Development of an eddy current inversion algorithm for characterization of surface defects

Mohseni, Ehsan (2018). Development of an eddy current inversion algorithm for characterization of surface defects. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

There is an increasing concern in aerospace industry regarding the integrity and performance of ageing metallic structures in aircraft that have been in service for several years. Cyclic loads applied to these structures during taxiing, pressurization, taking off, depressurization, and landing promote the nucleation and growth of many fatigue cracks from the locations of stress concentration. These cracks shall be detected and sized reliably by non-destructive evaluation (NDE) methods before they reach a critical size, which may lead to disastrous failure of components. Not only the in-service inspections benefit from a reliable NDE system, but also the role of such systems is becoming vital during design stages. Nowadays, it is possible to use life estimation models developed based on fracture mechanics to estimate the maximum allowable defect size located in critical components for an anticipated life span. Moreover, risk assessment models take the estimated maximum allowable flaw size and the flaw size that can be reliably detected as inputs to plan periodical inspections. Bearing these in mind, it is evident that defect detection is not the only concern of NDE studies anymore. Hence, the recent studies try to focus on defect sizing and the reliability of the sizing as well.

Eddy current testing (ECT) is a well-established electromagnetic method of NDE. For several years, it has been employed to inspect the fuselage, wings, engine and wheel components of aircraft for tiny surface flaws. For these purposes, ECT split-D reflection differential surface probes are one of the best nominees since they provide a high signal-tonoise ratio. The complexity of electromagnetic theory governing ECT along with the very delicate geometrical details of such probes have slowed down the advances in analytical/semi-analytical modelling of the interaction between such probes and surface defects. Therefore, development of models that could provide quantitative measures of inspected defects has been accompanied with difficulties. However, with the growth of computer science and resources in recent decades, modelling of these kinds of problems using numerical methods such as finite element modelling has become faster than before. Furthermore, the soft computing techniques have become sophisticated enough to effectively imitate the pattern recognition and decision making abilities of human brain. These offerings, brought by the new technology era, can be integrated in order to develop new methodologies for interpretation of ECT signals and sizing of detected defects.

The present research aims at developing an eddy current inversion algorithm for characterization of surface defects. The research work consists of two main parts. The first part aims to develop a FEM tool to simulate scanning of surface notches with ECT probe. In this context, the capability of Comsol Multiphysics in modelling the interaction between a split-D probe and various surface notches was investigated and the model was validated by experimental results. Subsequently, an adaptive neuro-fuzzy inference system was designed and trained, using model-generated signals of various notches, for notch length estimation. Furthermore, the sizing system was tested and its performance was assessed. As a second part to this research, reliability of the manual and automated ECT system was investigated through comparing probability of detection curves obtained by testing defective ferromagnetic steel components. The study involved a split-D surface probe, different inspectors and variation of influential test parameters. The sizing concept proposed in this research can be used for any type of ECT probe, material and defect.

Titre traduit

Développement d'un algorithme d'inversion des courants de Foucault pour la caractérisation des défauts de surface

Résumé traduit

L'industrie aérospatiale est de plus en plus préoccupée par l'intégrité et la performance des structures métalliques vieillissantes dans les aéronefs qui ont été en service durant plusieurs années. Les charges cycliques appliquées à ces structures pendant la circulation au sol, la pressurisation, le décollage, la dépressurisation et l'atterrissage favorisent l’amorçage et la propagation de nombreuses fissures de fatigue dans les zones de concentration de contrainte. Ces fissures doivent être détectées et dimensionnées avec fiabilité par des méthodes de contrôle non destructif (CND) avant qu'elles n'atteignent une taille critique qui pourrait entraîner la défaillance désastreuse de la composante. Non seulement les inspections en service bénéficient d'un système de CND fiable, mais le rôle de ces systèmes devient vital lors des phases de conception. De nos jours, il est possible d'estimer la durée de vie d'une composante critique en se basant sur des modèles élaborés à partir de la mécanique de la rupture. Ces modèles permettent d’estimer, pour une durée de vie planifiée, la taille maximale d'un défaut acceptable dans une zone donnée. Par ailleurs, la taille maximale des défauts acceptables et la limite de détection fiable d'une technique de contrôle sont les intrants de modèles d'évaluation des risques utilisés pour planifier les inspections périodiques en service. En gardant cela à l'esprit, il est évident que la détection des défauts n'est plus la seule préoccupation des études sur les CND. Par conséquent, les études récentes tentent de se concentrer sur le dimensionnement des défauts et la fiabilité d'un tel dimensionnement.

