des ondes de surface sont particulièrement intéressantes. Pour ce faire, nous avons choisi d’exploiter la dispersion des ondes de surface de type Rayleigh. En effet, les ondes acoustiques de surface (SAW) de type Rayleigh se propagent à la surface d’un matériau et l’énergie véhiculée par ces ondes est confinée sous la surface dans une couche d’épaisseur de l’ordre d’une longueur d’onde. Afin de caractériser ces revêtements, il est nécessaire de travailler sur une large gamme de fréquences. D’autre part, ces couches peuvent être fragiles et transparentes, c’est pourquoi, des transducteurs interdigités (IDT) sont envisagés. Pour optimiser ce type de capteurs, et en particulier leur bande passante, il est nécessaire d’étudier différentes configurations sachant qu’il est notamment possible de faire varier le nombre d’électrodes, les dimensions des électrodes, leurs formes et leurs espacements. Enfin, pour exciter ces ondes de surface dans une large gamme de fréquence avec des niveaux de déplacement suffisants pour la caractérisation des couches minces et revêtements, la technique à double Chirp spatio-temporel basée sur des transducteurs SAW-IDT a été privilégiée. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince métalliques d’épaisseurs de 100 nm et plus, et deuxièmement des revêtements transparents de type sol-gel. / This work is within the scope of characterization of thin layers, coatings and functional surfaces (thickness, elastic constants,…). Among the characterization methods, the ultrasonic methods using surface acoustic waves are particularly interesting. In order to do this, we chose to make use the dispersion phenomenon of Rayleigh-like surface acoustic waves. Indeed, the propagation of these waves is close to the surface of material and the energy is concentrated within a layer under the surface of about one wavelength thick. In order to characterize these coatings and structures, it is necessary to perform measurements in high frequencies. On the other hand, these coatings can be fragile and transparent, this is why in this study, SAW-IDT sensors are achieved for surface acoustic wave generation. For optimization of these SAW-IDT sensors, particularly their band-width, it is necessary to study various IDT configurations by varying the number of electrodes, dimensions of the electrodes, their shapes and spacings. Finally, to generate the surface acoustic waves over a wide frequency range with sufficient displacement amplitude for the characterization of thin films and coatings, a time-space chirp technique with SAW-IDT sensors was selected. We have shown the potential of this approach by characterizing firstly thin metallic layers, and secondly transparent coatings obtained by the sol-gel process.

Les structures mécaniques utilisées de nos jours ne cessent d’évoluer en utilisant des matériaux composites ou à gradient fonctionnel afin de répondre aux enjeux de résistance accrue, allégement de la structure et amélioration des performances. Ceux-ci nécessitent un contrôle adéquat de leur état de santé afin de s’assurer de l’intégrité de la structure. L’utilisation des ondes guidées ultrasonores fournit un moyen efficace et rapide d’inspection sur de longues distances. Néanmoins, ces ondes présentent certaines caractéristiques complexes qui rendent la tâche très difficile. L’utilisation d’outils d’analyse tels que les modèles numériques constitue un grand atout pour ce type d’application. Dans ce contexte, l’objectif de cette de thèse est le développement d’un outil de modélisation performant, permettant d’étudier la propagation des ondes guidées ultrasonores avec une grande précision et une faible consommation de ressources et de temps de calculs. De ce fait, l’intérêt est porté sur des méthodes numériques d’ordres élevés dont les propriétés de convergence sont beaucoup améliorées que les méthodes classiques. En particulier, la méthode semi-analytique éléments finis de Galerkin discontinue pour la détermination des courbes de dispersion des ondes guidées est développée. La méthode est applicable aux structures planes et cylindriques fabriquées de matériaux isotropes, anisotropes et hétérogènes (à gradient fonctionnel de propriétés). Une étude comparative sur l’analyse des performances de ces méthodes est effectuée. Celle-ci a démontré la capacité de la méthode à modéliser la propagation des ondes guidées ultrasonores dans des guides d’ondes à section arbitraire avec des performances prometteuses par rapport à la méthode des éléments finis classique. / The mechanical structures used today are constantly evolving using composite or functionally gradient materials to meet the challenges of increased strength, lightening the structure and improving performance. These require adequate control of their state of health to ensure the integrity of the structure. The use of Ultrasound Guided Waves (UGW) provides an efficient and fast way of inspection over long distances. Nevertheless, these waves have some complex features that make the task very difficult. The use of analysis tools such as numerical models is a great asset for this type of application. In this context, the objective of this thesis is the development of a powerful modeling tool, allowing to study the propagation of UGWs with a great precision, less computational time and consumption of resources. Accordingly, we are interested in higher order numerical methods whose convergence properties are much improved than the classical methods. In particular, a semi-analytical discontinuous Galerkin finite element method (SADG-FE) is developped for the determination of the dispersion properties of guided waves in arbitrary cross-section waveguides. The method is applicable to plates and cylindrical structures made of isotropic, anisotropic heterogeneous (functionally graded) materials. The performance analysis of these methods and their comparisons are performed with respect to the models based on the classical finite element method. The results demonstrated the ability of the proposed method to model the propagation of ultrasounic guided waves in arbitrary section waveguides with promising performance over the conventional finite element method.