Les méthodes électromagnétiques

01/09/2017
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19749
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Les méthodes électromagnétiques

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m Dossier LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Les méthodes électromagnétiques Michel LEMISTRE et Dominique PLACKO Ecole normale supérieure de Cachan, Laboratoire SATIE Mots clés Contrôlede santé intégré, Matériauxet structures intelligents, Electromagnétisme, MSPR(DPSM), Modélisation Dans le domaine du contrôle de santé structural intégré, les méthodes électroma- gnétiques sont peu utilisées. Elles présentent pourtant un fort potentiel, ce qui les rend très prometteuses. Introduction Une alternative intéressante aux méthodes de contrôle de santé intégré en cours de développement (méthode acousto-ultrasonore notamment) pour les structures en matériaux composites renforcés par des fibres de carbone (matériaux faiblement conducteurs) ou de verre (diélec- triques) pourrait être un système sensible aux caractéris- tiques électriques de ces matériaux. Il y a une vingtaine d'années, des études concernant la compatibilité électro- magnétique, et plus particulièrement les caractéristiques de blindage des structures carbone-époxy [4], ont conduit à des résultats qui peuvent être exploités dans le domaine du contrôle non destructif (CND) par des mesures de champ magnétique [5]. Ce concept peut être étendu aux structures diélectriques (par exemple les matériaux verre-époxy) par des mesures de champ électrique. Les bons résultats obtenus pour des applications CND permettent d'étendre ces méthodes au domaine du contrôle de santé intégré [6]. La sensibilité d'un tel système est très grande pour la détection d'endommagements induisant des variations de caractéristiques électriques dans les maté- riaux (rupture de fibre, brûlures et absorption de liquides). Le développement récent d'une nouvelle méthode numé- rique permettant, avec peu de moyens informatiques et un faible temps de calcul, de simuler des phénomènes électromagnétiques complexes, par une comparaison mesure/calcul en temps réel, a permis de faire de nouveaux progrès dans ce domaine. Il est maintenant possible de déterminer l'origine et l'étendue de l'endom- magement détecté. 2. Considérations théoriques 2.1. Comportement électromagnétique des matériaux diélectriques Un matériau diélectrique est sujet au phénomène de polarisation. En espace libre, la première équation de Maxwell peut s'écrire : .. (1) ESSENTIEL Une étude du comportement électromagnétiquedes matériaux composites à base de carbone à permis de développer une nouvelle méthode de contrôle non destructif. L'utilisation d'un concept original de simulation numérique, ouvrant la voie à la résolutiondu problème inverse,permet alorsde développerun système complet de contrôle de santé structurale intégré, basé sur l'analysedes caractéristiquesélectriquesdes matériauxcom- posites carbone. Le système présenté,appelé HELP-Layer (D,est capable de détecter, de localiser et d'estimer la sévérité de presquetous les types d'endommagementque peut subir une structureen utilisation. SYNOPSIS A study concerning the electromagnetic behaviour of carbon composite materialshasallowedto developa new method of Non Destructive Evaluation.By using of an original numerical simula- tion method allowing to solve the inverse problem, it has been possible to develop a fully structural health monitoring system based on the analyslsof electrical characteristicsof carbonepoxy composite materials. The presented system so called HELP- Layer (D,is able to detect, localize and characterize practically all types of damagesthat one canfind inside a structure in use. REE N'1- Fcvi ier 2006 Les méthodes électromagnétiques f l' étant le champ électrique, p la densité de charges élec- triques et Eo la permittivité diélectrique de l'espace libre (8,84 10-12 F/m). Dans un matériau diélectrique, la densi- té de charges est la somme de deux termes : la densité des charges libres et la densité de charges due au phénomène de polarisation (P..+ ? ;...'). On peut définir un vecteur de polarisation par la relation suivante [7] : - - Si " est le champ incident, l'équation (1) devient : (2) f-'117+ p F f) ii l, F,c ( 1, 1, (3) Dans le cas d'un matériau purement diélectrique (par exemple verre-époxy), on peut détecter la variation locale du vecteur polarisation consécutif à une variation locale de s induite par un endommagement, en illuminant la struc- ture avec un champ électrique (c'est-à-dire par une antenne électrique en champ proche) et en mesurant le champ électrique total résultant L E 1 E i) 7 + (E, - 1) i,i l, (4)1 1 où Er représente la valeur de la permittivité diélectrique relative du matériau, E, étant le champ local au niveau de l'endommagement. La figure 1 montre l'image électrique obtenue sur un échantillon de verre-époxy sandwich de 8 mm d'épaisseur (verre-époxy 3 mm, mousse 4 mm, verre-époxy 1 mm) dans lequel il y a un manque de mousse dans la partie inférieure. Manque de mousse . Figtire 1. Image électriqtie dtin échantillon en ; natériati composite sandwich diélectrique. 