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Recrutement

PROPOSITION DE STAGES

Stage : Optical fiber strain-lag parameter estimation by an adaptive observer method

Internship Project Proposal

 

Optical fiber strain-lag parameter estimation

by an adaptive observer method

 

Location:  Université Gustave Eiffel - Campus de Nantes
Starting Date: March 2022 
Duration: up to six months

 

Context

Distributed fiber optic sensing technologies (Rayleigh or Brillouin) have been experiencing significant growth for just over a decade. They are well adapted to civil engineering structural monitoring, particularly for the identification of areas of high stresses, or the detection of cracks and leaks on large structures (bridge, road, pipeline, dam …). However, the strain profile measurements obtained by these technologies depend on the type of optical fiber or optical cable used as sensor. Indeed, such sensors are complex assemblies made of concentric layers of different materials which induces a strain transfer. Recent research works on the modeling of the strain transfer [1,2] have shown that it depends on a parameter called strain-lag parameter which is characteristic of each optical fiber or optical cable.

Objective

The behavior of optical fiber sensors for strain measurement is described by a differential equation [1], whose solution depends nonlinearly on the strain-lag parameter.  Consequently, a naïve method for strain-lag parameter estimation would be based on the numerical solution of a nonlinear optimization problem, minimizing the error between the sensor measurement and the model output. This approach is typically locally convergent when the initial approximation is already close enough to the solution. In order to improve parameter estimation robustness, the differential equation model can be appropriately transformed, so that globally convergent adaptive observer algorithms [3,4] can be used. The aim of the internship is to develop a new methodology based on adaptive observer algorithms for the determination of the strain-lag parameter of optical fibers/cables.

The internship project will work on both theoretical and experimental aspects. The theoretical part concerns the design and implementation of a strain-lag parameter estimation algorithm. Then, numerical simulations must be carried out to validate it and evaluate its performance, especially for different types of optical fibers/cables that may have very different strain-lag parameters.  The influence of the type of strain field applied on the optical fiber must also be evaluated to define the most appropriate test set-up. The experimental part of the internship then concerns the realization of tests to validate the developments mentioned above on different type of optical fibers. In addition, comparison of the strain-lag parameter estimation with previous results presented in [1] will be performed to evaluate the benefit of the new method developed in the internship.   

A PhD project is planned (subject to validation of funding) following this internship.

Candidate Requirements

The candidate is expected to be in the final year of Master’s degree (or an equivalent degree) in Mathematics, Mechanics, Physics or Engineering. He should also feel comfortable with as much following items as possible:

  • Basics knowledge in mechanics (in fiber optic sensors would be a plus).
  • Background in methods of parameter estimation.
  • Taste for both experimental and theoretical works.
  • Good spoken and written English.
  • Good communication skills.

To candidate, please send a CV and a motivation letter to the following contacts:

Xavier Chapeleau (UGE, COSYS-SII, I4S team, Nantes) : xavier.chapeleau@univ-eiffel.fr
Qinghua Zhang (Inria, I4S team, Rennes) : Qinghua.Zhang@inria.fr

 

Bibliography

1. Xavier Chapeleau and Antoine Bassil. A General Solution to Determine Strain Profile in the Core of Distributed Fiber Optic Sensors under Any Arbitrary Strain Fields. Sensors21(16), 5423, 2021.

2. Antoine Bassil, Xavier Chapeleau, Dominique Leduc and Odile Abraham. Concrete Crack Monitoring using a Novel Strain Transfer Model for Distributed Fiber Optics Sensors. Sensors, 20(8), 2220, 2020.

3. Qinghua Zhang. Adaptive observer for multiple-input-multiple-output (MIMO) linear time varying systems. IEEE Trans. on Automatic Control, 47(3):525-529, 2002.

4. Qinghua Zhang. Adaptive Kalman Filter for Actuator Fault Diagnosis. Automatica, 93:333-342, July 2018.


Web of I4S team: team.inria.fr/i4s/

Web of SII : sii.univ-gustave-eiffel.fr

Type de contrat

Stage Master Recherche
LieuLaboratoire SII, Université Gustave Eiffel, Nantes, France
Début du stageMars 2022
CandidatureEnvoyer toutes les pièces (lettre de motivation, CV) dans un seul document pdf à xavier.chapeleau@univ-eiffel.fr &  Qinghua.Zhang@inria.fr

 

PROPOSITION DE THESES

Etude expérimentale et numérique de la réponse dynamique de structures ferroviaires avec sous-couche bitumineuse

Laboratoire principal - Référent principal

MAST - LAMES  -  HORNYCH Pierre  pierre.hornych@ifsttar.fr    tél. : +33 240845809 

Directeur du laboratoire principal

VILLAIN Géraldine  -  geraldine.villain@ifsttar.fr

Laboratoire 2 - Référent

COSYS - SII  -  LE CAM Vincent  -  vincent.le-cam@ifsttar.fr  -  tél. : +33 240845778

