Implémentation de l’imagerie ultrasonore multi-éléments de pièces complexes à l’aide d’un bras robotisé

Soetemont, Adrien (2023). Implémentation de l’imagerie ultrasonore multi-éléments de pièces complexes à l’aide d’un bras robotisé. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (10MB) | Prévisualisation

Résumé

Dans l’industrie, de nombreuses pièces mécaniques doivent être régulièrement inspectées car le maintien de leur intégrité structurelle est critique, une défaillance pouvant avoir de graves conséquences financières ou pire, humaines. Différentes techniques de contrôle non destructif ont donc été développées à cette fin. Il est souvent nécessaire d’obtenir des informations sur l’intérieur des composants à contrôler. Pour cela, les inspections ultrasonores ou par rayons X sont largement utilisées. La première comporte l’avantage d’être sans risque pour la santé humaine et plus flexible que la seconde car elle met en jeu des dispositifs plus compacts et généralement portatifs. De plus, des techniques avancées d’imagerie ultrasonore utilisant des sondes multi-éléments permettent d’obtenir des images de plus en plus précises, comme la méthode de focalisation en tout point (TFM pour Total Focusing Method) qui devient la référence dans ce domaine. Cependant, lorsqu’il faut vérifier des pièces de géométrie complexe, comme des raccordements de tuyaux, ou des pièces forgées, les inspections doivent être faites en immersion ou à l’aide d’un sabot qui se conforme à la surface concernée. Les ultrasons passent donc dans deux milieux de propagation différents et sont réfractés et déviés à l’interface. À cause de cela, il est difficile de bien paramétrer leurs inspections pour qu’elles soient fiables et répétables alors qu’il est nécessaire de détecter tous les défauts qu’elles pourraient comporter. En effet, une légère variation de la position de la sonde vis-à-vis de la pièce peut drastiquement changer le résultat de l’imagerie ultrasonore.

Il peut donc être intéressant de les réaliser dans une cellule robotisée pour obtenir un contrôle complet sur l’orientation et la position de la sonde. Afin de définir cette position, on peut utiliser des simulations numériques, déjà développées depuis des dizaines d’années dans le domaine des inspections ultrasonores. Dans ce mémoire on se propose de mettre en oeuvre des simulations dans le cas de l’imagerie ultrasonore multi-éléments de pièces complexes. On utilisera une méthode par éléments finis pour prévoir la réponse de défauts de toutes formes. L’inconvénient de cette méthode est son temps de calcul long, qui est critique pour les simulations multi-éléments où l’on doit faire autant de simulations que le nombre d’émetteurs de la sonde. On choisira donc POGO, un logiciel de calculs par éléments finis sur carte graphique entièrement configurable et bien plus rapide que ceux utilisant le processeur central. De plus, on mettra en place une simulation hybride pour n’utiliser les éléments finis que dans la zone comportant potentiellement des défauts et des calculs analytiques pour le reste de la propagation ultrasonore. Enfin, on confrontera les images TFM simulées à des images TFM expérimentales dans des configurations simples pour commencer puis dans le cas d’un naseau raccordé sur un tuyau.

Titre traduit

Implementation of a multi-element ultrasonic imaging for complex parts using a robotic arm

Résumé traduit

In industry, many mechanical parts need to be regularly inspected because maintaining their structural integrity is critical, as failures can have serious financial or, worse still, human consequences. Various nondestructive testing techniques have therefore been developed for this purpose. It is often necessary to obtain subsurface information of the components to be inspected. Ultrasonic or X-ray inspections are widely used for this purpose. Ultrasounds have the advantage of being risk-free for human health and more flexible than X-Rays because it involves more compact and usually portable devices. In addition, advanced ultrasound imaging techniques using multi-element probes enable increasingly accurate images to be obtained, such as the Total Focusing Method (TFM), which is becoming the gold standard in this field. However, when it comes to inspecting parts with complex geometries, such as pipe connections or forged parts, inspections have to be carried out in immersion or using a wedge that conforms to the surface. Ultrasound passes through two different propagation media and is refracted and deflected at the interface. As a result, it is difficult to properly configurate the ultrasonic inspection of complex parts so that it is reliable and repeatable although it is necessary to detect all the defects that they may contain. Indeed, a slight variation in the position of the probe relative to the part can drastically change the result of the ultrasound imaging.

It may therefore be worthwhile to carry out these inspections in a robotic cell to obtain complete control over the orientation and position of the probe. In order to define this position, numerical simulations can be used, which have already been developed for several decades in the field of ultrasonic inspection. In this thesis, we propose to implement simulations in the case of multi-element ultrasonic imaging of complex parts. A finite element method will be used to model the response of defects of any shape. The disadvantage of this method is its long computation time, which is critical for multi-element simulations where the number of simulations that must be carried out is equal to the number of emitters in the probe. We will therefore choose POGO, a finite element calculation software implemented on graphics processors that is fully configurable and much faster than those using the central processor. In addition, a hybrid simulation method will be set up to use finite elements only in the area with potential defects and analytical calculations for the rest of the ultrasonic propagation. Finally, the simulated TFM images will be compared with experimental TFM images in simple configurations to begin with, and then in the case of a nozzle welded to a pipe containing known defects.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 85-87).
Mots-clés libres:	inspection, ultrasons, pièces complexes, simulation éléments finis, imagerie multiélément, TFM
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	29 août 2024 13:45
Dernière modification:	29 août 2024 13:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3382

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt