A adoção de materiais compósitos pela indústria de petróleo e gás vem ocorrendo de forma gradual, e ainda encontra certa resistência devido à novidade de sua aplicação em projetos mecânicos do setor, e da menor confiabilidade que possuem em relação a metais. A sua implementação em maiores escalas depende também do desenvolvimento de métodos de inspeção e monitoramento de integridade estrutural. Em paralelo a isso, sistemas de varredura de tubulações baseados em ondas guiadas ultrassônicas vêm ganhando espaço devido à sua capacidade de inspecionar toda a seção de trechos extensos de uma tubulação metálica. Baseado nestas duas premissas, este trabalho tem como objetivo apresentar estudos visando o desenvolvimento de uma metodologia que seja capaz de obter as propriedades elásticas de um meio e obter as características de propagação das ondas mecânicas, cobrindo uma metodologia para obtenção das propriedades elásticas baseados em ensaios ultrassônicos, um método de otimização baseado em propriedades vibracionais e por fim, confrontando dados provenientes de modelos em elementos finitos com resultados experimentais e aproximações teóricas. Como resultados espera-se gerar informações necessárias para que possa-se compreender os mecanismo de propagação das ondas elásticas, pois é ele que permitirá a obtenção de informações a respeito dos defeitos presentes na estrutura analisada ou ainda utilizar as informações de dispersão em função da frequência e em função da direção para localização de fontes acústicas em meios ortotrópicos, sendo o conhecimento das propriedades de fase e energia das ondas em tais materiais de fundamental importância para a plena exploração do seu potencial de inspeção e monitoramento. / The adoption of new materials by the oil and gas industry has been occurring gradually and still finds some resistance due to the novelty of their application in mechanical design and their lower reliability compared to metals. The usage in large scales also depends on the development of inspection methods and structure health monitoring. In a parallel way, systems that scan pipes using mechanical guided waves have gained space because of their ability to inspect the section of large excerpts of an metallic pipe. Based on these two assumptions, this work aims to study the development of a methodology that is able to obtain the elastic properties of a medium and obtain mechanical characteristics through propagation of the stress waves in it. For this, a method to obtain elastic properties based on ultrasonic testing, a optimization method was based on vibrational properties, and comparison of to data from finite element models with experimental results and theoretical approaches were used. The results are expected to generate information needed for understand the mechanism of propagation of elastic waves, needed to obtain information about defects present in the structure or using information of angular or frequency dispersion for localizing acoustic sources in orthotropic media. As knowledge of the properties of the phase and energy waves propagation in such material are crucial for the full exploitation of inspection and monitoring.

The thesis summarizes the basic knowledge of Wirebonding. It also closely studying the various influences on the final shape, strength and reliability of the bonds. In the experimental part are found the optimal settings of various wire bonders. For wire bonder TPT HB-10 are found the optimal settings for different types of surfaces, which were contacted.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18261号 / 工博第3853号 / 新制||工||1591(附属図書館) / 31119 / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)教授 林 康裕, 教授 吹田 啓一郎, 教授 神吉 紀世子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Defected wheel are one the major reasons endangered state of railroad vehicles safety statue, due to vehicle derailment and worsen the quality of freight and passenger transportation. Therefore, timely defect detection for monitoring and detecting the state of defects is highly critical. This thesis presents a passive non-contact acoustic structural health monitoring approach using ultrasonic acoustic emissions (UAE) to detect certain defects on different structures, as well as, classifying the type of the defect on them. The acoustic emission signals used in this study are in the ultrasonic range (18-120 kHz), which is significantly higher than the majority of the research in this area thus far. For the proposed method, an impulse excitation, such as a hammer strike, is applied to the structure. In addition, ultrasound techniques have higher sensitivity to both surface and subsurface defects, which make the defect detection more accurate. Three structures considered for this study are: 1) a longitudinal beam, 2) a lifting weight, 3) an actual rail-wheel. A longitudinal beam was used at the first step for a better understanding of physics of the ultrasound propagation from the defect, as well, develop a method for extracting the signature response of the defect. Besides, the inherent directionality of the ultrasound microphone increases the signal to noise ratio (SNR) and could be useful in the noisy areas. Next, by considering the ultimate goal of the project, lifting weight was chosen, due to its similarity to the ultimate goal of this project that is a rail-wheel. A detection method and metric were developed by using the lifting weight and two type of synthetic defects were classified on this structure. Also, by using same extracted features, the same types of defects were detected and classified on an actual rail-wheel. / Master of Science

