TY - CONF A1 - Lauschkin, Maik A1 - Bulling, Jannis A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Wasmer, P. A1 - Prager, Jens T1 - Bestimmung von Materialparametern aus dem dispersiven Verhalten geführter Wellen mittels neuronaler Netze N2 - Damit eine Simulationsrechnung, beispielsweise mit einer FEM-Software, eine ausreichend hohe Genauigkeit erreicht, muss vorausgesetzt werden, dass die Modellparameter eine sehr hohe Güte aufweisen. Die genaue Kenntnis der Materialparameter ist dabei von besonderer Bedeutung. Um diese Parameter bestimmen zu können, müssen die verwendeten Werkstoffe messtechnisch charakterisiert werden. Neben anderen Ansätzen sind dafür akustische Verfahren im Ultraschallbereich geeignet. Für dünnwandige und plattenförmige Materialien können aus den sich ausbreitenden geführten Wellen messtechnisch Dispersionskurven bestimmt und aus diesen die Materialparameter abgeleitet werden. Da für die Signalverarbeitung und für Optimierungsaufgaben aktuell zunehmend Machine Learning Tools zum Einsatz kommen, stellt sich die Frage, ob diese Werkzeuge auch für die Ermittlung der Materialparameter aus den gemessenen Dispersionskurven eingesetzt werden können. In der vorgestellten Untersuchung soll ein Convolutional Neural Network aufgestellt werden, welches aus Dispersionsbildern Muster extrahiert und aus diesen eine Schätzung für die Materialparameter ermittelt. Um die Machbarkeit dieses Ansatzes zu prüfen, werden zunächst nur isotrope Materialien betrachtet. Für das Netz werden mit der Scaled-Boundary-Finite-Element-Methode synthetische Daten für das Trainieren und Validieren generiert. Zusätzlich werden die Hyperparameter des neuronalen Netzes variiert, um ein optimales Model für die Schätzung zu finden. Anschließend kann das Netz mit experimentellen Daten getestet und das Ergebnis hinsichtlich der Genauigkeit bewertet werden. T2 - DAGA 2020 - 46. Jahrestagung für Akustik CY - Meeting was canceled DA - 16.03.2020 KW - Machinelles Lernen KW - Geführte Ultraschallwellen KW - Materialcharakterisierung KW - Elastische Konstanten KW - Isotrope Materialien PY - 2020 SN - 978-3-939296-17-1 SP - 571 EP - 574 PB - Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. CY - Berlin AN - OPUS4-50765 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis T1 - Ein inverses Verfahren zur Schadensrekonstruktion mittels geführter Wellen N2 - Eine zentrale Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Bewertung von Schäden in Bauteilen. In vielen Bauteilen, wie zum Beispiel platten- und schalenförmigen Strukturen, Rohrleitungen oder Laminaten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar haben geführte Wellen eine relativ große Reichweite innerhalb des Bauteils und ermöglichen so eine großflächige Prüfung, ihre multimodalen und dispersiven Eigenschaften erschweren jedoch die Analyse der vom Schaden kommenden Reflexionen. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren und die Schäden zu charakterisieren, ist deren Vergleich mit der Wellenausbreitung in einem digitalen Modell. Hierbei stellt sich die Aufgabe, den Schaden im digitalen Modell anhand der Messdaten zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion beschreibt ein inverses Problem, das mehrere Vorwärtsrechnungen braucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen.Durch die kleine Wellenlänge von Ultraschallwellen sind klassische Vorwärtsmethoden wie die Finte Elemente Methode rechenintensiv, weshalb die Autoren die semi-analytische Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) benutzen, um den Rechenaufwand zu verringern. Im Beitrag wird ein inverses Verfahren basierend auf dem Automatischen Differenzieren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittmodellen von Wellenleitern getestet. In der präsentierten Vorstudie werden dafür „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet. T2 - DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik CY - Vienna, Austria DA - 15.08.2021 KW - SBFEM KW - Inverse Verfahren KW - AD KW - SHM KW - NDT PY - 2021 AN - OPUS4-53304 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis A1 - Jurgelucks, B. A1 - Prager, Jens A1 - Walther, A. T1 - Ein inverses Verfahren zur Schadensrekonstruktion mittels geführter Wellen N2 - Eine zentrale Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Bewertung von Schäden in Bauteilen. In vielen Bauteilen, wie zum Beispiel platten- und schalenförmigen Strukturen, Rohrleitungen oder Laminaten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar haben geführte Wellen eine relativ große Reichweite innerhalb des Bauteils und ermöglichen so eine großflächige Prüfung, ihre multimodalen und dispersiven Eigenschaften erschweren jedoch die Analyse der vom Schaden kommenden Reflexionen. