Capacidades e aplicaciones de la plataforma de ?· Capacidades e aplicaciones de la plataforma de simulación…

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    19-Sep-2018

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<ul><li><p>Capacidades e aplicaciones de la plataforma de simulacin CIVA 10 </p><p>Fabrice FOUCHER, Roman FERNANDEZ, EXTENDE, </p><p>86 rue de Paris, Btiment Erable, 91400 ORSAY, FRANCE Keywords: Modelling, Simulation, Ultrasonic Testing, Eddy Current Testing, Radiographic Testing Resumen Las simulaciones de tcnicas END son cada da mas utilizadas en el mundo industrial. Las aplicaciones son numerosas y ofrecen una gran diversidad de posibilidades: demostracin de la capacidad de las tcnicas de inspeccin, prueba de calificacin, diseo de los traductores (phased array, por ejemplo), ensayos virtuales, ayuda a los diagnsticos y reconstruccin de los datos de adquisicin. El uso de la modelizacin permite reducir la cantidad de maquetas costosas necesarias durante las diferentes etapas del procedimiento de control no destructivo. La modelizacin ayuda tambin a perfeccionar el rendimiento y la comprensin de estos mtodos. La plataforma de modelizacin CIVA, desarrollada por el CEA y distribuida por EXTENDE, es el instrumento lder en el mercado de la simulacin en NDE. CIVA ofrece tres tcnicas superiores: ensayos por ultrasonidos (mtodo convencional, o phased array, TOFD, o tcnica de ondas guiadas), ensayos por rayos X y ensayos por corrientes inducidas. Para llenar los requisitos de un tiempo de clculo compatible con una utilizacin en un contexto industrial, se propone una doble estrategia: la seleccin de un mtodo de clculo semi-analtico en vez de un mtodo totalmente numrico (elementos finitos, diferencias finitas) y el desarrollo de modelos utilizables en el programa para cualquier operador que no sea especializado en la simulacin. El campo de uso de este programa se ha ido diversificando cada vez ms: industria nuclear, industria aeronutica, defensa, carriles de tren, industria metalrgica, petrleo, gas, Este papel se focaliza en aplicaciones y progresos recientes las capacidades del programa en su ltima versin CIVA 10. Varias mejoras se han implementado, ya sea en la capacidad de simular configuraciones realistas (en trminos de la geometra de la pieza por revisar, el material, la morfologa de la fisura y el traductor) o respecto a la visualizacin y el diseo de la interfaz hombre-mquina para facilitar el uso de CIVA y ganar en eficiencia. Las capacidades de CIVA 10 se expondrn mediante una presentacin y se ilustrarn en aplicaciones industriales y casos de validaciones. Abstract Simulations of NDT techniques are becoming more widely used by the industrial world. The applications are numerous and show a great variety: performance demonstration of existing techniques, qualification, probe design (e.g. phased arrays), virtual testing, help with diagnosis and data reconstruction. The use of modeling allows reducing the number of costly mock-ups involved at the different steps of the NDE process while helping to improve the performance and the understanding of these methods. The CIVA modeling platform developed by the CEA and distributed by EXTENDE is the leading tool available on the market for NDE simulations. It allows addressing three major techniques: Ultrasonic Testing (conventional UT as well as phased-arrays, TOFD or Guided-waves techniques), Radiographic Testing and Eddy Current Testing. For fulfilling the requirement of computation times compatible with practical use in an industrial context, a twofold strategy was put forward: the choice of semi-analytical methods rather than fully numerical methods (finite elements, finite differences, etc.), and the development of models integrated into software </p><p>5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico</p></li><li><p>modules usable by operators who are not simulation specialists. The application fields have become increasingly diverse: nuclear industry, aircraft industry, defense, railways, steel industry, oil&amp;gaz,..This communication focuses on the applications and the recent advances in the capabilities of the software in its latest release, CIVA 10. A lot of improvements have been implemented, whatever it is regarding the capacity to simulate realistic configurations (in terms of test of piece geometries and materials, crack morphologies and transducers) as well as regarding the graphical user interface, in order to ease users life and gain efficiency. CIVA 10 capabilities will be presented and illustrated on industrial applications and validation cases. LA PLATAFORMA CIVA Las simulaciones desempean un papel cada vez ms importante en los END y permiten entre otras cosas disear el mtodo de inspeccin, calificar esas inspecciones o contribuir al peritaje de los resultados. La plataforma CIVA, desarrollada por el CEA LIST junta tres tcnicas mayores de los END: Ultrasonidos (UT), Corrientes Inducidas (ET) y Radiografa (RT). Estos tres mdulos sacan provecho de una misma interfaz y de herramientas de