Le module de simulation CIVA CF

Le module de simulation CIVA CF permet la simulation des variations spatiales et temporelles des différentes composantes vectorielles de champs électromagnétiques (statiques et dynamiques) induits par une géométrie donnée de bobine électrique et d’aimant permanent dans un milieu magnétique donné. L’application principale de ce module consiste à simuler l’interaction des courants de Foucault induits par une bobine électrique émettrice dans un milieu conducteur, magnétique ou non, avec un défaut mécanique (principalement surfacique en raison de la faible profondeur de pénétration des champs électromagnétiques régie par l’épaisseur de peau). En effet, la présence d’un défaut structurel induit une variation d’impédance électrique qui peut être mesurée par une bobine réceptrice (bobine émettrice et réceptrice pouvant être confondues). Ce module permet de déterminer la signature électrique d’un défaut selon sa nature et sa géométrie, simulant ainsi le résultat d’un contrôle par courants de Foucault

[Reboud-et-al_2009]. Les variations spatiales et temporelles des champs électromagnétiques dynamiques 𝐄𝐝 et 𝐇𝐝 induits par une bobine électrique de géométrie donnée sont déterminées par la

les fréquences de calcul étant déterminées à partir de la donnée des variations temporelles (et de l’intensité) du courant électrique injecté dans la bobine. Cette donnée électrique n’étant pas systématiquement accessible en application industrielle, il est également possible de renseigner dans le module CIVA CF directement le signal en tension délivré par le générateur utilisé, à condition de connaître les paramètres élémentaires du circuit électrique équivalent de la configuration d’inspection étudiée (en particulier en fonction de la fréquence d’étude). Dans le cas du contrôle par EMAT d’un milieu ferromagnétique, la définition des paramètres du circuit électrique équivalent fait l’objet de quelques études théoriques et expérimentales, avec notamment les travaux de Jian et al. [Jian-et- al_2006a, Jian-et-al_2006b], Seher et Challis [Seher-Challis_2016]. Ces études permettent par exemple de déterminer la fréquence de résonnance du circuit électrique équivalent à la configuration d’inspection étudiée (comprenant le traducteur EMAT, son système d’alimentation et le milieu inspecté), ce qui détermine notamment la fréquence optimale de fonctionnement du capteur étudié et permet de contrôler le niveau de bruit électrique induit dans la bobine réceptrice. Ces travaux ne statuent cependant pas de façon définitive sur un circuit électrique équivalent typique d’une inspection par EMAT selon la fréquence d’excitation du courant. Ainsi, pour utiliser directement la tension électrique en entrée du module CIVA CF, le circuit électrique équivalent de la configuration spécifique d’inspection doit être systématiquement adapté à l’application industrielle considérée, et il peut parfois être plus simple et plus précis de mesurer directement le courant électrique circulant dans la bobine que de déterminer ces paramètres électriques selon la complexité du montage électrique de l’application étudiée. C’est la raison pour laquelle le signal en courant électrique est considéré dans cette étude, sa mesure expérimentale étant étudiée au Chapitre 5 (Section 5.1.2).

Le module CIVA CF permet de traiter de nombreuses géométries de bobines inductrices, avec un temps de calcul des champs électromagnétiques très faible (de l’ordre de la seconde par fréquence de calcul) qui dépend de la complexité géométrique de la bobine et du milieu inspecté. Les géométries de bobines disponibles dans le module de simulation CIVA CF sont illustrées sur la Figure 4.56.

Figure 4.56 : Géométries de bobine inductrice disponibles dans le module CIVA CF.

La densité volumique de courants de Foucault 𝐉_𝐝 induits dans le milieu inspecté par cette excitation électromagnétique est ensuite déterminée selon la loi d’Ohm 𝐉𝐝= σ𝐄𝐝, avec σ la conductivité électrique

du milieu conducteur inspecté. Des travaux récents de Caire [Caire_2014] permettent de traiter le cas de milieux inhomogènes de géométrie complexe, qui présentent une conductivité continûment variable (spatialement), à l’aide de développements tensoriels impliquant le tenseur métrique.

Pour l’inspection d’un milieu ferromagnétique, la simulation des variations spatiales des champs d’excitation statique et dynamique, notamment dans la profondeur, implique naturellement la connaissance de la loi macroscopique de comportement magnétique 𝐌(𝐇) du milieu inspecté (Chapitre 2). Des travaux sont menés au CEA LIST dans le cadre de projets européens sur la définition de méthodes numériques permettant la simulation rapide des champs magnétiques dynamiques induits en milieux ferromagnétiques en prenant en compte une loi de comportement magnétique non-linéaire

[Skarlatos-Theodoulidis_2016], notamment dans le but de caractériser la microstructure inspectée. Dans cette étude, le modèle magnétodynamique adopté est linéaire étant donné les faibles intensités d’excitation magnétique dynamique couramment considérées dans une application de CND par EMAT. Cette approximation est notamment utilisée dans les travaux de Dahia et al. [Dahia-et-al_2015] pour la modélisation d’une configuration d’inspection par courants de Foucault en milieu ferromagnétique. Le module CIVA CF permet également la prise en compte d’un aimant permanent dans la conception de capteurs (par exemple dans l’optique de simuler un contrôle par flux de fuite). Les variations spatiales du champ d’induction magnétique 𝐁𝐬 sont déterminées analytiquement à partir de la connaissance de

l’intensité et de la polarisation du vecteur d’aimantation permanente délivrée au centre de l’aimant et selon sa géométrie, parallélépipédique [Gou-et-al_2004] ou cylindrique [Ravaud-et-al_2010]. Ces deux géométries d’aimants couvrent une très large gamme d’applications industrielles en pratique.

Ainsi, les champs électromagnétiques statiques et dynamiques calculés par le module de simulation CIVA CF sont les excitations à l’origine des phénomènes de transduction ultrasonore induit par un traducteur EMAT en milieux ferromagnétiques. Ces champs constituent naturellement les données d’entrée d’un module de simulation EMAT dédié à la modélisation des phénomènes de couplage électromagnéto-élastique qui interviennent en milieux ferromagnétiques.