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren und die Schäden zu charakterisieren, ist deren Vergleich mit der Wellenausbreitung in einem digitalen Modell. Hierbei stellt sich die Aufgabe, den Schaden im digitalen Modell anhand der Messdaten zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion beschreibt ein inverses Problem, das mehrere Vorwärtsrechnungen braucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen. Durch die kleine Wellenlänge von Ultraschallwellen sind klassische Vorwärtsmethoden wie die Finte Elemente Methode rechenintensiv, weshalb die Autoren die semi-analytische Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) benutzen, um den Rechenaufwand zu verringern. Im Beitrag wird ein inverses Verfahren basierend auf dem Automatischen Differenzieren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittmodellen von Wellenleitern getestet. In der präsentierten Vorstudie werden dafür „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet. T2 - DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik CY - Vienna, Austria DA - 15.08.2021 KW - SBFEM KW - Inverse Probleme KW - SHM KW - NDT KW - AD PY - 2021 SP - 1 EP - 4 PB - Deutsche Gesellschaft für Akustik (DEGA) CY - Berlin AN - OPUS4-53305 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis A1 - Franosch, Georg A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Prager, Jens ED - Rizzo, P. ED - Milazzo, A. T1 - Sensitivity of Ultrasonic Guided Waves to Elastic Constants: A Numerical Study N2 - The dispersive properties of Lamb waves can be utilised for material characterisation because the frequency-wavenumber-relationship, as well as the group velocity, depend on material parameters. These dependencies make a non-destructive estimation of an elastic constant possible. This preliminary study investigates the sensitivity of dispersion curves caused by a change in elastic constants. The Scaled Boundary Finite Element Method is used to compute special dispersion curves, which show the sensitivity value of the frequency and group velocity as a colour value. This representation allows for easy identification of patterns and local effects. Two sets of dispersion curves are presented, one set for a steel plate and the other set for a plate made of a carbon fibre reinforced polymer. In general, we notice that the sensitivity often increases with the frequency and that higher-order modes seem to be more suitable for material characterisation. Moreover, specific modes respond to material changes while others are relatively unaffected, which must be taken into consideration for material characterisation. T2 - European Workshop on Structural Health Monitoring (EWSHM 2020) CY - Online meeting DA - 06.07.2020 KW - Scaled Boundary Finite Element Method KW - Lamb waves KW - Dispersion curves KW - Carbon fibre reinforced polymer KW - Transverse isotropy PY - 2021 SN - 978-3-030-64593-9 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-030-64594-6_73 VL - 127 SP - 759 EP - 768 PB - Springer CY - Cham AN - OPUS4-51986 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Held, Mathias A1 - Rashwan, Abdalla A1 - Bulling, Jannis A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Lauschkin, Maik A1 - Prager, Jens T1 - Inverse Bestimmung elastischer Materialparameter aus dem Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen mittels eines Convolutional Neuronal Networks N2 - Detailliertes Wissen über die mechanischen Eigenschaften verwendeter Materialien ist Grundvoraussetzung für viele ingenieurtechnische Aufgaben und Dienstleistungen. Zur Bestimmung der elastischen Materialparameter gibt es verschiedene klassische, zerstörende Prüfverfahren. Eine Möglichkeit der zerstörungsfreien Bestimmung liegt in der Auswertung von Messergebnissen, die auf Basis des Ausbreitungsverhaltens geführter Ultraschallwellen gewonnen wurden. Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen kann mittels Dispersionsabbildungen dargestellt werden. Um aus messtechnisch ermittelten Dispersionsabbildungen Rückschlüsse auf die Materialparameter zu ziehen, werden in der aktuellen Forschung verschiedene inverse Methoden diskutiert. Maschinelles Lernen und insbesondere Convolutional Neural Networks (CNNs) stellen eine Möglichkeit der automatisierten inversen Modellierung und Evaluierung von Bilddaten dar. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie das Ausbreitungsverhalten von geführten Ultraschallwellen unter Verwendung von CNNs genutzt werden kann, um die isotropen elastischen Konstanten einer plattenförmigen Struktur zu bestimmen. Hierfür werden die verwendeten Daten analysiert, das Preprocessing erläutert und eine grundlegende CNN-Architektur gewählt. Zur Auswertung des generierten Modells werden verschiedene Verfahren wie Gradienten-Mapping und die Visualisierung der verschiedenen Schichten vorgestellt. Die Anwendbarkeit der Methode wird anhand synthetischer Daten demonstriert. T2 - DAGA 2021 CY - Vienna, Austria DA - 15.08.2021 KW - Geführte Ultraschallwellen KW - Inverse Probleme KW - Materialcharakterisierung KW - Maschinelles Lernen KW - Dispersion KW - Lamb Wellen PY - 2021 SN - 978-3-939296-18-8 VL - 47 SP - 659 EP - 662 AN - OPUS4-53492 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis T1 - Numerical methods (part II) Finite element method (FEM), Spectral element method (SEM) and Scaled Boundary FEM (SBFEM) N2 - A general presentation on numerical methods. In particular, the Finite Element Method, the Spectral Element Method, and the Scaled Boundary Finite Element Method. T2 - ITN-Trainingsevent CY - Online meeting DA - 22.11.2020 KW - FEM KW - SBFEM KW - SEM PY - 2020 AN - OPUS4-52271 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis T1 - A Combination of the Scaled Boundary Finite Element Method with the Mortar Method N2 - The simulation of ultrasonic waves in a linearly elastic body can be computationally intensive. The reason is the relatively short wavelength compared to the body size for high frequencies. One possible approach to counteract the high computational costs is to decompose the domain into small parts and strive for parallelization. The Mortar Method is a well-established approach for domain decomposition. A rather new approach to discretize the emerging subdomains is the Scaled Boundary Finite Element Method. This semi-analytical method has many attractive properties. Some of these properties are listed subsequently. The grid consists of polygonal elements, which leaves much freedom in the meshing process. A variety of material distributions, including anisotropic materials, can be considered. High-order shape functions can be used for optimal convergence properties. The approach treats singularities at crack tips and corners analytically. Especially in the frequency domain, the Scaled Boundary Finite Element Method reduces the dimension of the approximation because only degrees of freedom which are associated with the boundary of a polygonal element are necessary. Those desirable properties make the method particularly suitable for calculating the dynamic responses in bodies with cracks, as it is essential for many non-destructive testing and structural health monitoring applications. In this contribution, we present a combination of the Scaled Boundary Finite Element Method with the Mortar Method in two dimensions. The presentation starts with a theoretical overview of both approaches. Subsequently, numerical examples demonstrate the stability of the combination for the polygonal boundary of the elements. The numerical examples increase in complexity and are compared to results computed on non-divided domains with the Finite Element Method. T2 - WCCM-ECCOMAS CONGRESS CY - Online meeting DA - 11.01.2021 KW - Ultrasound KW - Numerical Simulation KW - Scaled Boundary Finite Element Method, Mortar Method PY - 2021 AN - OPUS4-52275 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Held, Mathias