2.2. Comportement électromagnétique des matériaux carbone-époxy multicouches Les matériaux carbone-époxy sont des milieux complexes. Une partie présente une certaine conductivité électrique due à la présence des fibres de carbone, l'autre, constituée de résine, peut être considérée comme dié- lectrique. La conductivité électrique de la partie conductrice du matériau est environ 10 4fois plus faible que celle d'un métal bon conducteur, tel le cuivre. Un champ magné- tique traversant un tel matériau est atténué suivant une fonction d'intégration du premier ordre, donnée par la rela- tion suivante : (5) dans laquelle est le champ magnétique traversant le matériau, , le champ magnétique en l'absence de matériau, co étant la pulsation du champ incident et CD, la pulsation de coupure. Cette pulsation de coupure dépend de la conductivité du matériau cr et de son épais- seur e, elle est donnée par la relation suivante : k (t) L (7e (6) dans laquelle K et p. sont respectivement un paramètre fonction de la géométrie du capteur et la perméabilité magnétique du matériau. Dans le cas d'un matériau non magnétique (c'est-à-dire carbone-époxy), jj. = u.,, 4 n 10-' H/m. Par la mesure du champ magnétique local, on peut détecter la variation locale de conductivité induite par un endommagement. La figure 2 montre l'image magnétique (6 cm x 6 cm) obtenue sur un échantillon de carbone- époxy multicouche dont la séquence d'empilement est [45, 01 - 45, 90,], quasi isotrope, comportant un délami- nage réalisé par un impact à une énergie calibrée de 4 J. Dans le cas de ce type de matériau, on peut aussi utiliser les propriétés diélectriques de la résine sujette à cti - 4c -- -CI - n 1 i 17 - 1 1 4ci k Figtii-e 2. Iiiiage iiiagnéticlite d'tin échantillon de carbone-éloxy inclitaiit zin délaiiiinage. REE No 2 Fcvi icr 2006 ----p [) () Ssier m 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ - , -1î 11 -1 1 1 1 1 1 Ili-,, , 1! , ,! 41 4 , -4 1 1 1 ll 1 1. 1....1 .. Il I..r. T r T...Il. ii 1 -, --, 4 e F' : : - lit ;. ; ,1 c , ; 1 l'1 i.......i........ï....y.... 1 1, f 1 1.. 1'l 1 4 e :", eo li'l1 (ci) (b) Figure 3. Images électi-iqiie,y diii7 échcintilloli Clépox'v coiiipoi-taiit tine bi-filtii-e. brîrlure sezrle, (b) avec absorplion d'eazr, (c) avec absorption d'huile. variation de permittivité t,. Il importe toutefois d'exciter la structure par un champ magnétique afin d'induire 11 une densité de courant. !. La troisième équation de Maxwell peut s'écrire : Les figures 3a, 3b et 3c montrent respectivement les images électriques obtenues sur une plaque de carbone- époxy comportant une brûlure réalisée par arc électrique (fig. 3a), le même défaut avec absorption d'eau (fig. 3b) et le même défaut avec absorption d'huile (fig. 3c). V l-, f (7) dans laquelle représente l'induction magnétique. Dans un milieu conducteur, le champ électrique induit une densité de courant 9 " a , c étantla conductivité. Pendant le processus de polarisation du diélectrique (c'est-à-dire la résine), est la somme de deux termes : (terme de conduction dans le carbone) et (terme dû à la polarisation de la résine). On peut aussi dire que le champ électrique résultant E, est la somme du champ de conduction et du champ de déplacement Toutefois, le champ de conduction est pratiquement nul (milieu conducteur), sauf dans le cas où il y a une diminution significative de la conductivité (par exemple rupture de fibres). Il est donc possible de détecter les dif- férents endommagements se traduisant par des variations de c et/ou de r,, grâce à la mesure du champ électrique résultant d'une illumination en champ magnétique proche. La relation qui donne la valeur du champ électrique total résultant ., est la suivante : Ce concept appelé " concept hybride " est particulièrement sensible aux endommagements produits par une brûlure locale ou une absorption de liquide (eau, huile, etc.). 3. Application au contrôle de santé intégré Les méthodes électromagnétiques peuvent être étendues au concept de contrôle de santé intégré par implémenta- tion d'un réseau de capteurs. Il y a quatre méthodes possibles. Les deux premières consistent à analyser le champ magnétique traversant la structure sous test. Ce principe est uniquement utilisable sur des matériaux conducteurs (par exemple les carbone-époxy). La troisième méthode basée sur le " tout électrique " (c'est-à-dire excitation et analyse en électrique) est quant à elle uniquement utilisable sur les matériaux diélectriques (par exemple verre-époxy). La dernière, appelée méthode active hybride, dérivée de la précédente, est utilisable sur des structures conductrices. Elle a été récemment développée à l'Onera, et un démonstrateur a été construit. Les principaux résultats sont présentés dans la référence [6]. Le tableau 1 résume les quatre méthodes pos-sibles et les matériaux sur lesquels elles s'appliquent. Exitation Détection H Méthode 3 Compositesrenforcés pardesfibres de verre x H Méthode 4 Compositesrenforcés pardesfibres de carbone Méthodes 1 et 2 Compositesrenforcés pardesfibres de carbone Tableait 1. Les différentes iiiéthodes électi-oiiïagnétiqiies de contrôle de santé intégrés possibles et les types de znatériazrx cornposites auxquels elles s'appliguent. REE N' ? Fevrier2006 Les méthodes électromagnétiques L'approche purement magnétique (c'est-à-dire méthodes 1 et 2) nécessite, soit la présence de deux réseaux, respecti- vement sur chacune des faces de la structure (méthode 1), ce qui représente une contrainte, soit un seul réseau, mais il est alors nécessaire d'illuminer la structure avec une source externe (méthode 2) ; dans ce dernier cas, on ne peut plus parler de méthode pleinement intégrée. En revanche, les troisième et quatrième méthodes posent les bases d'un système de contrôle de santé pleinement intégré sous la forme d'un double réseau positionné sur une seule face de la structure, de préférence sur la face interne pour des raisons pratiques. Ce double réseau peut également être intégré à l'intérieur d'un matériau multi- couche, lors de sa fabrication. 