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MEMOIRE DE FIN D'ETUDES EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER EN GENIE ELE

MEMOIRE DE FIN D'ETUDES EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER EN GENIE ELECTRIQUE OPTION: Ingénierie des Systèmes Électromécaniques Intitulé du Sujet Présenté par : SAFER Omar Adib Proposé et encadré par : M. ABDOU ABDELHAK Année 2013/2014 ـــ ج امعة المسي ـــ لة ــ كلي ة التكن ـــ ولوجي ـــ ا قسم الهندسة الكهربائية UNIVERSITE DE M’SILA FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPT DE GENIE ELECTRIQUE Dédicaces UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page i Dédicaces Je dédie cet humble travail À mes très chers parents pour leurs grand amour et leurs sacrifices À toute ma famille À toutes mes amis À tous ce qu’il m’a aidé SAFER OMAR ADIB Remerciements UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page ii Remerciements En préambule à ce mémoire, je souhaitais adresser mes remerciements les plus sincères aux personnes qui m'ont apporté leur aide et qui ont contribué à l'élaboration de ce mémoire. Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Abdelhak .ABDOU, qui, en tant qu’encadreur de mémoire, s'est toujours montré à l'écoute et très disponible tout au long de la réalisation de ce mémoire, ainsi pour l'inspiration, l'aide et le temps qu'il a bien voulu me consacrer et sans qui ce mémoire n'aurait jamais vu le jour. Je suis aussi redevable à, tout les enseignants du département de génie électrique, ainsi qu'à Monsieur BERRABEH Fouaade , chef du département de génie électrique. Je ne peux oublier Je tiens également à adresser mes vives remerciements à Mr. ZEROGUI ABDELRACHIDE, Ingénieur au MEI, qui nous a autorisé à faire le stage au sein de l'entreprise, ainsi que tous le personnel de l'entreprise qui ont instauré un environnement d’entraide et de soutien tant au plan technique qu’au plan humain. Durant notre stage. Une pensée particulière à mes parents pour leurs contributions, leurs soutiens et leurs patiences. Que DIEU les gardent. Enfin, j'adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenue et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire. SAFER OMAR ADIB Table des matières UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page iii Sommaire Dédicaces ................................................................................................................................................... i Remerciements ......................................................................................................................................... ii Sommaire ................................................................................................................................................ iii Tables des figures ..................................................................................................................................... v Liste des Tableaux ................................................................................................................................... ix Nomenclature ............................................................................................................................................ x Préambule ................................................................................................................................................. 1 I. Généralités sur le contrôle non destructif .............................................................................................. 4 I.1. Introduction..................................................................................................................................... 4 I.2. Principe de la détection d’un défaut ............................................................................................... 5 I.3. Méthodologie de développement des systèmes de CND ................................................................ 5 I.4. Différentes méthodes de CND ........................................................................................................ 5 I.4.1. Le ressuage .......................................................................................................................... 6 I.4.2. La magnétoscopie ............................................................................................................... 6 I.4.3. Radiographie ....................................................................................................................... 7 I.4.4. Thermographie .................................................................................................................... 7 I.4.5. La mesure du bruit Barkhausen : ........................................................................................ 8 I.4.6. Ultrasons ............................................................................................................................. 9 I.5. CND par les courant des Foucault .................................................................................................. 9 I.5.1. Principe ............................................................................................................................... 9 I.5.2. Effet de peau ..................................................................................................................... 10 I.6. Comparaison entre les principales méthodes de CND ................................................................. 11 I.7. Différentes technologies des capteurs inductifs ........................................................................... 12 I.8. Principe physique de CND-CF ..................................................................................................... 13 I.8.1. Objectifs de CND-CF ....................................................................................................... 14 I.8.2. Classification des capteurs ................................................................................................ 14 I.8.3. Différents fonctions de capteurs ....................................................................................... 15 I.8.4. Capteurs à double fonctions .............................................................................................. 15 I.8.5. Capteurs à fonctions séparées ........................................................................................... 15 I.8.6. Différents types de mesures .............................................................................................. 16 I.8.7. Différents types de bobines ............................................................................................... 16 I.8.8. Différents types des Sondes .............................................................................................. 17 I.8.9. Différents types d’alimentations ....................................................................................... 19 I.9. Plan d’impédance normalisée ....................................................................................................... 20 I.10. Intérêt de la modélisation............................................................................................................ 21 I.11. Conclusion .................................................................................................................................. 