Spécialité de la thèse

Génie Civil

Axe

2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal

Nantes

Etablissement d'inscription

ECOLE CENTRALE NANTES

Ecole doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR

Directeur de thèse prévu

HORNYCH Pierre  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - LAMES

Type de financement prévu

Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte
Les structures ferroviaires avec sous-couche en grave-bitume commencent à se développer en France, en particulier sur les voies TGV, exigeant un haut niveau de service. Ces structures présentent plusieurs avantages : la couche de grave bitume permet d’améliorer la rigidité de la structure, d’assurer une meilleure protection du sol support et constitue une excellente plateforme, insensible aux intempéries, pour la construction de la voie.
Récemment, une évaluation détaillée du comportement de ce type de structure a été réalisée dans le cadre du projet Instrumentation BPL, qui avait pour objectif d’instrumenter plusieurs sections de la nouvelle voie TGV Le Mans-Rennes, et de suivre leur comportement durant plusieurs années (Khairallah (2019), Khairallah et al. (2019)). Ce projet a confirmé les bonnes performances des structures avec sous couche en grave bitume utilisées sur cette ligne, par comparaison avec des structures classiques, avec sous-couche granulaire.
En parallèle, L’Université Gustave Eiffel a développé le logiciel Viscorail (Chupin et al., 2014), qui permet de calculer la réponse dynamique de structures ferroviaires. Ce logiciel, dérivé du logiciel Viscoroute (Chabot et al., 2010), développé pour les chaussées routières, est basé sur une modélisation semi-analytique, et permet de prendre en compte des matériaux élastiques ou visco-élastiques. Des premières comparaisons entre les modélisations effectuées avec Viscorail et les mesures réalisées sur la voie BPL ont donné des résultats très encourageants.
Même si les résultats du projet BPL ont montré un bon comportement des structures avec sous-couche bitumineuse sur cette voie TGV (faibles déflexions, faibles accélérations dans le ballast, déformations extrêmement faibles dans les couches bitumineuses) le comportement de ce type de structures est encore insuffisamment connu. En particulier, les résultats de BPL ont été obtenus sur des structures avec des plates-formes traitées, de portance très élevée et leur application à d’autres contextes (plates-formes de plus faible portance, charges correspondant à d’autres types de trains, températures plus élevées, etc..) demande à être étudiée. De même, il n’existe pas aujourd’hui de critères de dimensionnement appropriés pour ces structures, à la fois en ce qui concerne le ballast que les couches bitumineuses, ce qui reste un frein à leur diffusion.

Objectifs de la thèse
L’objectif général de la thèse est de mieux comprendre et de modéliser le comportement des structures ferroviaires avec sous couche bitumineuse, en vue d’optimiser la conception et le dimensionnement de ces structures. Plus précisément, il s’agira
1. D’étudier le comportement d’une structure de voie ferrée ballastée, avec sous couche bitumineuse, pour différentes conditions de chargement, de plateforme et d’environnement à partir d’essais en vraie grandeur, réalisés avec le banc d’essai ferroviaire Sysiphe de L’Université Gustave Eiffel .
Le banc Sysiphe est conçu pour tester à l’échelle 1 des structures de voie ferrée, d’environ 10 m de long. Il permet de construire tout type de structure de voie et dispose d’un système de chargement permettant de simuler des charges mobiles, avec des niveaux allant jusqu’à 250kN à l’essieu
2. D'évaluer et de comparer différentes méthodes d’instrumentation de cette structure, en vue d’étudier sa réponse mécanique. L’objectif sera en particulier de mesurer les accélérations et déplacements verticaux à différents niveaux dans la structure, ainsi que les déformations horizontales dans la couche bitumineuse. Des méthodes de mesure par fibres optiques seront testées pour la mesure des déformations. La faisabilité d’une mesure des accélérations dans le ballast sera également étudiée.
3. De modéliser les résultats des essais avec le logiciel Viscorail, afin d’évaluer les capacités de prédiction du logiciel pour différentes conditions de chargement. Des améliorations du logiciel pourront être envisagées, en particulier concernant la prise en compte du comportement du ballast (actuellement supposé élastique linéaire). Le modèle sera ensuite appliqué à la prédiction du comportement d’autres types de structures, destinées à des usages différents (voies secondaires, voies de frêt).
4. De définir, à partir des dégradations observées dans les essais (tassements du ballast, fatigue de la sous-couche bitumineuse), des critères de dimensionnement de ce type de structures (valeurs maximales admissibles de certaines sollicitation, en des points critiques de la structure).

Références
Chupin, O, Martin, A., Piau, J.-M., & Hicher, P.-Y. (2014). Calculation of the dynamic response of a viscoelastic railway structure based on a quasi-stationary approach. International Journal of Solids and Structures, 51(13), 2297‑2307
Chabot, A., Chupin, O., Deloffre, L., & Duhamel, D. (2010). Viscoroute 2.0 A : Tool for the simulation of moving load effects on asphalt pavement. Road Materials and Pavement Design, 11(2), 227–250.
Khairallah, D. (2019). Analyse et modélisation de comportement mécanique de structures de voies ferrées avec sous-couche bitumineuse [Thèse de doctorat, Université de Nantes, ).
Khairallah, D., Blanc, J., Cottineau, L. M., Hornych, P., Piau, J.-M., Pouget, S., Hosseingholian, M., Ducreau, A., & Savin, F. (2019a). Monitoring of railway structures of the high speed line BPL with bituminous and granular sublayers. Construc

Mots-clefs:

structures ferroviaires, sous-couche bitumineuse, essais en vraie grandeur, comportement cyclique, modélisation,

 

N'oubliez pas de contacter préalablement le référent ou le Directeur du laboratoire

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