4. Le système HELP-Layer® La HELP-Layer " est composée d'un circuit imprimé sur un substrat diélectrique de 100 tm d'épaisseur incluant un double réseau de conducteurs croisés (figures 4). Par balayage de ces réseaux, on peut accéder à la mesure locale du champ électrique résultant, chacune des zones analysées ayant une dimension de 20 mm x 20 mm (distance entre deux conducteurs successifs pour chacun des réseaux). Le réseau d'induction est excité par un signal harmo- nique de fréquence fondamentale 700 kHz. Un système d'acquisition balaye les capteurs de champ électrique, et construit une matrice de points qui forment la carto- graphie du champ électrique en surface de la structure. Les données sont alors envoyées sur un calculateur de type PC afin d'effectuer un traitement d'images. La figure 5(a) montre les différents dommages subis par la structure instrumentée. Deux impacts calibrés ont été effectués : Ii avec une énergie de 2 J, induisant un léger délaminage et l, avec une énergie de 4 J, induisant un délaminage plus sévère avec probablement ruptures de fibres. Par ailleurs, quatre brûlures ont été effectuées par arc thermique (30 V, 5 A) de différentes durées induisant V 0) (a) . ....- "... 7 \ ".-..-.... " : s... .___'' " _ : ________________________________________ Figure 4. Clichés de la sti@ticttii*e instriiiiieiitée. (a).-face interne. (b).-face externe. des endommagements de sévérité croissante : B, (énergie de 40 J), B,, (énergie de 80 J), B, (énergie de 120 J) et B, (énergie de 400 J). Sur la figure 5, les coordonnées x, y sont affichées en pas de maillage de la grille de la HELP-Layer " (c'est-à-dire distance entre deux capteurs électromagnétiques). Les résultats obtenus par la méthode électromagné- tique sont présentés sur la figure 5(b). On remarque que tous les endommagements sont parfaitement détectés, à l'exception de 1, (impact à 2 J), ce qui est probablement dû au fait que ce léger délaminage n'a pas induit de rupture de fibre ; il n'y a donc pas de variation des caractéristiques électriques du matériau. Cependant, la légère brûlure B (40 J) est faiblement visible, ce défaut représente certaine- ment le seuil de détection de la méthode. 13 7' 14- il l3 ztllCU11.11yCC 12.I ü I'1rz2111.&r!' 12 1`< K M13 Z('l1èanalysec'E Zü:neillloll)iSt.e. 12- 12- ic - 12 o- <* B4 r. A " 0 - TT A - " B3 : ,, B4 B2 * Dj gl .. 6 Il' "... 6 1 11 K'11 i- t 3 3 3- 1 1 Û 1 0 ti - 7 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 q t 1 1 Û 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lu II12131411 1É 1^ 16 IQ202. 2 2 24255 2728293) 1 1 3 4 14 15 Ir LI " L4 p ic1.1 16 r 3 l'Le (a) (b) .F-ip,tires 5. (a).- siriictitre endoiniiiagée - (b) résitltats obtenzis pai- la méthode électroiiîagnétiqite. REE No 2 Fevrier2006 . Dossier) 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Kapton 100 lim 1: -- : : ? Z :. ---- 1> -11, - 4-- Il - E Field serjsors y x Induc-tive-1-ines a 2cmX2cm A v IiFtdiwfive lin es x ib Efiold ,Seyi sors B b c Figures 6. Partie active dît HELP-Layer (W. a.- vue en coupe - b. réseau d'indtiction ; c.- réseau d'analyse 5. La méthode de simulation numérique D. Placko, N. Liebeaux (de l'ENS Cachan) et T. Kundu (de l'université de Tucson, Arizona) ont développé une nou- velle méthode de simulation numérique appelée DPSM (Distributed Point Source Method), en français MSPR (méthode des sources ponctuelles réparties) [2], [3]. La principale particularité de cette méthode, permettant de simuler pratiquement tous les phénomènes physiques, qu'ils soient statiques ou propagatifs (c'est-à-dire ultrasons, électrostatique, magnétostatique et électromagnétisme), réside dans le fait que, contrairement aux méthodes classiques utilisant les éléments finis, il n'est pas néces- saire de mailler tout le volume de calcul, mais uniquement les surfaces d'intérêt. Ce qui permet d'économiser énormé- ment de mémoire et de temps de calcul. Là où une simulation par EF demande plusieurs heures de calcul sur une station de travail, elle ne réclame que quelques minu- tes sur un simple PC portable. Compte tenu de ce fait, il a été envisagé d'implémenter cette méthode dans l'algo- rithme de traitement des signaux du système HELP- Layer ". Les résultats ont dépassé nos espérances, puisque cela nous a permis de faire évoluer la technologie du système [7]. En effet, les simulations préliminaires ont apporté les informations suivantes : i) Le système HELP-Layer'est plus sensible aux variations de permittivité E, qu'aux variations de conductivité c. Ce qui explique la plus faible sensibilité du système aux endommagements d'origine mécanique (c'est-à-dire impacts, fatigue..., qui ne produisent que des variations de a par rupture de fibres) qu'aux endommagements d'origine thermique et chimique (c'est-à-dire brûlures, ingestion de liquides qui induisent des variations locales de permittivité). ii) Seules les variations de permittivité induisent une composante significative de champ électrique normale au sens de conduction. C'est une infor- mation importante, puisqû elle permet de caracté- riser un endommagement par la mesure des deux composantes orthogonales du champ électrique résultant. 6. Évolution de la technologie du système HELP-Layer Les figures 6 montrent la partie active du HELP-Laye, qui est composée de trois couches de Kapton. Entre les deux premières couches on trouve le réseau d'induction forme par une série de conducteurs parallèles court-circuités à une extrémité, chaque paire de lignes formant une boucle élémentaire. Entre les deux couches suivantes, se situe un réseau de lignes perpendiculaire au premier, ces lignes sont en circuit ouvert aux deux extrémités. Chaque paire de ligne forme un condensateur dont la capacité est sensible à la composante électrique qui lui est perpendiculaire, et parallèle au sens du courant induit par le premier réseau. Une mesure en mode différentiel permet d'avoir accès à cette composante. Chaque ligne de ce second réseau, prise individuellement peut être considérée comme une antenne capacitive, sensible à l'autre composante du champ E (c'est-à-dire perpendiculaire au sens du courant induit). Une mesure en mode commun sur chacune de ces lignes permet d'accéder à cette composante. REE N 2 Fevrier2006 Les méthodes électromagnétiques --- ( tyleasured "-"m',/ -*'ft j.' - Efectnc XDI Electric i Jon y damage ! ""--.