anlisis comunes, lo que facilita el uso del programa. Las formulaciones matemticas utilizadas en los diferentes mdulos se apoyan en modelos semi-analticos en vez de un mtodo totalmente numrico (elementos finitos, diferencias finitas). Estas aproximaciones permiten resolver un rango importante de aplicaciones, ofreciendo tiempo de clculo muy competitivo a comparacin de los mtodos totalmente numricos. El modulo de simulacin del campo ultrasnico se apoya en un mtodo de pinceles (pencil method) que integra una aproximacin geomtrica tipo rayos con una formulacin integral que permite cuantificar este campo. Diferentes algoritmos basados en mtodos de perturbaciones tipo Kirchhoff o GTD se utilizan para calcular la interaccin del haz con los defectos. El modulo de corrientes inducidas utiliza un mtodo de integrales de volumen que requiere un mallado nico del defecto, el clculo del campo electromagntico incidente se apoya en formulas analticas. Finalmente, el modulo de radiografa integra una aproximacin tipo rayos usando la ley de absorcin, tambin conocida como ley de Beer-Lambert para el clculo de la radiacin directa. A este clculo se aade una aproximacin probabilstica, tipo Monte-Carlo, para simular los efectos de interaccin fotones-materia y as tomar en cuenta los fenmenos de radiacin difusa. Para ms informaciones en estos mtodos, el lector podr reportarse a los artculos mencionados en las referencias: [1] para el modulo UT, [2] para las corrientes inducidas y [3] para la simulacin en radiografa. Unas de las mayores ventajas de estos modelos semi-analticos es favorecer la realizacin de estudios paramtricos compatibles con un uso industrial (estudio de sensibilidad, encontrar la configuracin de inspeccin optima o buscar los casos ms desfavorables). Gracias a tiempos de clculos relativamente cortos, la simulacin ofrece numerosos resultados que se pueden analizar en un entorno adaptado, lo que constituye un beneficio real para optimizar el rendimiento de los procedimientos END y de los gastos. El CEA no deja de validar los diferentes mdulos incluyendo participaciones en Benchmarks internacionales [4]. NUEVAS CAPACIDADES DE MODELIZACION La plataforma CIVA propone nuevas posibilidades de simulacin, incluyendo varias mejoras. La versin 10.0 ofrece nuevas capacidades de modelizacin en las tres tcnicas propuestas: </p></li><li><p>Ahora, el modulo de ultrasonidos toma en cuenta las geometras tipo 3D CAD para el clculo de la respuesta de los defectos. Podemos citar tambin la posibilidad de simular defectos ms reales con morfologas complejas, o la posibilidad de simular numerosos rebotes y ondas reptantes en la pieza. Un nuevo material ha sido integrado para simular aceros gruesos permitiendo simular la desviacin del haz en estructura metalrgica. La herramienta de simulacin por Corrientes inducidas cuenta con nuevos sensores, en particular es ahora posible simular multi-elementos matriciales y GMR. Otra novedad es la posibilidad de aadir varios defectos en la pieza y combinar la respuesta para estudiar las seales generadas por entalladuras longitudinales y transversales por ejemplo. Los desarrollos en radiografa para la versin 10 se focalizaron en la optimizacin de los tiempos de clculos. En particular el clculo Monte-Carlo es distribuido en los diferentes procesores del ordenador. La simulacin de la radiacin difusa en componente denso y ancho necesita ahora algunas horas en vez de das. Adems, CIVA ofrece la posibilidad de recargar un Monte-Carlo para estudiar el efecto del tiempo de exposicin de la fuente X o la orientacin del defecto. Finalmente, es ahora posible calcular curvas POD a partir de simulaciones realizadas con CIVA. CIVA permite describir los parmetros inciertos y sus rangos de variaciones (como la orientacin del defecto, los parmetros del traductor, el ruido). CIVA calcula la serie de configuraciones tomando en cuenta estos parmetros inciertos gracias a una distribucin estadstica. CIVA extrae entonces la curva POD donde se puede definir un umbral de deteccin correspondiendo al procedimiento de inspeccin. Eso permite finalmente reproducir la variacin de la respuesta de las seales de los defectos, debido a estas incertidumbres. Las simulaciones pueden substituir en parte los ensayos experimentales realizados en maquetas y aumentar los ensayos para sacar un mejor control de los parmetros influyentes. </p><p> Figura 1: Ejemplos de curvas POD obtenidas con las simulaciones CIVA </p><p>En la figura 1, se pueden observar dos curvas POD que corresponden a la simulacin de un componente en acero inoxidable con un palpador en T45. Dos niveles de ruido metalrgico estn simulados en estos dos casos. La referencia [5] aporta ms informacin y detalles en la modelizacin de curvas POD y sus aplicaciones. </p></li><li><p>CIVA: APLICACION PARA LA DEMOSTRACION DE RENDIMIENTO La modelizacin resulta ser particularmente interesante en los casos de calificaciones de mtodos de inspeccin. Constituir un reporte de justificacin tcnica implica estudiar y evaluar la sensibilidad del mtodo de control sobre los