Les alliages d’aluminium constituent environ 80 % des structures d’avions d’affaire Dassault Aviation. Ils sont choisis pour leur bonne tenue mécanique spécifique (rapportée à leur densité) et pour leur coût. Cependant, ils sont spécifiés pour des applications généralement limitées à la plage de températures comprises entre -55 et +85 °C. Qu'en est-il de leur emploi, volontaire ou accidentel, au delà de 85 °C ?L’objectif de cette thèse est de déterminer l’évolution des caractéristiques des alliages d’aluminium courants en fonction des facteurs temps/température/chargement imposés pour un large intervalle de températures (85 à 250 °C) et des durées comparables à celles en service (1 à 10 000 h). Pour cela deux nuances sont étudiées : le 2024 aux états T3 et T8 et le 5086 à l’état H111 et testées à différentes températures, avec ou sans vieillissement artificiel en corrélation avec leur évolution structurale afin d’appréhender les évolutions potentielles d’une pièce de structure aéronautique tout au long de sa vie.La finalité de l’étude est de générer une cartographie complète microstructure/propriétés dans un large domaine de température et pour de courtes et longues durées de vieillissement. Un couplage avec des méthodes de contrôle non destructives sera également établi afin de déceler les pièces surexposées en température et d’accéder à leurs propriétés rémanentes résultantes de l’évolution de leur microstructure. / Aluminum alloys possess low weight and cost and have a high strength which makes them one of the most used materials in aircraft industry. Their operating temperature is included in the range of – 55 to + 85~°C. Nevertheless, the literature data are lacking for aluminum alloys exposed at temperature significantly higher than 85~°C.The aim of this study is to characterize the microstructural and mechanical properties evolution of aluminum alloys as a function of the time, temperature and load after different times of exposure at temperatures above 85 °C.2024 T3 and T8 and 5086 H111 alumnium alloys were artificially aged at different temperatures in the range of 85 to 250~°C for different durations, comparable to service time, varying from 1 to 10~000~h. Then, the mechanical properties were investigated in regard of the microstructural evolutions.Finally, a microstrure/properties map was obtained in a wide range of temperatures and for short and long durations of aging. Non destructive tests were also carried out in order to detect parts exposed in temperature and assess to their remanent properties.

Proper design of bridge structures requires an appreciation for the possible failure mechanisms that can develop over the lifetime of the bridge, many of which are related to natural hazards. For example, scour is one of the most common causes of bridge failures. Scour occurs due to the erosion of soil and sediment within a channel with flowing water. During a flood event, the extent of scour can be so great that it can destabilize an existing bridge structure. In order to evaluate the scour potential of a bridge, it is necessary to have information regarding the substructure, particularly the bridge foundations. However, as of 2011 there are more than 40,000 bridges across United States with unknown foundations. Generally for these bridges there are no design or as-built plans available to show the type, depth, geometry, or materials incorporated into the foundations. Several non-destructive testing (NDT) methods have been developed to evaluate these unknown foundations. The primary objective of this research is to identify the most current and widely used NDT methods for determining the embedment depth of unknown bridge foundations and to compare these methods to an ultrasonic P-wave reflection imaging system. The ultrasonic P-wave reflection system has tremendous potential to provide more information and address several short-comings of other NDT methods. A laboratory study was initiated to explore various aspects related to the P-wave system performance, in order to characterize the limitations of the system in evaluation of unknown foundations prior to deployment in field studies. Moreover, field testing was performed using the P-wave system and a number of the current NDT methods at two selected bridge foundations to allow comparison between the results. / Civil Engineering

