Simulation des phénomènes d’interaction entre ondes ultrasonores et microstructure métalliques pour l’imagerie et la caractérisation

L’interaction des ondes avec la matière dépend fortement de la fréquence de ces ondes et de l’échelle de leurs longueurs d’onde au regard des propriétés du milieu considéré. Dans le cadre des applications d’imagerie ultrasonore qui nous importent, les échelles considérées pour les métaux sont généralement de l’ordre du millimètre (du dixième à plusieurs dizaines de millimètres). Or, selon les procédés de fabrication utilisés, les milieux métalliques qui sont souvent anisotropes peuvent également présenter une microstructure dont les hétérogénéités ont des dimensions caractéristiques du même ordre. Ainsi, les ondes ultrasonores se propageant à travers des métaux peuvent, dans certaines circonstances, être fortement affectées par les microstructures de ces derniers. Cela peut représenter une gêne pour certaines techniques ultrasonore (atténuation, bruit de structure) ou, au contraire, une opportunité pour estimer des propriétés locales du métal inspecté.
L’objectif général de la thèse proposée vise à approfondir la compréhension du lien entre microstructure et comportement des ondes ultrasonores pour de grandes classes de matériau en bénéficiant des savoirs combinés du LEM3 pour la génération de microstructure virtuelle et du CEA pour la simulation de la propagation d’ondes ultrasonores.
Le travail proposé combinera l’acquisition et l’analyse de données expérimentales (matériau et ultrasons), l’utilisation d’outils de simulation, et le traitement statistique de données. Cela permettra une analyse les comportements selon les classes de matériaux, voire la mise en place de procédures d’inversion permettant de caractériser une microstructure à partir d’un jeu de données ultrasonores. La combinaison de ces méthodes permettra une approche holistique contribuant à des avancées significatives dans le domaine.

Orchestration intelligente et scalable pour garantir les performances et la fiabilité des systèmes Cloud Native

Le paradigme de Cloud Computing a apporté une nouvelle manière de concevoir les systèmes applicatifs en découplant fortement les applications et les plateformes sur lesquelles elles opèrent. C’est en particulier grâce aux techniques de virtualisation (machines virtuelles, conteneurs et bientôt WASM) et aux technologies d’orchestration qui leur sont respectivement associées (OpenStack, Kubernetes et CloudWASM), qu’il devient possible de porter, déployer et gérer des applications sur des ressources hétérogènes et à large échelle.
L’objectif de cette thèse consiste à apporter des stratégies et des mécanismes permettant de garantir la fiabilité des systèmes virtualisés. En particulier, l'orchestration de ces systèmes implique la gestion de plusieurs tâches telles que le déploiement de conteneurs, la mise à l'échelle des ressources, la gestion des mises à jour, la gestion des erreurs et la répartition de la charge entre les différents nœuds. Le ou les orchestrateurs jouent donc un rôle critique dans cette bonne mise en œuvre des traitements virtualisés.
Dans ce contexte, nous souhaitons bâtir une modélisation et un moteur d'analyse/remédiation permettant la garantie de SLOs dans une orchestration de conteneurs aussi bien au design time qu'à runtime. L'objectif final étant l’enrichissement du processus d'orchestration avec un système permettant de garantir et d'optimiser la gestion des ressources virtualisées.

Etude et exploitation de l’information spectrale du bruit Barkhausen appliquée à la caractérisation d’aciers