parmetros influyentes con el fin de demostrar el rendimiento de este mtodo y apreciar los lmites. As, es necesario estudiar las variaciones de parmetros influyentes como el tamao del defecto, su orientacin o posicin, estudiar la sensibilidad del transductor alrededor de sus valores nominales. Presentamos el caso de un manguito trmico de un generador de vapor representado en la figura ms abajo. El control se hace con un palpador en contacto en ondas transversales con un ngulo de 45 en la pieza. La figura 2 representa la configuracin nominal con un resultado por una posicin del defecto. </p><p> Figura 2: inspeccin de un manguito trmico </p><p> La calificacin de esta inspeccin requiere el estudio de la sensibilidad de la respuesta del defecto con la posicin angular de este defecto alrededor del manguito (figure 3). La realizacin de varias maquetas por cada posicin de defecto es casi imposible y se revela demasiado costosa, sin evocar el tiempo necesario para analizar todos los datos. El mtodo descrito aqu permite construir nicamente una maqueta con dos posiciones de defectos y completar el ensayo experimental con la simulacin usando la herramienta de variacin paramtrica. La comparacin entre medidas experimentales en la maqueta existente y la simulacin permite validar el modelo. As, se puede analizar el rango completo de variacin gracias a la simulacin y se obtienen todos los resultados requeridos que podrn compararse con los criterios de deteccin definidos para este control. </p><p> Figura 3: estudios de diferentes posiciones del defecto/ datos de validacin comprobados con dos </p><p>resultados experimentales </p></li><li><p> CIVA: APLICACION A LA INTRODUCCION DE TECNOLOGIAS INNOVADORES Otro beneficio de la simulacin es la capacidad en ayudar a la introduccin de mtodos de inspeccin innovadores. Ensayos pre-diseados pueden ser realizados a bajo precio, lo que dar las primeras respuestas de este nuevo diseo, minimizando las iteraciones durante la fase de construccin de prototipos (realizacin ms eficaz de prototipos). Ms pronto en el procedimiento, la simulacin permite comparar el rendimiento de sensores innovadores con los sensores convencionales, antes de invertir en una nueva tecnologa. El diseo de una red de bobinas puede ser un ejemplo de sensores innovadores. La figura 4 representa un Eddy Current array, hecho con una serie de micro-bobinas, diseadas por el CEA con el apoyo de CIVA. Esta sonda se compone de 64 micro-bobinas repartidas en dos capas de 32 elementos separados por una pelcula en kapton y montada sobre un soporte flexible. . </p><p> Figura 4: Red de sensores CF flexibles </p><p> Si se compara con un mtodo convencional hecho con sensores estndares, esta tecnologa multi-elementos presenta ventajas significantes, permite por ejemplo detectar pequeas indicaciones con una muy buena resolucin. Los multi-elementos requieren menos posiciones de adquisicin, lo que reduce el escaneo mecnico, y desde entonces el tiempo de inspeccin. Adems, la gestin electrnica de los elementos permite beneficiarse de varios canales de inspeccin. Finalmente, la flexibilidad de este sensor montado sobre rodadura de silicn, asegura un acoplamiento perfecto con el componente, reduciendo la variacin del lift-off en perfiles irregulares [6]. En este tipo de tecnologa (todava no muy utilizado en la industria), el procedimiento de diseo puede revelarse largo. Con la simulacin, resulta ser posible explorar las diferentes posibilidades sin tener que invertir demasiado, para finalmente alcanzar un nivel dado de rendimiento (tamao mnimo de defecto que se puede detectar, mejorar el ratio seal sobre ruido). El tamao de los elementos, la distancia entre los elementos, las frecuencias de trabajo, los modos de adquisiciones, representan variables que afectan el rendimiento y que se pueden definir, evaluar y cambiar en CIVA. </p></li><li><p> Figura 5: Interfaz especifica de CIVA ET para definir y controlar una red de sensores </p><p> En la figura 6 se puede observar tres diferentes juegos de elementos matriciales con 64 micro-bobinas. Cada diseo tiene distintas dimensiones de bobinas, distinto espacio entre las bobinas y diferentes modos de adquisicin. Estas tres soluciones son probadas por simulacin con un defecto de 4mm*0.2mm*0.1mm localizado en una placa de inconel. Se realiza un escaneo linear, los resultados muestran que los tres Cscan obtenidos presentan variaciones significativas de la respuesta del defecto. </p><p> Figura 6: evaluacin de diferentes diseos con la simulacin /Cscan de los resultados </p><p> CIVA: APLICACION A LA PREPARACION DE UNA INSPECCION Preparar una inspeccin no es cosa simple ya que se debe considerar todos los parmetros influyentes. En este contexto suele ser particularmente interesante tener la posibilidad de predecir el rendimiento de las tcnicas de inspeccin. Durante una inspeccin por rayos X, antes de realizar los disparos es necesario: </p><p> Seleccionar la fuente adecuada </p></li><li><p> Definir la posicin y ori...</p></li></ul>

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