A period of cement hydration is one of critical in the life span of concrete structures. One of the reasons of collapse of concrete structural elements during and after construction is the error in determining the concrete characteristics at early age. Recently, non-destructive test emerged as a popular way to evaluate the properties of cement-based materials. This test offers continuous measurements of concrete properties as well as ability to monitor any changes in the current state of structural materials. In the existing research, some of these methods fail to capture well properties of the materials in the plastics stage. A new piezoelectric pulse testing device (Piezoelectric Ring Actuators Technique), (P-RAT ) was initially developed at the University of Sherbrook as a non-destructive test (NDT ) for soil. This technique is considered a completely new, versatile, advanced and accurate. The development of the new technique (P-RAT ) was done on two main bases: the first was the development of piezoelectric ring actuators set-up and the second is the development of the interpretation method. The setup is composed of two main units; emitter and receiver, and is capable of measuring shear and compression wave velocities in specimens. With this technique, many problems of pulse tests, which make interpretation of results difficult and ambiguous, were solved in soil. The P-RAT overcomes wave reflections at boundaries (end-caps and sides), sample disturbance, weak shear coupling between soil and device (interaction) as well as the fixation problems, low resonant frequency and limited input voltage of the existing device. The previous method is exploited forward to measure the hydration properties of cement-based material. To apply this test method, it is necessary to determine how the evolution of shear wave velocity can be related and sensitive to the hydration of cement-based materials. Validation of the P-RAT with four conventional test setups that can be used to monitor early setting and hydration of cement-based materials is carried out. These tests include penetration resistance to monitor initial and final setting respectively, calorimetric to monitor heat of hydration, electrical conductivity to monitor change in continuity of the pore structure and compressive strength at 24 hours. The phase one of this investigation included trial tests to investigate the possibility of employing the original setup used for soil (P-RAT ) to determine setting and hardening properties of cement-based material. Based on the results of the preliminary test, two modifications were conducted to the previous test device to fit with cement based material and to obtain adequate resonant frequency for cement-based materials. These modifications are the design of the container and changing the dimensions of the rings. The resultant version of P-RAT after the modification was referred to be as P-RAT2 . Calibration of the P-RAT2 with water specimen was undertaken using the compression wave velocity and resulted in 99.33% accuracy. One paste mixture was tested three times to determine the experimental error of the P-RAT2 . The repeatability carried out on the P-ART2 proved the ability of this setup to capture accurate results of the shear wave velocity. This relative error is limited to 9 %. A number of series of validation was performed on cement paste and mortar mixtures proportioned with various water cement ratios (w/cm ) as well as chemical admixtures. The w/cm ratio ranged between (0.35 and 0.50). The investigated chemical admixtures comprise of high-range water-reducing agent, viscosity-modifying agent, set-accelerating agent, and set-retarding agent. The presented validations examine the ability of a P-RAT2 to monitor the hydration of the cement-based materials. The hydration is characterized by setting time, heat of hydration, electrical conductivity, and compressive strength at 24 hours. The results obtained using the P-RAT2 was correlated to those obtained using the conventional tests and strength measurement. The results enable to validate the ability of P-RAT2 to accurately detect variations in the hydration of cement-based materials. In addition, the initial and final time of setting can be determined from the derivation of velocity vs. time curve. The results show that conductivity, resistivity, has a bilinear relationship to shear wave velocity. The compressive strength at 24 hours was correlated to both the shear wave velocity and shear modulus obtained using the P-RAT2 . Furthermore, analytical model was derived to estimate the w/cm in mortar mixture by measuring the shear wave velocity (V[subscript s] ) and the corresponding time (t )||Résumé : La période d'hydratation du ciment est l'une des périodes clé du cycle de vie des structures en béton. L'une des raisons de l'effondrement d'éléments structuraux en béton pendant et après la construction peut être attribuée à une détermination des caractéristiques au jeune âge erronée. Depuis quelques années, l’auscultation des structures est devenue une méthode très populaire pour évaluer les propriétés des matériaux cimentaires. Cette méthode permet d'obtenir les propriétés du béton en