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SHM : le vieillissement sous contrôle

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Reposant sur les technologies du contrôle non destructif, les systèmes dits SHM (Structural Health Monitoring) permettent d'anticiper les dégradations d'une structure pour éviter les accidents. Adossés à des systèmes de traitement statistiques, ils permettent aussi d'optimiser la durée de vie des produits, tout en réduisant les coûts de maintenance.

Les technologies du Structural health monitoring, ou SHM, répondent à l'exigence de maintien dans le temps de la qualité des produits. Leur principal objectif consiste à garantir la santé des structures, à prolonger leur durée de vie, à anticiper leurs défaillances et à renforcer leurs performances. Le SHM s'inscrit donc dans une stratégie à la fois économique, commerciale et sécuritaire pour les industriels.

L'utilisation de ces outils est au coeur de la recherche européenne. Ainsi, le projet européen Sariatsu (Smart Intelligent Aircraft Structures), doté d'un budget de cinquante millions d'euros de 2011 à 2017, a été mis en place pour réduire les coûts du transport aérien et notamment de la maintenance, par l'intégration dès la conception des futurs appareils de fibres optiques et capteurs piézoélectriques des systèmes SHM.

Si l'aéronautique est aujourd'hui le moteur de la recherche, d'autres secteurs profitent de ces avancées, voire développent leurs propres solutions : l'énergie, en particulier récemment dans le domaine des éoliennes, l'automobile, le transport ferroviaire, l'industrie chimique et la construction navale. Ainsi, le projet SmartFiber, qui devrait s'achever en août 2013, résume assez bien les perspectives technologiques à ce jour. Il vise en effet à développer un système de contrôle continu pour matériaux composites intégrant les technologies de fibres optiques, des puces nanophotoniques et des systèmes de communication sans fil dans ces différents secteurs.

L'approche SHM est en effet à la fois un ensemble de procédés et une stratégie de contrôle. Elle consiste à surveiller en continu ou à intervalles réguliers l'intégrité d'une structure en détectant les fissures ou les altérations, comme un délaminage de matériaux composites. Les solutions proposées intègrent généralement des réseaux de capteurs, par exemple de type piézoélectriques ou fibres optiques, couplés à des systèmes de traitement des signaux.

La plupart des technologies SHM reposent sur les technologies de contrôle non destructif (CND). En effet, celles-ci permettent d'évaluer les altérations d'une structure à un instant précis, sans l'endommager ou la détruire. Les principaux apports du SHM par rapport au CND sont l'intégration et l'automatisation du contrôle dans une stratégie globale de contrôle et/ou de maintenance de structures. Le SHM permet notamment d'améliorer la connaissance des structures par un meilleur suivi, de réduire les interventions de maintenance et d'optimiser les matériaux utilisés.

Le but ultime de l'approche SHM est le développement de systèmes de maintenance autonomes, continus, et capables de détecter en temps réel les dégradations d'une structure afin d'éviter les accidents. La clé réside dans la détection anticipée de dégradations, permettant une maintenance optimale.

Plusieurs facteurs ont contribué au développement de l'approche SHM ces dernières années : les capacités et les algorithmes de simulation numérique ; la réduction de la consommation des capteurs et leur capacité de communication sans fil.

Les principaux domaines d'applications du SHM concernent historiquement le génie civil (ponts et barrages), plus récemment l'énergie (plates-formes d'extraction de pétrole et de gaz, éoliennes) et l'aéronautique, secteur porteur des principaux efforts de recherche et développement du SHM, dont les premières solutions adaptées aux contraintes spécifiques de sécurité et de robustesse ont été développées et accréditées par Airbus et Boeing.

 

I. LA STRATÉGIE SHM : Aller jusqu'à prédire la durée de vie

 

L'approche SHM traduit un changement de paradigme. Au-delà des seuls procédés de contrôle, il s'agit de mettre en place une stratégie de surveillance automatisée et planifiée. Objectif : prédire la robustesse de la structure, notamment en cas d'événement extérieur.

La démarche se découpe en quatre phases principales. Après l'intégration du procédé de contrôle à la structure dès la conception, viennent le contrôle et la mesure des charges et paramètres environnementaux, puis le diagnostic et la surveillance de l'évolution des dégradations structurelles. Enfin, l'étape ultime est la prédiction de la durée de vie (on parle aussi de prognostic health monitoring), avec élaboration d'une politique de maintenance.