Le bruit magnétique de Barkhausen (magnetic Barkhausen noise, MBN) a gagné en popularité les derniers années dans le cadre d’évaluation de la santé structurelle des matériaux magnétiques. L'intérêt de l'application de cette technique vient de la forte dépendance des signaux MBN sur la microstructure du matériau ainsi que sur son niveau de contrainte et sa composition chimique.
Le développement d'outils d'analyse robustes et fiables basés sur les signaux MBN est cependant fortement défie par la complexité de la physique impliquée et sa sensibilité aux détails de la microstructure. Bien qu’un certain nombre de modèles aient été proposés au cours des dernières décennies et que des progrès significatifs aient été rapportés en termes de compréhension du phénomène, on encore loin de disposer une théorie complète.
En raison de ce manque de compréhension et de la complexité des signaux MBN, l’état actuel de la technique du point de vue des contrôles non destructifs (CND) repose presque entièrement sur la mesure et l’analyse de l’enveloppe du signal. L'information spectrale bien que riche en contenu est ignorée à ce niveau. Pourtant, il a été démontré que le spectre MBN peut donner lieu à une classification des matériaux magnétiques en différentes classes d'universalité basées sur des caractéristiques microstructurales, notamment le degré de désordre.
Les travaux de recherche associées à la thèse proposée visent à contribuer à l'utilisation des mesures spectrales pour la caractérisation des matériaux magnétiques, notamment les aciers. Des mesures précises de MBN obtenues à partir de différentes microstructures à l'aide d'une configuration dédiée (développée dans le cadre des travaux de thèse) seront analysées et comparées à des simulations théoriques basées sur des outils préalablement développés par l'institut d'accueil afin de
• Valider et affiner les modèles théoriques
• Étudier l'impact de la microstructure (taille des grains, dislocations) sur les caractéristiques du spectre
• Explorer la classification des microstructures considérées en différentes classes
Partant de matériaux modèles bien connus (FeSi et FeCo), pour lesquels de nombreux résultats publiés existent et qui peuvent donc être utilisés comme référence, l'étude se concentrera ensuite sur certaines nuances d'acier industrielles importantes comme le sans interstitiel (IF) et les aciers à faible teneur en carbone (LC).
La thèse sera dirigée et encadrée conjointement par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et l'Institut CEIT. La partie principale du travail sera effectuée au centre de recherche du CEA à Saclay, en France, avec possibilité de séjours à l'institut CEIT de San Sebastian, en Espagne.
Le profil du candidat recherché est compatible avec des physiciens et ingénieurs avec une bonne base en physique de l’état solide et une solide compréhension de l’électromagnétisme. Des notions métallurgiques de base et une familiarisation avec les équipements standards de laboratoire sont également attendues. Des connaissances de base en programmation seront aussi utiles. Le candidat est également supposé avoir de bonnes compétences en communication en anglais.
Le candidat bénéficiera d'un accès aux installations expérimentales des deux centres, à la bibliothèque centrale du CEA et au réseau de transports du CEA ainsi qu'aux installations de restauration.

Caractérisation microstructurale par tomographie ultrasons-laser volumiques

Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre de la conception de méthodes innovantes en caractérisation de matériaux. La thèse vise la mise au point d’une nouvelle technique tomographique de caractérisation de microstructures en employant des ultrasons-laser volumiques. Dans l’état de l’art, les méthodes acoustiques que sont le microscope acoustique à balayage et la spectroscopie opto-acoustique à ondes de surface conduisent à une imagerie des grains mais uniquement au niveau de la surface de l’échantillon. Or les procédés de fabrication industrielle (en métallurgie, soudage, fabrication additive…) peuvent faire apparaitre une inhomogénéité spatiale de la microstructure comme par exemple des gradients de taille de grain avec la profondeur au sein du composant. La diffraction par rétrodiffusion des électrons (EBSD) fournit aussi une imagerie surfacique des grains mais présente des inconvénients dont la restriction sur la taille de l'échantillon et la nécessité de faire des coupes transversales à travers l'échantillon pour imager son volume.
L’idée proposée est alors de développer une technique de tomographie par ultrasons-laser de volume qui permettrait de remonter à la taille de grains le long de zones d’un composant voire d’obtenir une imagerie de microstructures à gros grains et une détermination locale de l’orientation cristallographique. Le principal objectif de la thèse sera donc de concevoir un tel outil expérimental de caractérisation et d’en optimiser le design à l’aide d’un jumeau numérique à développer.

Metrologie répartie haute cadence et haute capacité par réseaux de Bragg pour les applications de surveillance structurelle (SHM)