- " ' " " PAechariical damage - -' r n'ri7j . r, f 'rri..am I i ' ? : j ''llalue'Jalue Mechsrcs ! dzirniqe,CiîÏèl3t.78 Figures 7.Algorithme de résollitioii du problèiiie inierse. La mesure simultanée des deux composantes tangen- tielles à la structure sous test, alliée à un calcul de ces mêmes composantes, permet de résoudre le problème inverse. L'algorithme de calcul est présenté sur la figure 7. La première étape consiste à déterminer si la compo- sante E y (composante normale au sens de conduction) est significative (c'est-à-dire > 10-'V/m). Si cette compo- sante n'est pas significative, l'endommagement est d'origine mécanique (crique, rupture de fibres) ; on calcule alors la valeur de (composante parallèle au sens de conduc- tion) par itération sur les valeurs de 6. Lorsque la valeur calculée est égale à la valeur mesurée, la dernière valeur de c correspond à la conductivité du matériau endomma- gé, l'écart entre cette valeur et la valeur correspondant au matériau sain donne une information sur la sévérité de l'endommagement. Dans l'hypothèse où la valeur de / " 1 est significative, l'endommagement détecté n'est pas d'origine mécanique (brûlure, ingestion de liquide). On calcule alors la valeur de E y paritération sur E, lorsque le calcul égale la mesure, la dernière valeur de £, donne une première information sur la sévérité de l'en- dommagement. On vérifie alors que pour cette même valeur de permittivité, calculé est égale à mesuré, si c'est le cas, le calcul s'arrête. Sinon on procède à nouveau par ité- ration sur L', avecles valeurs de a. En effet, une brûlure sévère peut, soit occasionner des ruptures de fibres, soit faire varier la conductivité par carbonisation de la résine. On notera par ailleurs que, dans le cas de rupture de fib- res, la conductivité locale diminue, alors que dans le cas de carbonisation de la résine elle augmente. La durée totale du calcul pour une structure rectangulaire de 50 x 30 cm, avec un pas de 2 cm en x et 2 cm en y, varie entre 40 s et 1 mn 30 s (en fonction du nombre d'itérations). La localisation spatiale des endommagements est fonction du pas des réseaux d'induction et d'analyse du système. Dans notre exemple, il est de 2 cm suivant les deux directions x ct, ce qui est largement suffisant pour une structure de plusieurs m'de surface, telle une aile d'avion par exemple. Un exemple de résultat de simulation est présenté sur la figure 9 qui montre le module du "contraste " de la com- posante '-, (c'est-à-direla différence entre , surla struc- ture saine et 1 sur la structure endommagée) calculée sur une structure comportant une anomalie virtuelle de permit- tivité relative représentée sur la figure 8. Les paramètres électriques de la partie saine de la structure sont respective- ' ! Ugnes dnca Ior Et i- acircm P ni- Figure 8. Positiou de l'endomruagement virtuel. REE No 2 Fevi ier 2006 m Dossîer 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ r- .,-.. "'. "''t' " " " " - - E : n i ll l ` y /1/1 ! ". ci i : ll- '. i.... " l Illll F -. ÎIfIÎlS . _ III Figure 9. Module d ( la coiiiposaiite Ey calctilée, ment de 10'S/m pour la conductivité et 4 pour F,.. La per- mittivité a été descendue à 3 au niveau de l'endommage- ment ; la conductivité est inchangée. 7. Conclusion Le système présenté forme un dispositif complet de contrôle de santé structurale intégré ; il permet la détection, la localisation et la caractérisation des princi- paux endommagements que l'on peut rencontrer dans les structures carbone-époxy multicouches, de plus en plus utilisées dans le domaine de l'aéronautique. En effet, la mesure des deux composantes de champ électrique donne une information sur l'origine de l'endommagement, les écart locaux de conductivité et de permittivité calculés permettent d'avoir une bonne idée de la sévérité de l'endommagement. Il reste bien évidemment à relier les variations des caractéristiques électriques des matériaux composites aux performances mécaniques de ces mêmes matériaux. Références [1] M, LEMISTRE, D. PLACKO, " Dispositif et procédé de contrôle de l'état de santé d'une zone d'un élément struc turel, et structure adaptée pour un contrôle de l'état de santé d'une zone d'un élément structurel de la dite structure ", brevet en cours n° 04 03310 du 31 mars 2004. [21 N. LIEBEAUX. "Contribution à la modélisation de capteurs électromagnétiques, application au contrôle non destructif par courants de Foucau/f ", Ph. D. Dissertation, Orsay Univers., Paris, France, 2002. [3] D. PLACKO, N. LlEBEAUX & T KUNDU, "Modélisation par sources réparties' brevet en cours N'0214108. [4] 151 [61 [71 K,F. CASEY, " Low Frequency Penetration of Loaded Apertures ", IEEE Transaction in electromagnetic compa- tibility, EMC 23, 1981, p. 367-377 M LEMISTRE, D. MARTINEZ & D. BALAGEAS, "Electromagnetic Structural Health Monitoring for Carbon/epoxy Multilayer Material ", Proceeding of European COST F3, J.A. Güemes Edition, Madrid, Espagne, 2000, p. 687-695. M. LEMISTRE & D. BALAGEAS, "Health Monitoring System for Composite Material Using Electromagnetic Field measu- rement' SPIE's 7tt Annual International