 

II. SHM ET GÉNIE CIVIL : La fibre optique règne en maître

 

Le génie civil représente 60 % du marché du SHM. Les structures y font l'objet de programmes rigoureux d'inspection, de contrôle et de maintenance. Les systèmes SHM peuvent être intégrés dès la conception, ou ajoutés a posteriori dans le but d'augmenter leur durée de vie. La motivation est alors à la fois économique et sécuritaire.

La plupart des systèmes SHM utilisés dans ce secteur reposent sur des capteurs à fibre optique performants, faciles à intégrer et peu coûteux. Leurs principaux avantages sont leur insensibilité aux interférences électromagnétiques, leur faible poids, qui rend cette technologie également intéressante pour des applications aéronautiques, leur résistance à la corrosion et aux agressions chimiques, notamment du fait des propriétés du verre se trouvant au coeur de la fibre, la possibilité de déporter la mesure à plusieurs kilomètres et enfin la longue durée de vie du système.

Quatre technologies principales se partagent le marché. La plus utilisée est celle des capteurs à réseaux de Bragg. Les mesures sont effectuées en de multiples points de la fibre optique, sur une zone sensible de mesure de quelques centimètres. Les capteurs à interférométrie apportent une zone sensible de mesure plus large allant jusqu'à quelques mètres. Enfin, il existe des capteurs de mesure distribués par rétrodiffusion tout au long de la fibre optique (diffusion Brillouin ou Raman) et les capteurs de modulation d'intensité lumineuse.

 

1. Capteurs à réseaux de Bragg

Les capteurs à réseaux de Bragg, ou FBG, sont utilisés pour mesurer en de multiples points d'une fibre optique les contraintes de tension, de compression ou de vibration, ou encore pour des mesures acoustiques, d'accélération, de pression, de température, d'humidité et de corrosion.

Le principe est relativement simple : un laser transmet la lumière d'une plage de longueurs d'ondes donnée dans la fibre. Des grilles optiques, situées en divers points, reflètent des longueurs d'ondes particulières de la lumière. En cas de déformation de la fibre, elles sont décalées, et transmises au lieu d'être réfléchies. Les variations du spectre réfléchi révèlent les modifications de la structure de la fibre, des contraintes exercées et/ou de la température. (Fig. 1)

Les points de mesure de déformation sont répartis tout au long de la fibre et permettent une détection précise de la déformation du signal via un multiplexage fréquentiel. (Fig. 2)

 

2. Capteurs à interférométrie

Ces capteurs permettent de mesurer les déformations de structures. Ils sont réalisés à partir des modèles d'interférence de Michelson ou de Mach-Zender.

Le principe est simple : une fibre est fixée au support, tandis que l'autre, équivalente, est laissée libre. La différence de phase, liée au déplacement de la fibre fixée sur la structure, révèle les déformations locales. La société Suisse Sites propose ce type de capteurs à interférométrie de Michelson. Cette technologie permet des mesures en général de plus haute précision que les autres capteurs à fibre optique. (Fig. 3)

 

3. Capteurs continûment distribués (Brillouin ou Raman)

Les capteurs continûment distribués reposent essentiellement sur trois phénomènes de rétrodiffusion de la lumière : Rayleigh ; Raman et Brillouin.

La rétrodiffusion de Rayleigh est élastique, la fréquence de l'onde réfléchie est identique à celle de l'onde incidente. Pour la diffusion Raman et la diffusion de Brillouin en revanche, la fréquence est décalée de l'onde incidente, du fait de la sensibilité aux vibrations moléculaires de la diffusion Raman et de l'excitation par la température des fibres de silice, générant des ondes acoustiques pour la vibration de Brillouin. Dans un cas comme dans l'autre, le décalage de l'onde incidente correspond à des pertes ou gains d'énergie. (Fig. 4)

La diffusion de Raman est utilisée seulement pour la mesure de température, tandis que la diffusion de Rayleigh est utilisée pour celle de déformations très rapides. En raison de la linéarité de relation entre les fréquences de diffusion de Brillouin et des paramètres de température ou de déformation, les capteurs à fibre optique de Brillouin permettent des mesures continues à la fois de contraintes et de températures. Les capteurs distribués, Brillouin ou Raman, sont principalement utilisés dans de larges structures telles les ponts, digues et barrages, ainsi que les exploitations minières sur plusieurs kilomètres en raison de leurs caractéristiques.

 

4. Capteurs à modulation d'intensité

D'autres technologies encore plus simples à utiliser sont également proposées pour répondre aux besoins spécifiques du marché du génie civil. Par exemple, le Groupe Osmos propose la solution de la « Corde Optique ». La partie active de ces capteurs (de longueur standard de 2 m) est composée de micro-courbures. Toute déformation structurelle entraine une variation du flux lumineux transmis dans la fibre optique.