21 II. Contrôle par capteur à courants de Foucault ...................................................................................... 22 II.1. Introduction ................................................................................................................................. 22 Table des matières UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page iv II.2. Modélisation mathématique du système ..................................................................................... 22 II.3. Formulation en potentiel vecteur (couple A-V) .......................................................................... 24 II.4. Relations de continuité Conditions aux interfaces ...................................................................... 24 II.4.1. Dans la cible : .................................................................................................................... 27 II.5. Équation magnétodynamique bidimensionnelle : ....................................................................... 27 II.5.1. Dans l’air : ......................................................................................................................... 28 II.6. Conditions aux limites : ............................................................................................................... 29 II.7. Conclusion : ................................................................................................................................. 30 III. Formulation et modélisation du CND par CF ................................................................................... 30 III.1. Introduction ................................................................................................................................ 30 III.2. Méthode des éléments finis ........................................................................................................ 30 III.2.1.Principe de la méthode variationnelle ...................................................................................... 30 III.2.2.Formulation résidus pondérés .................................................................................................. 31 III.2.3. La discrétisation du domaine .................................................................................................. 32 III.2.3.1. Fonction d’interpolation ................................................................................................... 32 III.2.3.2. Fonction d’approximation sur l’élément .......................................................................... 33 III.2.3.3. Fonction d’interpolation sur le domaine .......................................................................... 33 III.3. Formulation éléments finis des équations du modèle ................................................................ 34 III.3.1. Équation magnétodynamique .............................................................................................. 34 III.3.3.1. cas cartésien ..................................................................................................................... 34 III.3.3.2. cas axisymétrique ............................................................................................................. 36 III.3.3.3. Organigramme de calcul par éléments finis ..................................................................... 36 III.4. Conclusion ................................................................................................................................. 37 IV. Résultats de simulation : ................................................................................................................... 38 IV.1. Introduction :.............................................................................................................................. 38 IV.2. Introduction à l’interface utilisateur de COMSOL 4.3 .............................................................. 39 IV.2.1. Création du modèle de simulation ...................................................................................... 40 IV.2.2. Ajout des propriétés du matériel composant la plaque ....................................................... 41 IV.2.3. Maillage .............................................................................................................................. 42 IV.2.4. Simulation et traitement des résultats ................................................................................. 43 IV.3. Mode absolu 2D axisymétrique (bobine encerclant) ................................................................. 45 IV.4. Méthode de calcule de l’impédance du capteur ......................................................................... 47 IV.5. ................................................................................................................................................ 48 IV.5. Résultats de simulation et interprétation pour une fréquence de 450 Hz .................................. 50 IV.5.1. Pièce cylindrique mode absolu sans capteur de référence ............................................ 50 IV.5.2. Pour une pièce conductrice sans capteur de référence : ................................................ 51 IV.5.5. L’influence de la variation de la fréquence d’alimentation sur le module de l’impédance ..................................................................................................................................... 55 IV.5.6. La variation de l’impédance en fonction du type de matériau ...................................... 56 IV.5.7. L’influence de changement du milieu sur le module de l’impédance ........................... 58 Table des matières UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page v IV.6. Mode absolu 2D : ....................................................................................................................... 61 IV.6. ................................................................................................................................................ 61 IV.6.1.1. Pour une pièce conductrice sans capteur de référence : ................................................. 61 IV.6.1.2. Pour une pièce conductrice avec capteur de référence : ................................................. 63 IV.6.1.3. Variation de Z en fonction de lift-off ................................................................................ 65 IV.6.1.4. Variation de l’impédance en fonction de la fréquence .................................................... 66 IV.7. Mode différentiel 2D axisymétrique pour f=450Hz ................................................................. 67 IV.7.1. Variation en fonction du lift-off.......................................................................................... 68 IV.7.2. Variation en fonction de la fréquence ................................................................................. 69 IV.7.3. L’influence de changement du milieu sur la variation de l’impédance pour f=200kHz .... 70 IV.8. Modèle l’inducteur file 2D ........................................................................................................ 71 IV.8.2. Choix de l’inducteur ...................................................................................................... 