Les essais par courants de Foucault (ECF) constituent une méthode électromagnétique de CND bien établie. Depuis plusieurs années, elle est utilisée pour inspecter les composants du fuselage, du moteur et des roues d'un aéronef à la recherche de légers défauts de surface. Dans ce contexte, les sondes de surface différentielles en réflexion (noyau en forme de D inversé) sont parmi les meilleures candidates puisqu'elles fournissent un rapport signal sur bruit élevé. La complexité de la théorie électromagnétique régissant les ECF, additionnée à la finesse des détails géométriques de ces sondes ont ralenti le développement de modèles analytiques et semi-analytiques portant sur l'interaction entre ces sondes et des défauts de surface. Par conséquent, le développement de modèles pouvant fournir des mesures quantitatives des défauts inspectés s'est accompagné de difficultés. Cependant, au cours des dernières décennies, avec le développement de l'informatique, la modélisation de ce type de problèmes est devenue plus facile grâce à des méthodes numériques telles que la modélisation par éléments finis (MEF). De plus, les techniques de calcul souple sont devenues suffisamment sophistiquées pour imiter efficacement la reconnaissance des forms et les capacités décisionnelles du cerveau humain. Ces nouvelles possibilités, issues de l'ère technologique, peuvent être intégrées afin de développer de nouvelles methodologies d'interprétation des signaux ECF et de dimensionnement des défauts détectés.

La présente recherche vise à développer un algorithme d'inversion des courants de Foucault pour caractériser des défauts de surface. Ce travail de recherche consiste en deux parties. La première vise à développer un outil MEF pour simuler le balayage des encoches de surface avec une sonde ECF. Dans ce contexte, la capacité de Comsol Multiphysics à modéliser l'interaction entre une sonde de surface différentielle et différentes encoches de surface a été étudiée et le modèle a été validé par des résultats expérimentaux. Par la suite, un système d'inférence adaptatif neuro-flou, conçu pour l'estimation de la longueur d'entailles, a été entraîné en utilisant les signaux de diverses encoches générées par simulation. De plus, le système de dimensionnement a été testé et sa performance a été évaluée. Concernant la deuxième partie de cette recherche, la fiabilité d'un système ECF manuel et automatisé a été étudiée en comparant les courbes de probabilité de détection obtenues en testant des composants en acier ferromagnétique comportant des fissures de fatigue. L'étude a porté sur une sonde de surface différentielle, différents inspecteurs et une variation de paramètres d'essai influents. Le concept de dimensionnement proposé dans cette recherche peut être utilisé pour tout type de sonde ECF, de matériau et de défaut.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 151-162).
Mots-clés libres:	contrôle non destructifs (CND), essai par courants de Foucault (ECF), sonde différentielle en réflexion, évaluation non destructive quantitative (ENDQ), dimensionnement de fissures, étude par modélisation, méthodes numériques, Mmthode par éléments finis (MEF), système d'inférence adaptatif neuro-flou (SIANF), fiabilité de l'inspection, probabilité de détection (PD), balayage manuel par courants de Foucault, courants de Foucault automatisés, simulation, fissures
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Viens, Martin
Codirecteur:	Codirecteur Xie, Wen-Fang
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 nov. 2018 19:54
Dernière modification:	28 nov. 2018 19:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2168

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