D'autres technologies SHM sont aussi utilisées dans le génie civil, les jauges de déformation électriques depuis plusieurs décennies et plus récemment l'émission acoustique. Cette technologie mesure les ondes émises correspondant à une libération d'énergie due à des fissures, des déformations.

 

III. SHM ET AÉRONAUTIQUE : Incontournable pour les composites

 

L'aéronautique représente une véritable opportunité pour les technologies SHM. Elles répondent à plusieurs besoins de ce secteur. En premier lieu : accroître la sécurité par des contrôles systématiques et automatisés en temps réel des structures des appareils, tout en diminuant les coûts de maintenance et de réparation.

Cette meilleure connaissance du fonctionnement des structures permettra aussi à terme de les alléger, en évitant de les surdimensionner. En effet, le coût croissant des carburants, la montée en puissance de normes environnementales de plus en plus restrictives et la compétitivité accrue entre les compagnies aériennes poussent les constructeurs aéronautiques à développer des avions plus légers, en exploitant au mieux le potentiel des matériaux composites. C'est pourquoi les constructeurs sont aujourd'hui très impliqués dans l'intégration de systèmes SHM et le développement de nouvelles technologies permettant, par exemple, de surveiller les microfissures, les dommages liés aux impacts, la corrosion, ainsi que le délaminage des couches des matériaux composites.

Les systèmes SHM qui sont utilisés par cette industrie peuvent être classés en trois groupes de méthodes : acoustiques, électriques et mesures de contraintes statiques/dynamiques, auxquelles on peut assimiler la méthode du contrôle de pression CVM.

 

1. Les méthodes acoustiques

Les méthodes acoustiques rassemblent l'émission acoustique et les ultrasons. Grâce au développement des systèmes d'analyse et de simulation numérique, elles offrent des perspectives particulièrement intéressantes pour le SHM. Ainsi, l'émission acoustique passe par le déploiement de capteurs enregistrant les ondes révélatrices du travail de la structure qui se propagent dans le matériau. Cette technologie est exploitée en fonctionnement, pour observer les événements qui impactent la structure. L'avantage principal de cette technologie passive est qu'elle ne nécessite aucune sollicitation. L'inconvénient est qu'en fonction de son environnement d'utilisation, des bruits peuvent perturber les mesures et rendre difficile l'exploitation des signaux mesurés.

Comme décrite dans le domaine du génie civil, la technologie de la fibre optique a de nombreux atouts. Deux projets visent d'ailleurs à développer un système de surveillance des émissions acoustiques à l'aide de fibre optique : l'un, désigné sous le nom de « Fiber optic acoustic emission monitoring system for condition based maintenance » est financé en partie par l'US Navy, l'autre, « Monitoring of aircraft component health », est développé par les sociétés britanniques Smart Fibres et Qinetiq.

La technologie des ultrasons, contrairement à l'émission acoustique, est une méthode active. Un signal est émis et sa réponse est analysée. Afin de l'intégrer à demeure au sein d'une structure aéronautique en matériaux composites, la société Acellent Technologies, fondée par des chercheurs de l'université de Stanford (États-Unis) a ainsi développé des transducteurs spécifiques baptisés Smart Layer (Fig. 5). Cette technologie est prometteuse, puisqu'un projet mené en collaboration avec l'armée américaine a montré que ce réseau de capteurs peut être considéré comme une couche supplémentaire intégrée dans le processus de fabrication de la pièce en composite.

Deux modes de fonctionnement sont alors possibles. La première est une approche globale, à l'aide d'ondes dites de Lamb, dont l'analyse de la propagation permet de déterminer une éventuelle détérioration du matériau, liée par exemple à un impact ou une approche plus ponctuelle, par l'analyse de l'impédance électromécanique, qui permet de préciser la localisation et la taille de la dégradation observée. La seconde solution pour l'intégration de composants piézoélectriques dans les structures en composite est proposée par l'Université de Caroline du Sud (États-Unis). Il s'agit d'un capteur basé sur un film fin piézoélectrique sans fil intégrant des nanomatériaux. Son fonctionnement est alors équivalent à celui des étiquettes RFID. L'énergie mesurée est celle des micro-ondes émises lors de son interrogation (Fig. 6).