En complément des techniques de contrôle périodique non destructif, la surveillance de santé des structures (Structural Health Monitoring – SHM) fait intervenir des systèmes de mesures in situ par fibres optiques et réseaux de Bragg (RdB) et des algorithmes d’évaluation fonctionnelle. Les RdB délivrent des mesures in-situ de déformation et de température et renseignent sur l’état de déformation interne d’une structure consécutif à la fatigue ou à des impacts. Ils sont également utilisés comme détecteurs acoustiques, en remplacement des céramiques piézoélectriques. La surveillance de structures étendues ou les analyses acoustiques par tomographies active ou passive nécessitent simultanément une capacité de mesure et une cadence d’acquisition élevée. Or les unités de lecture RdB commerciales sont essentiellement basées sur des techniques de multiplexage spectral (Wavelength-Division Multiplexing, WDM) ou sur la réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry, OFDR). Les unités WDM sont limitées en capacité (typiquement quelques dizaines de points de mesure) mais peuvent présenter des cadences supérieures au MHz compatibles avec une analyse acoustique. A contrario, les unités OFDR peuvent gérer plusieurs milliers de points de mesure mais à des cadences réduites (inférieures à la centaine de Hz). La spectrométrie Bragg dispersive (DBS) est une technique innovante susceptible de lever ces limitations et d’aboutir simultanément à une cadence et une capacité de mesure élevées, ouvrant ainsi la voie à une reconstruction tomographique performante. Le principe consiste à utiliser un laser impulsionnel, un milieu fortement dispersif, un détecteur large bande et un oscilloscope à grande bande passante (HDO) et transformer un décalage de longueur d’onde de Bragg et un retard temporel. Différents modes d’application de cette technique seront évalués durant ce travail de thèse, avec des lignes de RdB multiples (e.g. DTG) ou des réseaux à périodes variables. La technique DBS sera préalablement évaluée au laboratoire (LSPM) avec des céramiques piézoélectriques, voire par la technique laser ultrasonique (avec CNRS/PIMM). Puis, elle sera testée sur différents démonstrateurs offerts par les partenaires institutionnels et industriels du réseau doctoral MSCA USES 2 : structure de génie civil (BAM [Berlin, Allemagne]), réservoir d’hydrogène en composite (Faber [Cividale del Friuli, Italie], CEA DAM [Le Ripault]) et conduite métallique de transport de fluides (ENI [Milano, Italie]). Le doctorant se déplacera sur ces différents sites d’essais (période de 2 mois chacune), y implémentera la technique DBS et procédera au retour d’expérience de terrain.

Contrôle de manipulateur mobile à haute mobilité en contexte dynamique

Le développement de manipulateur mobile capable de capacités d'adaptation est porteur d'avancées importantes pour le développement de nouveaux moyens de production, que ce soit dans des applications industrielles ou agricoles. En effet de telles technologies permettent de réaliser des tâches répétitives avec précision et sans contraintes liées à la limitation de l'espace de travail. Néanmoins, l'efficience de tels robots est soumise à leur adaptation à la variabilité du contexte d’évolution et de la tâche à réaliser. Aussi, cette thèse propose de concevoir des mécanismes d'adaptation des comportements sensori-moteurs pour ce type de robots, afin de garantir une bonne adéquation de leurs actions en fonction de la situation. Elle envisage d'étendre les capacités de reconfiguration des approches de perception et de commande par l'apport de l'Intelligence Artificielle, ici comprise au sens de l'apprentissage profond. Il s'agira de développer de nouvelles architectures décisionnelles capables d'optimiser les comportements robotiques pour la manipulation mobile dans des contextes évolutifs (notamment intérieur-extérieur) et la réalisation de plusieurs travaux de précision.

Etude de méthodes d’inversion basées sur de la simulation et de l’apprentissage machine pour la caractérisation de défauts en imagerie ultrasonore multi-éléments

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre des activités du Département Imagerie et Simulation pour le Contrôle (DISC) dans le domaine du Contrôle Non-Destructif (CND), et vise à caractériser des défauts en inversant des images ultrasonores de type TFM (Total Focusing Method) ou PWI (Plane Wave Imaging) via des méthodes d’apprentissage automatique et des bases de données simulées avec la plate-forme logicielle CIVA. Un premier volet portera sur l’inversion des images pour caractériser un défaut (localisation, taille, orientation…) sans a priori sur les caractéristiques recherchées, et ce, en exploitant les artefacts d’imagerie liés à l’emploi de modes de propagation non adaptés. Dans un deuxième volet, cette démarche d’inversion sera mise en œuvre dans une situation plus réaliste où les images sont affectées par des incertitudes sur les propriétés du composant et/ou sur le dispositif expérimental. Pour réduire les temps de calcul de la base de données, et gagner en robustesse et précision, on étudiera la faisabilité d’inverser de l’imagerie rapide combinant, par exemple, la méthode PWI et des méthodes de reconstruction dans le domaine de Fourier, voire la faisabilité d’inverser directement les signaux ou les spectres en s’affranchissant du calcul des images. Le méthode d’inversion sera évaluée expérimentalement avec différentes maquettes représentatives de composants industriels, et, à l’issue de thèse, une preuve de concept temps-réel sera démontrée en implémentant l’imagerie et l’inversion dans un système prototype de laboratoire.

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