continue et possibilité un suivi de changements dans I'état des matériaux structuraux. Dans I'état actuel de la recherche dans ce domaine, certaines méthodes ne sont pas adéquates pour bien mesurer les propriétés des matériaux à I'état plastique. Un nouvel appareil d'essai à impulsions piezoélectriques (Piezoelectric Ring Actuators technique), (P-RAT) a initialement été développé à l’Université de Sherbrooke comme technique d'auscultation des sols. Cette technique est considérée complètement nouvelle, polyvalente, évoluée et précise. Le développement de cette nouvelle technique (P-RAT) a été effectué en deux volets : la première sole est le développement du dispositif de vérin de commande annulaire piezoélectrique et le deuxième est le développement d'une méthode d'interprétation. Le dispositif d'essai est composé de deux unités principales, un émetteur et un récepteur. Et permet de mesurer la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et de compression. Grâce à cette technique, plusieurs des problèmes associés aux dispositifs d'essais par impulsion des ondes, qui rendent les résultats ambigus et difficiles à interpréter, ont été résolu pour les sols. Le dispositif P-RAT surmonte les problèmes de réflexion des ondes aux limites (embouts et côtés), la perturbation de l’échantillon, le couplage de cisaillement faible entre le sol et l'appareil (interaction) ainsi que les problèmes de fixation, la faible résonnance des fréquences et le voltage d'entrée limité du dispositif. La méthode décrite a été utilisée pour mesurer les propriétés d'hydratation des matériaux cimentaires. Pour pouvoir appliquer cette méthode, il faut déterminer comment l’évolution de la propagation des ondes de cisaillement peut être reliée à l'hydratation des matériaux cimentaires et être sensible à ces dernières. La validation de la méthode P-RAT est réalisée, à l'aide de quatre configurations conventionnelles que l’on peut utiliser pour faire le suivi de la prise et de l'hydratation des matériaux cimentaires. Ces essais consistent à la résistance à la pénétration afin de pouvoir déterminer la prise initiale et finale, la calorimétrie pour suivre l’evolution de la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique pour effectuer le suivi de la structure des pores et la résistance à la compression à 24 heures. La phase 1 de l'étude comprend des essais pour évaluer la possibilité d'utiliser la configuration originale utilisée pour les sols (P-RAT) pour déterminer les propriétés de prise et de durcissement des matériaux cimentaires. Selon les résultats des essais préliminaires, deux modifications ont été effectuées à l'appareil original pour permettre son utilisation avec des matériaux cimentaires et pour obtenir une fréquence de résonnance raisonnable sur les matériaux cimentaires. Les modifications effectuées sont la conception du contenant et un changement de la dimension des anneaux. La version modifiée du P-RAT est designée P-RAT2. La calibration du P-RAT2 à l'aide d'échantillon liquide sous propagation d'ondes de compression a été menée, avec des résultats d'une précision de 99,33 %. Un mélange a été testé trois fois pour déterminer l'erreur expérimentale du P-RAT2. La répétitivité des essais sur le PART2 a démontré la capacité de cet appareil à produire des résultats de cisaillement de propagation des ondes de cisaillement très précis. L'erreur relative se limite à 9 %. Une série d'essais de validation a été menée sur des mélanges de pâte de ciment et de mortier de rapport eau/ciment variés (e/c) ainsi qu'avec des adjuvants. Le rapport e/c variait entre 0,35 et 0,50. Les adjuvants utilisés étaient des supers plastiflants (réducteur d'eau), des agents de viscosité, des agents accélérateurs de prise et des agents retardateurs de prise. Les validations présentées ont pour but de valider la capacité du P-RAT2 à suivre l'hydratation des matériaux cimentaires. L'hydratation est caractérisée par le temps de prise, la chaleur d'hydratation, la conductivité électrique et la résistance à la compression à 24 heures. Les résultats obtenus à l'aide du P-RAT2 ont été comparés à ceux obtenus à l'aide d'essais de mesure des caractéristiques physiques et de résistance traditionnels. Ces résultats permettent de valider la capacité du P-RAT2 à détecter avec précision les variations dans l'hydratation des matériaux cimentaires. De plus, le dispositif P-RAT2 peut avoir une correction avec mesure obteniez avec les appareils traditionnels. II est aussi possible de déterminer le temps de prise initial et final à l'aide d'une courbe de propagation vs le temps. Les résultats montrent que la conductivité et la résistivité ont une relation bilinéaire à la propagation des ondes de cisaillement. La résistance à la compression à 24 heures a été comparee à la fois à la propagation des ondes de cisaillement et au module de cisaillement obtenus avec le P-RAT2. De plus, un modèle analytique a été établi pour estimer le rapport e/c dans le mélange de mortier en mesurant la propagation des ondes de cisaillement (V) correspondant au temps (t).