Symposium on NDE for Health Monitoring and Diagnostics, March 2002, San Diego, CA, USA. M. LEMISTRE, D. PLACKO, D. BALAGEAS, " HELP Layer System for Electromagnetic SHM of CFRP ", Structura Health Monitoring 2004, Ed. C. Boller and W J. Staszewski, DEStech Publications, Lancaster, pp. 1235-1242. Les auteurs Michel Lemistre, habilité à diriger les recherches en sciences physiques, est retraité de l'ONERA où il a effectué pratiquement toute sa carrière. Ses travaux ont notamment porté sur le dévelop- pement de méthodes électromagnétiques appliquées au contrôle non destructif et au contrôle de santé intégré des structures, pour les matériaux composites. Il est actuellement chercheur associé au laboratoire SATIE de l'ENS de Cachan, il s'intéresse maintenant à la modélisation de phénomènes éectromagnétiques. Michel Lemistre est auteur ou co-auteur de 3 ouvrages et de plus de 80 publications dans les domaines du CND et du SHM, il est " Regular Member " of SPIE et membre senior de la SEE. Dominique Placko occupe depuis 1993 un poste de professeur à ! e norma) e supéneure de Cachan et travaille dans les domaines de l'électronique, du traitement du signal, et plus généralement de l'instrumentation. II a participé à environ 100 publications, réalisées pour la plupart dans des revues à comité de lecture ou des congrès avec actes édités. D'autre part, il a contribué à la publication de 9 ouvrages et au dépôt de 15 brevets. En 1998, il a créé le " Colloque InterdiSciplinaire en instru- mentation " (C21), qui a est déroulé à nouveau en 2001 et 2004. Dominique Placko est président du club 17 de la SEE depuis janvier 2000, et président de la commission A " Métrologie électromagné- tique " du CNFRS/UPSt depuis février 2003. Il est membre IEEE, membre senior de la SEE, et a été lauréat de la médaille Blondel en 1998 REE No 2 Fevi ter 2006 Résumés RÉSUMÉS ABSTRACTS Dossier : le contrôle de santé structurale intégré Feature : Integrated Structural Health Check-ups Par Daniel Balageas REE, ISSN 1265-6534, n'2, tewier 2006, p. 31 Mots clés : END, Contrôle de santé structurale, Matériau intel- ligent, Structure intelligente. Les impératifs de sécurité et de réduction des coûts ont une influence notable sur la façon d'effectuer la maintenance des structures, en parti- culier dans les domaines du transport aérien et du génie civil. A moyen terme, on s'oriente vers une intégration des capteurs au sein des structures mêmes durant leur fabrication, afin de disposer de systèmes d'évaluation non destructive intégrés, qui accompagneront la structure durant la tota- lité de sa vie, délivrant à tout instant un diagnostic sur la santé, sur la durée de vie résiduelle, permettant la programmation des interventions de main- tenance nécessaires, et finalement la gestion de l'ensemble dont fait partie ladite structure. On décrit le contexte dans lequel se développe le contrôle de santé structurale intégré et comment ce concept, qui relève à la fois d'une évolution de l'évaluation non destructive et de la réalisation de la gestion santé des systèmes complexes, participe à la réalisation de structures intelligentes. Dans une seconde partie, on tire les enseigne- ments d'une étude statistique de la littérature spécialisée pour cerner les tendances actuelles dans la recherche de capteurs adaptés. By Daniel Balageas REE,ISSN 1265-6534, 11'2, February 2006, p 31 Keywords : NDE, SHM, Smart Material, Smart Structure. Safety improvement and cost reduction have a strong influence on the way to achieve maintenance operations of complex structures, in parti- cular in air transportation and in civil engineering. For the mid-term, intégration of sensors inside the structures during their process combined with data acquisition, reduction and transmission will lead to fully- integrated non-destructive evaluation systems which will accompany the structure during its full life, elaborating at every moment a diagnostic on the structural integrity, a prognostic on the residual lifetime, the planning of the needed maintenance operations and finally the fleet management optimisation. A general view of the new techniques and of the associated sensors is given thanks to a statistical study of the specialized literature. Contrôle de santé des structures à de capteurs piézoélectriques Par Philippe Guy et Thomas Monnier REF, ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p. 41 Mots clés : Contrôle de santé de structures, Matériaux composites, Implants piézoélectriques, Ondes guidées, Multifonctionnalité. Cet article illustre sur la base de deux exemples le potentiel de la méthode dite de l'Implant piézoélectrique pour le Contrôle de santé des structures industrielles. Les éléments actifs sont des pastilles piézoélectriques collées sur la surface des structures à contrôler. Cette technique mettant en jeu des ondes ultrasonores présente de nombreux atouts parmi lesquels, un faible coût, la facilité de mise en oeuvre et la possibilité de réaliser plusieurs fonctions avec les mêmes éléments : suivi de vieillisse- ment, détection de défauts, amortissement de vibrations. Pour effectuer un suivi des propriétés viscoélastiques du matériau constituant la structure, on utilise des ondes de volume en relativement haute fréquence, dont la vitesse et l'atténuation sont reliées par un modèle théorique aux propriétés recherchées. Ce suivi peut être réalisé depuis l'élaboration de la structure jusqu'à la fin de son cycle d'utilisation. Cette approche est particulièrement adaptée au suivi de polymérisation des composites et de leur vieillissement. Pour ce qui concerne la détection d'endommagements à grande distance, on utilise les mêmes éléments