A1 - Rashwan, Abdalla A1 - Lauschkin, Maik A1 - Bulling, Jannis A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Prager, Jens T1 - Inverse determination of elastic material parameters from ultrasonic guided waves dispersion measurements using Convolutional Neuronal Networks N2 - In the context of Industry 4.0 and especially in the field of Structural Health Monitoring, Condition Monitoring and Digital Twins, simulations are becoming more and more important. The exact determination of material parameters is required for realistic results of numerical simulations of the static and dynamic behavior of technical structures. There are many possibilities to determine elastic material parameters. One possibility of non-destructive testing are ultrasonic guided waves. For the evaluation of the measurement results, mostly inverse methods are applied in order to be able to draw conclusions about the elastic material parameters from analysing the ultrasonic guided wave propagation. For the inverse determination of the elastic material Parameters with ultrasonic guided waves, several investigations were carried out, e.g. the determination of the isotropic material parameters through the point of zero-groupvelocity or anisotropic material parameters with a simplex algorithm. These investigations are based on the evaluation of dispersion images. Machine learning and in particular Convolutional Neural Networks (CNN) are one possibility of the automated evaluation from Image data, e.g. classification or object recognition problems. This article shows how the dispersive behavior of ultrasonic guided waves and CNNs can be used to determine the isotropic elastic constants of plate-like structures. T2 - SMSI 2021 2021-05-03 - 2021-05-06 digital CY - Online meeting DA - 03.05.2021 KW - Convolutional Neuronal Networks KW - Inverse Probleme KW - Materialcharakterisierung KW - guided waves KW - Dispersion PY - 2021 SN - 978-3-9819376-4-0 DO - https://doi.org/10.5162/SMSI2021/A10.2 VL - 2021 SP - 239 EP - 240 AN - OPUS4-52618 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Kudela, P. A1 - Radzienski, M. A1 - Moix-Bonet, M. A1 - Willberg, C. A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Tschöke, K. A1 - Moll, J. T1 - Dataset on full ultrasonic guided wavefield measurements of a CFRP plate with fully bonded and partially debonded omega stringer N2 - The fourth dataset dedicated to the Open Guided Waves platform presented in this work aims at a carbon fiber composite plate with an additional omega stringer at constant temperature conditions. The dataset provides full ultrasonic guided wavefields. A chirp signal in the frequency range 20-500 kHz and Hann windowed tone-burst signal with 5 cycles and carrier frequencies of 16.5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz and 300kHz are used to excite the wave. The piezoceramic actuator used for this purpose is attached to the center of the stringer side surface of the core plate. Three scenarios are provided with this setup: (1) wavefield measurements without damage, (2) wavefield measurements with a local stringer debond and (3) wavefield measurements with a large stringer debond. The defects were caused by impacts performed from the backside of the plate. As result, the stringer feet debonds locally which was verified with conventional ultrasound measurements. The dataset can be used for benchmarking purposes of various signal processing methods for damage imaging. The detailed description of the dataset is published in Data in Brief Journal. KW - Open data KW - Ultrasonic guided waves KW - Experimental data PY - 2021 DO - https://doi.org/10.5281/zenodo.5105861 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-54504 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Prager, Jens A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Held, Mathias A1 - Klärner, M. A1 - Winkler, T. A1 - Kroll, L. T1 - Akustische Bestimmung der Werkstoffparameter faserverstärkter Kunststoffe durch Auswertung der Dispersionseigenschaften geführter Wellen N2 - Akustische Verfahren eignen sich hervorragend zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften. Die Verfügbarkeit derartiger Verfahren ist