Les travaux proposés portent sur la caractérisation par rayons X des matériaux, en vue du tri de certains d'entre eux dans un flux de déchets. L'objectif final du tri est la valorisation de certains matériaux par le biais des circuits de recyclage. Deux méthodes d'analyse utilisant les rayons X sont décrites : la méthode par transmission bi-énergie et la fluorescence X. Ces deux méthodes sont abordées sous un angle théorique et expérimental. Le mémoire se compose de trois parties. La première partie présente le contexte général de l'étude, les différents scénarios de tri envisagés, les différentes méthodes existantes ainsi que les machines de tri industrielles déjà commercialisées. La seconde partie est consacrée à l'analyse par transmission X bi-énergie. Dans cette partie nous présentons tout d'abord le principe de la décomposition d'un matériau dans une base de deux autres matériaux. Ensuite nous utilisons un code de simulation analytique développé au laboratoire afin d'une part d'optimiser la géométrie du détecteur mais également de prévoir les performances de cette méthode en fonction des scénarios et des matériaux recherchés. Nous avons introduit un critère permettant de quantifier la performance d'un scénario donné. Cette méthode a permis de montrer que plusieurs scénarios de tri et en particulier celui du tri des retardateurs de flamme dans un flux de plastiques sont envisageables par cette méthode. Un prototype de machine industrielle a été construit par la société Bertin Technologies et installé dans les locaux de la société Pellenc ST pour réaliser des tests en conditions réelles de tri. Les résultats de simulation ont été comparés aux essais en conditions réelles. Cette partie se conclue avec une introduction aux méthodes multi-énergie. La troisième et dernière partie s'intéresse à la fluorescence X. L'objectif est de mettre au point une méthode permettant d'identifier la nature du matériau en tenant compte des contraintes industrielles (temps d'acquisition faible), c'est-à-dire lorsque le niveau de signal contenu dans le spectre de fluorescence est faible et bruité. Un banc expérimental a été mis au point au laboratoire et a permis de définir la limite de détection qui dépend du matériau analysé et du temps d'acquisition pour réaliser la mesure. Le second point développé dans cette partie est la mise au point d'une technique de simulation de fluorescence combinant le calcul analytique et le calcul par méthode Monte Carlo. L'avantage de cette technique est d'avoir une méthode de simulation plus rapide par rapport à un calcul qui serait réalisé entièrement par Monte Carlo. En conclusion, nous discutons de la complémentarité des informations issues de ces différentes techniques ainsi que leurs avantages et inconvénients. / The proposed work focuses on the characterization of materials by X-ray to sort some of them in a waste stream. The main aim is the valorization of certain of these materials through recycling loops. Two methods of analysis using X-rays are described : dual energy X-ray transmission and X-ray fluorescence. These two methods are discussed from a theoretical and experimental point of view. The memory consists of four parts. The first part presents the general context of the study, the different sorting scenarios considered, the existing methods and industrial sorting systems already in application. The second part is devoted to analysis by dual energy X-ray transmission. In this section we first present the principle of decomposition of a material in a basis of two other materials. Then we use the VXI simulation tool to optimize the geometry of the detector and to predict the performances of the method according to the scenarios and refined materials. This method showed that several sorting scenarios and particularly sorting of flame retardants in plastic flow are possible by this method. An industrial prototype was built by Bertin Technologies and installed in the premises of Pellenc ST to realize sorting tests under actual conditions. Then the results of simulation have been compared to these tests. This section concludes with an introduction of multi-energy methods. The third part deals with X-ray fluorescence. The aim is to develop a method to identify the nature of the material even if the signal contained in its fluorescence spectrum is low and noisy. A experimental bench was developed in the laboratory to define the limit of detection wich depends on the material analyzed and the acquisition time of the measurement. The second point developed in this part is the development of a simulation technique that combines fluorescence analytical calculation and Monte Carlo calculation. The advantage of this technique is to have a faster simulation method compared to a calculation that would be fully realized by Monte Carlo. In conclusion, we discuss the complementarity of information extracted from these different techniques and their respective advantages and drawbacks.

