Damage Detection and Fault Diagnosis in Mechanical Systems using Vibration Signals

Cette thèse a pour but d’identifier de changements dans le comportement dynamique d’un système mécanique par le développement des techniques d’identification, de détection et de recalage de modèle. Un endommagement ou une activation de non - linéarité est considéré responsable du changement. Une bien connue classification pour la détection d’endommagement dans la littérature est utilisée dans la thèse, qui définit quatre niveaux dans l’ordre croissant de complexité:-Niveau 1 : Détection d’endommagement : inspection de la présence d’endommagement dans la structure.-Niveau 2 : Localisation d’endommagement : détermination de position de l’endommagement.-Niveau 3 : Evaluation de la gravité de l’endommagement.-Niveau 4 : Prévision de la durée restant de vie de la structure.Selon la classification décrite ci-dessus, le problème de diagnostic dans cette thèse est abordé pour les trois premiers niveaux, i.e. détection, localisation et évaluation. L’identification d’endommagements ou d’activation de non - linéarité est basée sur une comparaison entre un état actuel et l’état de référence (en normal condition). La thèse est organisée comme suit :Chapitre 1 présente une étude bibliographique sur des méthodes d’indentification modale et de détection. Cette partie décrit quelques caractéristiques principales de systèmes non - linéaires et également des défis que présente la non - linéarité. Les problèmes de localisation et d’évaluation sont discutés ensuite.Chapitres 2, 3 et 4 se concentrent sur la détection de défaut, par exemple l’activation de non – linéarité ou l’apparition d’endommagement par trois méthodes respectivement : la Transformée en ondelettes (Wavelet transform), la Séparation aveugle au second ordre (Second-Order Blind Identification) et l’Analyse en composantes principales à noyau (Kernel Principal component Analysis). Seuls des signaux de sortie sont utilisés pour le traitement. Les deux premières méthodes réalisent la surveillance structurale par un processus d’identification modale, tandis que la dernière méthode exerce directement dans des espaces caractéristiques déterminés par une fonction de noyau choisie. La détection peut être réalisée au moyen du concept d’angle entre sous-espaces ou basée sur des statistiques. La robustesse des méthodes est illustrée sur une structure de poutre avec une non -linéarité géométrique à un bout ; ce modèle a été étudié dans le cadre d’un projet de recherche européenne COST F3. Des autres exemples sont également considérés, tels qu’une maquette d’avion avec différents niveaux d’endommagement et deux applications industrielles avec le but de contrôle de qualité sur un set d’appareils électro - mécaniques et sur des joints de soudure. Chapitre 5 vise à la localisation d’endommagement basée sur l’analyse de sensibilité des résultats de l’Analyse en composantes principales dans le domaine fréquentiel. La localisation est exécutée par la comparaison des sensibilités de composantes principales entre l’état de référence (saine) et un état endommagé. Seules les réponses mesurées, e.g. réponses en fréquence (FRFs) sont nécessaires pour cet objectif. Après l’analyse de sensibilité au Chapitre 5, Chapitre 6 s’adresse à l’évaluation de paramètres, par exemple estimation d’endommagements. Pour ce but, une procédure de recalage de modèle est exécutée. Cette procédure demande de construire un modèle analytique de la structure. L’analyse de sensibilité pour la localisation d’endommagement est illustrée par des données numériques et expérimentales dans des systèmes de masse - ressort et dans des structures de poutre. Une réelle structure, i.e. le pont I-40 à New Mexico qui a été détruite en 1993 est aussi examinée. Enfin, des conclusions sont retirées basées sur le travail réalisé et quelques perspectives sont proposées pour la continuation de cette recherche.