vor allem für Kunststoffe wichtig, da deren Eigenschaften stark abhängig vom jeweiligen Herstellungsprozess und vom Alterungszustand sind. Exakte und vollständige Werte sind daher in Datenbanken oder von Herstellern nur begrenzt zu finden. Insbesondere die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung faserverstärkter Kunststoffe (FKV) ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Hier müssen anisotropiebedingt mehrere Kennwerte bestimmt werden. Da FKV zumeist als dünnwandige Bauteile zum Einsatz kommen, können die Werkstoffparameter aus den Dispersionseigenschaften der Lamb-Wellen, die sich in diesen Strukturen ausbreiten, abgeleitet werden. Dazu ist eine räumliche Abtastung des sich ausbreitenden Schallfelds erforderlich. In der vorliegenden Untersuchung wird dieser Ansatz für die relativ neue Werkstoffklasse der faserverstärkten Thermoplaste angewendet. Diese zeichnet ein ausgeprägtes Dämpfungsverhalten und eine Anisotropie der Materialparameter aus. Dazu wurde das Schallfeld im Ultraschallbereich mit einem Laser-Doppler-Vibrometers vermessen. Rechnerisch bestimmte Dispersionskurven wurden dann an die gemessenen Werte angepasst, womit die richtungsabhängigen Materialparameter bestimmt werden konnten. Im Vortrag wird das Messverfahren vorgestellt und auf spezielle Probleme, die sich z.B. aus dem Dämpfungsverhalten des Werkstoffs ergeben, eingegangen. Ausgewählte gemessene Werte werden mit den Ergebnissen von Referenzverfahren verglichen. T2 - DAGA 2021 - 47. Jahrestagung für Akustik CY - Vienna, Austria DA - 15.08.2021 KW - Ultraschall KW - Composites KW - Thermoplastische Kunststoffe PY - 2021 SP - 52 EP - 55 PB - Deutsche Gesellschaft für Akustik (DEGA) CY - Berlin AN - OPUS4-57340 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Nicolai, Marcel A1 - Zeipert, H. A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Johannesmann, S. A1 - Prager, Jens A1 - Henning, B. ED - Nicolai, Marcel T1 - Characterization of adhesion strength using guided ultrasonic waves N2 - Klebeverbindungen sind aus vielen Anwendungen wie dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Durch die Verklebung gleicher oder ungleicher Materialien entstehen viele Vorteile gegenüber konservativen Fügeverfahren. Jedoch stellen schwache Haftfestigkeiten eine sehr unbeliebte Fehlerart dar, die schlecht zu detektieren sind und zu einem frühzeitigen Versagen der Verklebung bei vergleichsweise geringen Belastungen führen können. Aufgrund hoher Sicherheits- und Qualitätsansprüche wird die Haftfestigkeit dieser Verbindungen jedoch noch immer zerstörend geprüft. Zufriedenstellende zerstörungsfreie Verfahren, um Haftfestigkeiten zu prüfen, sind nicht vorhanden und Thema gegenwärtiger Forschung. Ein Ansatz, der in diesem Projekt verfolgt wird, liegt in der Verwendung geführter Ultraschallwellen. Hierzu wird anhand von Simulationen mittels der Scaled Boundary Finite Element Methode gezeigt, dass die gezielte Auswertung bestimmter Bereiche des Dispersionsdiagrams, den sogenannten vermiedenen Kreuzungen (engl. mode repulsion regions), eine Charakterisierung der Haftfestigkeiten zulassen könnten. Dies liegt darin begründet, dass die mittleren mechanischen Belastungen der Kleberschicht in diesen Bereichen ein lokales Maximum aufweisen und daher eine erhöhte Sensitivität auf Materialänderungen haben. Es wird gezeigt, wie sensitiv diese Bereiche auf Materialänderungen in der Klebergrenzschicht sind und welche potenziellen Fehlergrößen existieren. T2 - DAGA 2023 CY - Hamburg, Germany DA - 06.03.2023 KW - SBFEM KW - Adhesive Bonding KW - Kissing Bonds KW - NDT KW - Ultrasonic Guided Waves PY - 2023 UR - https://pub.dega-akustik.de/DAGA_2023 SN - 978-3-939296-21-8 SP - 823 EP - 826 PB - Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. CY - Berlin AN - OPUS4-57378 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Nicolai, Marcel A1 - Zeipert, H. A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Prager, Jens A1 - Henning, B. A1 - Lozano Duarte, Daniel Hernando T1 - Charakterisierung von Haftfestigkeiten mittels geführter Ultraschallwellen N2 - Klebeverbindungen sind aus vielen Anwendungen wie dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Durch die Verklebung