piézoélectriques, excités en basse fréquence sur leurs modes de vibrations radiales. Des ondes de Lamb capables de se propager à grande distance sans atténuation notable sont alors produites. Un indicateur jouant le rôle de sonnette d'alarme à l'apparition d'un défaut est défini et sa grande sensibilité mise en évidence. By Philippe Guy and Thomas Monnier REE,ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p. 41 Keywords : Structural Health Monitoring, Composite Materials, Piezoelectric Inserts, Guided Waves, Multifunctionality. This paper presents through two short examples, the potential of the so called piezoelectric implant method for SHM. It is a kind of ultrasonic Non Destructive Evaluation technique based on the use of piezoelectric patches bonded on the surface of the monitored structure. The main advantages of this approach are its low cost, the simplicity of its imple- mentation and its multifunctional characteristic : Aging monitoring, damage long range detection, vibration damping. The polymerisation and aging monitoring can is performer by means of bulk ultrasonic waves resulting from the excitation of axial resonances of the piezoelectric patches. The velocity and attenuation of these waves can be evaluated and related to the viscoelastic properties of the material. For the long range damage detection the same piezo patches are excited in the low frequency range of their radial vibrations. Lamb waves that are able to propagate over very long distances are generated. A simple Damage Index can be defined, it is very sensitive to delamination appearance. Capteurs à fibres optiques. Quelles solutions pour la mesure en aéronautique ? Par Marc Turpin REF, ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p. 47 Mots clés : Fibres optiques, Capteurs, Contrôle structural intégré. La nature diélectrique et la rhéologie propres aux matériaux composites, de plus en plus utilisés comme éléments de structures aéronautiques, Optical Fibre Sensors : Opportunities for Aeronautics'.P By Marc Turpin REE,ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p 47 Keywords : Optical Fibers, Sensors, SHM. Dielectric and rheological properties of composite materials, now widely used in aeronautic structures, require to propose advanced sensing REE N 2 Fevrici 2006 Résumés .. RESUMES ABSTRACTS implique de mettre en oeuvre des moyens de mesures adaptés. Les critères de choix sont l'immunité aux perturbations électromagnétiques, l'isola- tion galvanique intrinsèque et la réduction des volumes et des masses (pour les capteurs et pour les câbles de liaisons). Dans ce contexte, les fibres optiques (Fa) et les capteurs à fibres optiques (CFa) présentent l'en- semble des qualités requises. Nous donnons dans cet article quelques éléments techniques de base permettant de préciser le potentiel de l'approche FO-CFO par le biais de quelques techniques appropriées, adap- tées aux techniques de mise en réseau et de multiplexage, et compatibles avec les contraintes souhaitées de haute intégration : concept de structure instrumenté "intelligente ". means. Electromagnetic compatibility, electrical immunity and volumes and mass reduction of sensors and cabling appears as essential criterium. In this context, optical f ! bers (OF) and optical fiber sensors (OFS) comply with this requirements. ln this paper, we give some technical basis to precise potential and capabilities of both OF and OFS in this emerging field of sensing. Some technologies are presented, these technologies being compatible with optical networking and multiplexing, and also compatible with embedment yielding to "smart structure " concept. Par Michel Lemistre et Dominique Placko REE,ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p. 54 Mots clés : Contrôle de santé intégré, Matériaux et structures intelligents, Electromagnétisme, MSPR (DPSM), Modélisation. Une étude du comportement électromagnétique des matériaux composites, tels les carbone-époxy et les verre-époxy, a été développée à l'ONERA. A partir de cette étude, une méthode permettant d'évaluer la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique de ces types de matériau a éga- lement été développée. Cette méthode, qui présente une grande sensibilité de détection des endommagements, induisant une variation significative des caractéristiques électriques du matériau tels que brûlures, ruptures de fibres et absorptions de liquides, a permis d'élaborer un système complet de contrôle de santé structurale intégré. Le système appelé HELP-Layer (Hybrid ELectromagnetic Performing Layer) a fait l'objet d'un dépôt de bre- vet Il], Par ailleurs, une méthode de simulation numérique des phénomè- nes propagatifs appelée DPSM (Distributed Point Source Method) a été développée au laboratoire SATIE de l'ENS de Cachan [21 ; elle a également fait l'objet d'un dépôt de brevet [3]. Cette méthode, qui permet de simuler facilement le comportement électromagnétique des matériaux composites, a été appliquée au système HELP-Layer. The Electromagnetic Methods By Michel Lemistre and Dominique Placko REE,ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p. 54 Keywords : Structural Health Monitoring, Smart Materials and Structures, Electromagnetism, DPSM, Modelling. A study of electromagnetic behavior of composite materials like Carbon/epoxy or gtass/epoxy structures has been developed. Based on this study, a method allowing to evaluate the electric conductivity and/ or the dielectric permittivity of these types of material has been also deve- loped. This method presents a great sensitivity to detect damages inducing local variations of electric characteristics such as burning, fibre breaking and liquid ingress, made it possible to work out a complete sys- tem of structural health monitoring. This system called HELP-Layer'' (Hybrid ELectromagnetic Performing Layer) was the object of patent [1]. ln other respects, a new numerical simulation method for modeling ail wave phenomena, called DPSM (Distibuted Point Source Method), has been developed at SATIE Lab. of ENS Cachan [2], it was also the object of patent [3]. This method which is allowing to simulate easily the electromagnetic behavior of composite materials has been applied to HELP-Layer'system. Repères 1 : Les app) ications industrie) les de l'électrochimie (2ème partie) L'usinage électrochimque Par Dominic Billaut REE,ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p. 66 Mots clés : Usinage électrochimique, Usinage dynamique, Usinage statique, Electrodes, Electrolyte, Défonçage, Copiage, Ebavurage, Rectification. L'usinage électrochimique s'opère par dissolution anodique rapide du métal de la pièce à usiner reliée au pôle positif d'un générateur de cou- rant continu, l'outil d'usinage (cathode) étant relié au pôle négatif. Deux méthodes d'usinage sont envisageables, l'un dynamique par avancée de l'outil au fur et à mesure que la pièce prend forme (défonçage, copiage, rectification électrochimique, etc.), l'autre statique lorsque l'outil reste immobite (usinage de forme statique, ébavurage). Les principaux avan- tages du procédé sont les suivants : possibilité d'usiner les matériaux conducteurs les plus réfractaires, vitesse d'usinage élevée (quelques cm'/min), possibilité de réaliser des formes complexes en une seule passe, obtention d'un excellent état de surface, aucune altération de la structure métallurgique de la pièce et aucune usure de l'outil ; par contre, le procédé requiert un matériel lourd (alimentation électrique de forte puissance, pompe à fort débit sous pression élevée), une mise au point délicate de l'outil et la gestion de produits chimiques et d'effluents. Features 1 : Industrial Electrochemistry Applications (2 nd Part) Electrochemical Machining By Dominic Billaut REE,ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p. 66 Keywords : Electrochemical Machining, Dynamic Machining, Static Machining, Electrodes, Electrolytes, Breakdown, Copying, Chamfering, Regrinding. Electrochemical machining operates by rapidly anodic dissolution of the piece to factory ; the piece is connected at the positive pole of the direct current generator, the machining tool (cathode) ta the negative pole.Two machining processes are possible : the dynamic process based on the pro- gression of the tool simultaneously with the materializing of the piece (breakdown, copying, electrochemical regrinding, etc.), the static process operating with a mobile tool (machining of static forms, chamfering). The principal advantages of the electrochemical machining are : the pos- sibility of machining conductive most refractory materials, a high machi- ning efficiency (some cm'/min), a possibility to realize complicated forms in one pass, excellent surface roughness, the conservation of the metal- lurgical structure of the piece and no abrasion of the tool ; on the other hand, the process require an important equipment (high power electrical generator, high flow and high pressure pump), a fastidious development of the tool and the chemical products and effluents management. REE No 2 Fevrier2006 Résumés RÉSUMÉS ABSTRACTS Métallisation électrochimique sans immersion Par André Gendry REF, ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p. 75 Mots clés : Electrochimie, Electrolyse au tampon, Métallisation sélective, Dépôt à froid, Dépôt galvanique, Rechargement méca- nique, Protection contre la corrosion, Traitement sur site, Respect de 'environnement. Le procédé Dalic est basé sur la métallisation électrochimique sélective sans immersion dans lequel un dispositif anodique imprégné d'une solu- tion électrolytique est placé sur la pièce à revêtir. Sous l'action du courant électrique continu, le métal se dépose sur la pièce à traiter. Les avantages de ce procédé sont multiples : revêtements sélectifs, rapidité d'électrolyse, maîtrise des épaisseurs déposées, mise en oeuvre sur site, respect de l'en- vironnement, dépôts à froid. Le procédé Dalic est principalement utilisé dans les industries des secteurs de l'aérospatiale, de la mécanique, de la marine et de l'offshore, du ferroviaire et de l'énergie pour protéger contre la corrosion atmosphérique et galvanique, pour le rechargement méca- nique à la cote, pour améliorer les états de surface et pour réparer des dommages subis par l'appareillage mis hors service. Electrochemical Metallizing Process Achieved without Immersion By André Gendry REE, ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p 75 Keywords : Electrochemistry, Brush Plating Electrolysis, Selective Metallizing, Cold Plating Process, Galvanic Plating, Mechanical Rebuilding, Protection Against Corrosion, In-Situ Application, EnVIron ment friendly Process Dalic technology is based on a selective electrochemical metallizing pro- cess, which is achieved without immersion of the part. An anodic tool impregnated with the metallizing solution is placed on the area to plate. Under the action of current, the metal is plated on the part. The Dalic pro- cess has numerous advantages : very selective plating, fast plating, plating thickness is controlled, in-situ application, environment friendly process, cold plating process. The Dalic process is employed in the aero- space, mechanical, navy and offshore, railway and energy sectors to protect against atmospheric and galvanic corrosion, to rebuilt the parts to its