71 IV.8.3. Caractéristique des dispositifs ....................................................................................... 72 IV.8.4. Discrétisation et maillage .............................................................................................. 73 IV.8.5. Résultats de simulation et interprétation ....................................................................... 74 Pour deux cibles une cible ferromagnétique (fer) et l’autre conductrice (aluminium) avec une fréquence de 500 Hz ....................................................................................................................... 74 IV.9. Model tridimensionnel 3D ......................................................................................................... 79 IV.9.1. Caractéristique de dispositif .......................................................................................... 79 IV.9.2. Le maillage .................................................................................................................... 79 IV.9.3. Résultats de simulation pour f=1kHz ............................................................................ 80 IV.10. Conclusion ............................................................................................................................... 82 Conclusion générale ................................................................................................................................ 83 Annexes................................................................................................................................................... 85 Références bibliographiques ................................................................................................................... 86 Table des figures et des tableaux UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page v Tables des figures Figure I. 1–Principe du ressuage. .............................................................................................................. 6 Figure I. 2–Principe de la magnétoscopie. ................................................................................................ 6 Figure I. 3–Principe de la radiographie. .................................................................................................... 7 Figure I. 4–Détection par thermographie IR. ............................................................................................ 8 Figure I. 5–Influence des sollicitations mécaniques sur le bruit Barkhausen. .......................................... 8 Figure I. 6–Principe des ultrasons. ............................................................................................................ 9 Figure I. 7–Principe du CND par courant de Foucault. .......................................................................... 10 Figure I. 8–Répartition des courants de Foucault sous une surface plane. ............................................. 11 Figure I. 9–Différente technologies des capteurs inductifs (CCF et CM). ............................................. 13 Figure I. 10–Schéma de principe de contrôle par courant de Foucault.................................................. 13 Figure I. 11–Nature du CND par CF....................................................................................................... 14 Figure I. 12–Critères de classification des capteurs. ............................................................................... 14 Figure I. 13–Capteur à fonction double. ................................................................................................. 15 Figure I. 14–Capteur à fonctions séparées. ............................................................................................. 15 Figure I. 15–Etapes de réalisation des bobines micro moulées. ............................................................. 16 Figure I.16–Capteur constitué de quatre couples de bobines sur un film de kapton souple. Chaque couple est constitué d’une bobine émettrice et d’une bobine réceptrice................................................. 17 Figure I. 17–Bobine encerclant. .............................................................................................................. 17 Figure I. 18–Bobine interne glissante avec noyau .................................................................................. 18 Figure I. 19–Bobine interne glissante avec noyau .................................................................................. 18 Figure I. 20–Bobine plate........................................................................................................................ 18 Figure I.21–Influence de σ ou du lift-off sur le diagramme d’impédance normalisée (cas d’une pièce amagnétique). .......................................................................................................................................... 20 Figure I. 22–Effet du défaut sur la valeur de l’impédance de la bobine. ................................................ 21 Figure II. 1–vecteur potentiel dans des déférentes régions. .................................................................... 27 Figure III. 1–éléments classiques en une et deux dimensions. .............................................................................. 32 Figure III. 2–élément de référence triangulaire linéaire. ....................................................................................... 32 Figure III. 3–Organigramme de calcul par éléments finis. .................................................................................... 37 Figure IV.1 Interface utilisateur de COMSOL 4.3. ................................................................................ 39 Figure IV.2 Les étapes pour dessiné un carré. ........................................................................................ 40 Figure IV.3 Les démentions du carré. ..................................................................................................... 41 Figure IV.4 L’affichage graphique. ........................................................................................................ 41 Figure IV.5 Création du domaine pour les bobines ................................................................................ 42 Table des figures et des tableaux UNIVERSITE DE MSILA 2013/2014 Page vi Figure IV.6 La méthodologie du maillage. ............................................................................................. 43 Figure IV.7 Résultat de simulation pour l’induction normal .................................................................. 44 Figure IV.8 Magnitude et direction du gradient de la densité magnétique normal ................................ 44 Figure IV.9 Ligne de coupe Figure IV.10 Profil du la densité magnétique normal ..... 45 Figure IV.11 Représentation du problème en 2D axisymétrie et 3D ...................................................... 46 Figure IV.12 Les conditions aux limites pour le domaine d’étude ......................................................... 46 Figure IV.13 Le maillage du domaine d’étude ....................................................................................... 46 Figure IV.14 uploads/Geographie/ non-destructif-testing-by-eddy-current-pdf.pdf