gleicher oder ungleicher Materialien entstehen viele Vorteile gegenüber konservativen Fügeverfahren. Jedoch stellen schwache Haftfestigkeiten eine sehr unbeliebte Fehlerart dar, die schlecht zu detektieren sind und zu einem frühzeitigen Versagen der Verklebung bei vergleichsweise geringen Belastungen führen können. Aufgrund hoher Sicherheits- und Qualitätsansprüche wird die Haftfestigkeit dieser Verbindungen jedoch noch immer zerstörend geprüft. Zufriedenstellende zerstörungsfreie Verfahren, um Haftfestigkeiten zu prüfen, sind nicht vorhanden und Thema gegenwärtiger Forschung. Ein Ansatz, der in diesem Projekt verfolgt wird, liegt in der Verwendung geführter Ultraschallwellen. Hierzu wird anhand von Simulationen mittels der Scaled Boundary Finite Element Methode gezeigt, dass die gezielte Auswertung bestimmter Bereiche des Dispersionsdiagrams, den sogenannten vermiedenen Kreuzungen (engl. mode repulsion regions), eine Charakterisierung der Haftfestigkeiten zulassen könnten. Dies liegt darin begründet, dass die mittleren mechanischen Belastungen der Kleberschicht in diesen Bereichen ein lokales Maximum aufweisen und daher eine erhöhte Sensitivität auf Materialänderungen haben. Es wird gezeigt, wie sensitiv diese Bereiche auf Materialänderungen in der Klebergrenzschicht sind und welche potenziellen Fehlergrößen existieren. T2 - Schall 23 CY - Wetzlar, Germany DA - 20.03.2023 KW - Adhesive Bonding KW - Kissing Bonds KW - NDT KW - Ultrasonic Guided Waves KW - SBFEM PY - 2023 AN - OPUS4-57379 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bayoumi, A. A1 - Lozano, Daniel A1 - Bulling, Jannis A1 - Mueller, I. A1 - Prager, Jens T1 - Comparative Study Between Simulation and Experimental Guided Ultrasonic Wave Propagation on a Plate Like Structure N2 - In plate-like structures, ultrasonic waves propagate as Lamb waves. Their use is important for many applications from non-destructive testing to structural health monitoring. Efficient simulation tools contribute to a significant value add e.g. in designing systems for these applications. Under which conditions an acceptable accuracy of these models with affordable computational costs can be achieved is an open question. Many of these applications include the usage of a plane wavefront, simulated in 2D crossesctional models to reduce complexity. In this contribution, a comparative case study between simulations and experiments is presented. The aim is to verify and compare a 2D cross-sectional model with experimental data. The experimental setup for this case study consists of an aluminum plate. A rectangular piezoelectric transducer is mounted for guided wave excitation. A laser Doppler vibrometer (LDV) measures out-of-plane velocities on the plate. A 2D cross-sectional model based on the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is used to simulate the wave propagation of the experimental setup. The first data points near the transducer are used to fit the excitation tractions of the model, while additional points further away from the source are used to validate the model. The comparison between the recorded measurements and the simulated velocities shows a high degree of compatibility. T2 - DAGA 2023 - 49. Jahrestagung für Akustik CY - Hamburg, Germany DA - 06.03.2023 KW - Scaled Boundary Finite Element Method KW - Guided Ultrasonic Wave KW - Laser Doppler Vibrometer PY - 2023 SN - 978-3-939296-21-8 SP - 88 EP - 91 AN - OPUS4-57354 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Lozano, Daniel A1 - Bulling, Jannis A1 - Gravenkamp, Hauke A1 - Prager, Jens A1 - Birk, Carolin T1 - The SBFEM to simulate the scattering of ultrasonic guided waves interacting with defects in plate structures N2 - In the field of guided waves for non-destructive testing, the interaction of these waves with damages or other discontinuities in a structure is critical. When a guided wave mode travels and hits a defect, it scatters in all directions, converting to other modes and reflecting the existing one. These interactions are captured in scattered far field complex amplitudes. The amplitudes are stored in scattering matrices, which characterise the elastodynamic behaviour of a defect completely. Scattering matrices