initial specs, to improve surface properties and repair damage to the base material. Récupération de métaux valorisables par voie électrochimique Par Claude Lahitte REE, ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p 82 Mots clés : Electrochimie, Effluents industriels, Récupération des métaux, E ectrodépôt. Par rapport aux procédés physico-chimiques classiques, qui nécessitent l'ajout de réactifs pouvant être eux-mêmes à l'origine de sous-produits polluants, le procédé électrochimique produit in situ les réactifs corres- pondants ; l'électron est alors le vecteur du réactif. L'électrolyse trouve donc des applications de plus en plus nombreuses dans le recyclage de bains qui contiennent des métaux ou des sels métalliques. On citera entre autres la récupération des métaux dans les cuves de rinçage statiques, l'électrodépôt de métaux en amont d'installations de dépollution par rési- nes échangeuses d'ions, la confection de cathodes de métaux précieux qui sont ensuite réutilisées comme anodes dans la chaîne de traitement de surfaces. The Recovery of Useful Metals by Electro-Chemical Means By Claude Lahitte REE,ISSN 1265-6534, no 2, February 2006, p 82 Keywords : Electrochemistry, Industrial Effluents, Metals Recovery, Electrodeposition. Compared with the classical physico-chemical processes which needs the addition of reagents that can generate polluting by-products, the electro- Chemical process produce in situ adequate reagents : the electron. Many electrolytic applications are developed to recycle baths which contain metals or metallic salts. We can mention the recovery of metals in static rinsing tanks, the electrodeposition of metals upstream of cleaning instal- lations by ion exchange resins, the production of precious metallic cathodes used as anodes in the surface treatment industry. Repères 2 : Le radar : du centenaire aux évolutions les plus récentes Le centenaire de l'invention du Radar par Christian Hülsmeyer, retour sur un anniversaire Par Yves Blanchard REE,ISSN 1265-6534, n'2, fevrier 2006, p 87 Mots clés : Histoire du Radar, Telemobiloskop, Hülsmeyer La Conférence "Radar 04 ", organisée par la SEE à Toulouse en octobre 2004, s'est ouverte par une session historique dédiée au centenaire du brevet du Telemobiloskop, déposé en avril 1904 par Christian Hülsmeyer, Features 2 : Radar : From its Creation One Hundred Years Ago to Today's Latest Developments The Centennial of Christian Hülsmeyer's Invention of Radar, Looking Back on an anniversary By Yves Blanchard REE, ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p. 87 Keywords : Radar History, Telemobiloskop, Hülsmeyer The SEE Conference "Radar 2004 " started in Toulouse with an historical session devoted to the centennial of the Telemobiloskop patent, filed on april 1904 by Christian Hülsmeyer, a 22 years young german engineer. REE NQ 2 Fcvrier2006 Résumés RÉSUMÉS ABSTRACTS un jeune ingénieur allemand de 22 ans. Pour lui rendre hommage, et aussi pour clarifier une histoire qui conserve encore des plages d'ombre, les intervenants - experts radaristes et historiens - ont mené une enquête qui a révélé de nombreux faits nouveaux ou méconnus, établissant sans le moindre doute Christian Hülsmeyer comme le véritable "père du Radar ". To pay him a tribute, and to clarify a story still marked with some hint of mystery, the authors - a team of radar experts and historians - have car- ried out an updated enquiry which has unveiled many new or unap- preciated facts, establishing without any doubt Christian Hülsmeyer as the early "father of Radar ". L'imagerie radar Par Jean-Marc Boutry REE,ISSN 1265-6534, n'2, tevrier 2006, p. 93 Mots clés : Radar, Imagerie, Radar à synthèse d'ouverture, Polarimétrie, Interférométrie, Radar Bistatique, Résolution. L'imagerie radar suscite un intérêt croissant, en associant les qualités intrinsèques du radar (portée, caractère tout temps, localisation...) à des capacités de classification (notamment grâce aux gains en résolution). Les travaux de l'ONERA dans ce domaine sont issus d'une activité d'étude des signatures radar conduite à partir du milieu des années soixante-dix. Pour mener ses recherches, en particulier celles relatives au radar à syn- thèse d'ouverture ISARI, le Département Électromagnétisme et Radar (DEMR) s'appuie sur la station expérimentale aéroportée RAMSES, qui dispose d'une panoplie de capteurs reconfigurables et performants, et sur un ensemble d'outils logiciels adaptés. L'article abordé les princi- paux thèmes étudiés : haute résolution, polarimétrie, interférométrie, SAR en bande basse, SAR bistatique, avec des illustrations issues de don- nées RAMSES. Radar Imagery By Jean-Marc Boutry REE, ISSN 1265-6534, n'2, February 2006, p. 93 Keywords : Radar, Imagery, Synthetic Aperture Radar (SARI, Polarimetry, Interferometry, Blstatlc SAR, Resolution, Radar imagery offers a much promising combination of well-known assets of radar (long range détection, ali wealher capability, localization...) and increasing performances for targets recognition, thanks to improved resolution. ONERA bas been conducted research in this area for many years, starting with studies aimed at understanding radar signature of various objects.To support these works, the Electromagnetics and Radar Department develops and operates the RAMSES system. This airborne facility provides a large number of experimental configurations, especially in SAR (Synthetic Aperture Radar) mode.This article gives an overview on the main study topics connected to radar imagery : high resolution, inter- ferometry, low-frequency SAR, bistatic SAR, and presents results derived from RAMSES data. REE N " 2 FeN,iicr 2006