 

2. Les méthodes électriques

Deux méthodes principales de mesures électriques peuvent être appliquées : le courant de Foucault (Eddy Current) et la mesure d'impédance. La première méthode est utilisée depuis longtemps en maintenance. Son intérêt pour une utilisation dans un procédé SHM est limité aux matériaux conducteurs.

La seconde méthode concerne la mesure de l'impédance électromécanique du matériau. Sa valeur est déterminée par la lecture scanner d'une bande de plusieurs centaines de kilohertz, correspondant au spectre complexe des valeurs d'impédance. Aux fréquences de résonance du matériau de la structure, l'impédance électromécanique reflète directement la rigidité structurelle du capteur piézoélectrique. La comparaison de ces valeurs à différents moments de la vie de la pièce permet de révéler ses dégradations. Pour une bonne observation de la dégradation de la structure, la longueur d'onde du signal doit être nettement plus petite que le défaut. (Fig. 7)

 

3. Les méthodes de mesures de contraintes

Outre les traditionnelles jauges de contraintes, les technologies de la fibre optique, précédemment décrites en lien avec le génie civil, trouvent également des applications dans le domaine aéronautique. En effet, les fibres optiques sont légères, de taille réduite et insensibles aux interférences électromagnétiques. D'ailleurs, la Nasa a développé une approche combinant l'utilisation de transducteurs piézoélectriques, générant un signal, et d'une fibre optique intégrée dans la structure, recevant ce signal. Cette méthode aurait l'avantage de réduire le nombre de capteurs nécessaires pour l'identification et la localisation des dégradations de structure. (Fig. 8)

Enfin, la méthode du contrôle de pression (CVM - Content vaccum monitor) a été développée par Structural Monitoring Systems. Elle est simple et efficace pour suivre l'évolution d'une fissure ou surveiller des zones critiques telles des points de rivetages. Il s'agit de créer le vide entre le capteur et la surface à surveiller. La présence d'une microfissure dans la surface à contrôler crée une entrée d'air dans les galeries ou règne le vide. (Fig. 9)

 

IV. LE TRAITEMENT DES DONNÉES : Être plus robuste que les structures à contrôler

 

Les systèmes SHM intègrent et combinent aujourd'hui une variété de capteurs, dont la diversité continue de croître. L'un de leurs défis majeurs, notamment dans l'aéronautique, est de développer un système de contrôle dont la robustesse et la durée de vie soient supérieures à celles de la structure surveillée.

La plupart des systèmes SHM sont considérés en fonction de leurs technologies d'acquisition de données. Pourtant l'objectif n'est pas d'acquérir des données mais de fournir de l'information. C'est le traitement des données qui rend l'information accessible et utile. L'objectif est de déterminer : l'existence d'une dégradation, sa localisation, ses caractéristiques (délaminages, fissures...), sa taille et son devenir, tout en tenant compte des conditions environnementales qui influent sur la fatigue de la structure. Un ensemble de données qui, archivées, permettront de comprendre la vie de la structure. Des modèles apprenants peuvent aussi être utilisés pour constituer des modèles statistiques, qui seront des éléments clés à l'avenir. Couplés à des modèles analytiques, ils permettront en effet de mieux caractériser le type de détérioration, sa taille et ses caractéristiques. Ils permettront d'estimer la durée potentielle d'utilisation restante.

Plusieurs leviers contribueront à l'émergence de systèmes prédictifs. En premier lieu, l'amélioration continue de la précision des mesures permettra l'acquisition de données plus pertinentes. L'augmentation de la performance des systèmes d'analyses des défauts, basés sur des modèles statistiques, limitera le risque de diagnostics erronés. L'apparition de modèles prédictifs ouvrira la porte à l'anticipation de l'impact des futures sollicitations, via des modèles statistiques classiques de type Arma ou des réseaux de neurones. Enfin, la multiplication prévisible de ces modèles permettra d'en vérifier et d'en valider la pertinence, même s'il reste délicat de valider des modèles pour des structures composites qui ne sont pas linéaires. La perspective de prédiction de la durée de vie d'une structure grâce à des modèles statistiques est en tout cas un enjeu d'avenir : celui du Prognostic health management.

CE QU'IL FAUT RETENIR

- Le structural health monitoring, ou SHM, vise à garantir le maintien dans le temps de la qualité des structures. - L'aéronautique, utilisateur d'une quantité croissante de matériaux composites, est le nouveau champ d'exploration du SHM. - L'avenir du SHM consiste à prédire et anticiper les dégradations. Les modèles statistiques joueront un rôle important dans cette évolution.

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