are also useful to simulate backpropagation from a defect using ray-tracing methods. Simulating these interactions is challenging, and analytical solutions only exist for simple geometries. Still, using general tools like the finite element method results in large, usually costly models. Recently, researchers proposed a method based on a numerical implementation of the Kirchhoff–Helmholtz integral that allows the computation of the scattering matrices using a model containing only the damaged region. However, classical methods to resolve the far field and low-order elements were used, leading to large models yet more efficient than using other techniques. We propose using the SBFEM as an alternative to enhance the computation of the far field scattering. The damaged region is discretised using high-order polyhedral elements, while the far field is constructed using a modified version of the SBFEM. Examples compared to the literature demonstrate the validity of the approach. T2 - Doktorandentreffen CY - Attendorn, Germany DA - 16.10.2023 KW - SBFEM KW - Guided Waves KW - Scattering PY - 2023 AN - OPUS4-59775 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Lozano, Daniel A1 - Bulling, Jannis A1 - Prager, Jens T1 - Modeling guided waves interacting with arbitrarily shaped inhomogeneities using SBFEM in combination with an extruded quadtree decomposition for 3D plates N2 - For structural health monitoring systems or non-destructive testing, it is crucial to study the interactions of ultrasonic-guided waves with inhomogeneities or damage in structural components. Simulation of these interactions poses a challenge. After the wave-damage interaction, the numerical model must reproduce features like mode conversion or wave scattering. Mathematically, damages are discontinuities in a computational domain, and each wave interacts differently because of the geometrical features. We propose a quadtree-based meshing in the current contribution to capture these geometrical characteristics. This kind of discretisation approach requires special techniques to couple cells of different sizes since, after a quadtree decomposition, the problem of so-called hanging nodes may arise. Transition elements based on high-order transfinite shape functions are used to solve this issue. The advantage is that these elements allow the correct coupling of the cells while retaining a high-order interpolation. Moreover, the reuse of the dynamic stiffness matrices can be exploited based on the similarity of the cells. This procedure makes the approach very efficient. Examples show the scattering characteristics of different guided wave modes after interacting with inhomogeneities and discontinuities in a plate. T2 - DAGA 2023 CY - Hamburg, Germany DA - 06.03.2023 KW - SBFEM KW - Quadtree KW - Ultrasound PY - 2023 SP - 1035 EP - 1038 CY - Hamburg AN - OPUS4-59776 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Sablowski, J. A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Kupsch, C. T1 - Experimental Study of Ultrasonic Guided Waves in a Bipolar Plate of a Fuel Cell N2 - Water management in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is critical for efficient operation. However, in-situ measurements of the water distribution in an operating PEMFC are challenging. In this study, we investigate key aspects of ultrasonic guided wave (UGW) propagation through the bipolar plate of a PEMFC using 3D scanning laser Doppler vibrometry (3D LDV). Our results provide insights for the design and optimization of UGW-based sensor systems for water detection in PEMFCs. T2 - 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) CY - Montreal, QC, Canada DA - 03.09.2023 KW - Ultrasonic guided waves KW - Laser Doppler vibrometry KW - Fuel cells KW - Water management PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1109/IUS51837.2023.10307327 SP - 1 EP - 4 PB - IEEE AN - OPUS4-59540 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Barzegar, M. A1 - Lugovtsova, Yevgeniya A1 - Bulling, Jannis A1 - Mishurova, Tatiana A1 - Pasadas, D. A1 - Ribeiro, A. A1 - Ramos, H. T1 - Automatic improved-resolution imaging of composite adhesive joints using time-frequency-wavenumber filtering applied