La compréhension du comportement d'un composite à matrice céramique (CMC) lorsqu'il est sollicité en fatigue est l'un des points clés pour permettre son utilisation dans un cadre industriel. Il est en effet nécessaire de déterminer la chronologie des différents mécanismes d'endommagement ainsi que d'estimer la durée de vie en conditions d'utilisation. Il est alors nécessaire de réaliser une caractérisation mécanique mais aussi de définir des indicateurs d'endommagement permettant la prévision de durée de vie. Dans ce but, il est intéressant de coupler l'analyse des paramètres mécaniques et les observations microstructurales à des techniques de suivi en temps réel de l'endommagement. L'émission acoustique (EA) est une méthode de suivi non destructive qui permet de répondre à cette problématique. Elle permet notamment de quantifier et de localiser l'endommagement. Dans ce travail, de nouveaux indicateurs d'endommagement sont mis en place tels la "Sévérité" des signaux définie à partir de l'énergie acoustique ainsi que la "Sentry function" définie à partir de l'énergie acoustique et de l'énergie mécanique. Ce travail s'articule autour de deux principaux axes. Dans un premier temps il s'agit de caractériser les effets de la sollicitation cyclique sur ce type de matériau, ceci notamment en comparant l'évolution des paramètres mécaniques, les observations microstructurales ainsi que l’analyse de l'évolution globale de l'émission acoustique (EA) lorsque le matériau est soumis à un chargement statique et à un chargement cyclique. La seconde partie consiste à déterminer un scenario d'endommagement. Dans un premier temps, les signaux d’EA sont analysés en fonction de leur détection dans le cycle (charge/décharge). Ensuite la détermination de la signature acoustique des différents mécanismes d'endommagement par application de techniques de reconnaissance de formes supervisées a permis d'évaluer leur chronologie d'activation durant les essais de fatigue cyclique. Cette étude a permis de mettre en évidence un ensemble de mécanismes propres à la sollicitation cyclique, composé principalement de décohésion et de frottement aux interfaces fibre/matrice et matrice/matrice. De plus, l'utilisation de l'émission acoustique a permis de définir des temps caractéristiques ou critiques pouvant être utilisés dans un objectif de prévision de la durée de vie. En effet, par exemple la sévérité des signaux a permis de mettre en évidence un temps caractéristique situé entre 25 et 45% de la durée de vie du matériau. La détection en temps réel de ce temps caractéristique permet d'estimer la durée de vie restante. / The full understanding of a ceramic matrix composite under fatigue loading is needed in view of industrial applications. It is necessary to determine the damage mechanisms chronology and to be able to forecast the lifetime of the material in the conditions of use. To reach these purposes, a mechanical characterisation has to be done as well as the definition of damage indicators. It is then interesting to link the analysis of mechanical parameters and microscope observations with a non-destructive monitoring technique. Acoustic emission (AE) appears to be a good candidate to monitor material damage under loading. It makes the quantification and the material damage localisation possible. In this study, indicators based on released acoustic energy are used as "Severity" of signals or "Sentry function" which depends on both acoustic and mechanical energies. This work is organised in two parts. First, the analysis of mechanical parameters behaviour, material microstructure and global evolution of acoustic emission under static and cyclic loading makes the characterisation of the effects of cyclic fatigue on the material possible. The second part consists in determining a damage scenario. First acoustic emission signals are analysed depending on their acquisition during a cycle (loading or unloading). Then the connection between the acoustic emission signals and the different damage mechanisms, using a supervised clustering method, facilitated the estimation of the activation of these different damage mechanisms during cyclic fatigue tests. This study pointed out different damage mechanisms generated by cyclic loading, which are mainly debonding and friction at matrix/fibre and matrix/matrix interfaces. In addition, damage indicators based on acoustic emission enabled to determine characteristic times which can be used for lifetime forecast. For example, signal severity shows a characteristic time between 25% and 45% of the time to ultimate failure. Detection of this time in real-time during a test can be used to estimate the time of the ultimate failure of the material.

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