to ultrasonic guided wavefields N2 - This paper presents an automatic damage imaging technique by employing a signal processing approach based on applying hierarchically clustered filters across different domains. The technique involves time-frequency-wavenumber filter banks which are applied sequentially to ultrasonic guided wave (UGW) data. The study is conducted for a single lap joint composite specimen with a special focus on small voids which were formed due to manual adhesive component mixing. UGW data are acquired with a 3D Scanning Laser Doppler Vibrometer (LDV) over the scan area of the bonded plate. UGWs are excited at the central frequency of 100 kHz by a single piezoelectric transducer mounted on the surface of the single plate. Within each domain of time, frequency, and wavenumber, four filters are designed which results in 64 distinct filtered wavefields. From each filtered wavefield, an image is obtained by using root-mean-square (RMS) calculation of the signals. The obtained results are then combined to create a final, improved-resolution image of the scan area. The final image is compared to the image obtained through RMS calculation of full wavefield with interpolation through Delaunay triangulation and the image obtained by X-ray radiography. The results show that the smallest void that could be detected has a diameter of 2.14 mm. T2 - 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) CY - Montreal, QC, Canada DA - 03.09.2023 KW - Adhesive joints KW - Ultrasonic guided waves KW - Laser Doppler vibrometer KW - Damage imaging KW - Non-destructive testing KW - Porosity analysis PY - 2023 DO - https://doi.org/10.1109/IUS51837.2023.10307423 SP - 1 EP - 4 PB - IEEE AN - OPUS4-58795 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis A1 - Jurgelucks, B. A1 - Prager, Jens A1 - Walther, A. T1 - Defect Characterization in Plate Models Facilitated by Algorithmic Differentiation N2 - In non-destructive testing and structural health monitoring with ultrasonic waves, the quantification of damage in components is one of the main tasks. In many shell-like structures, such as plates, pipes, or laminate components, ultrasonic waves propagate as guided waves. Although guided waves enable the testing of large areas, their multimodal and dispersive properties make it challenging to analyze signals. So, there is a need for more advanced algorithms to handle these properties, especially when reconstructing damage position and geometry. The reconstruction can be formulated as an inverse problem where the measured signals are fitted with a simulative forward model. Due to the small wavelength of ultrasonic waves, classic forward models based on, e.g., the Finite Element Method are computationally intensive. In contrast, the authors use the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) to reduce the computational effort. The SBFEM approximates arbitrary long, undamaged parts of the structure with only a few degrees of freedom. This contribution summarizes a general inverse procedure based on algorithmic differentiation in combination with the SBFEM. Results are presented for damaged 2D cross-sectional models of waveguides. These results include an analysis of the robustness of the proposed algorithms against noise. T2 - DAGA 22 CY - Stuttgart, Germany DA - 21.03.2022 KW - Structural health monitoring KW - Inverse Methods KW - SBFEM KW - Algorithmic Differentiation KW - Non-destructive testing PY - 2022 VL - 2022 SP - 871 EP - 874 AN - OPUS4-56547 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Lozano, Daniel A1 - Bulling, Jannis A1 - Prager, Jens T1 - Quadtree decomposition as a meshing strategy for guided waves simulations using the scaled boundary finite element method N2 - Structural health monitoring techniques associate strongly with damage detection and characterization. Ultrasonic guided waves (UGW), for such scope, arise as one of the most promising methods for many reasons i.e. UGW are able to travel long distances and they have high sensitivity to damage. In this context, the necessity to model realistic wave-defect interaction occurs to be critical. Realistic damage scenarios can be modeled through the usage of image-based quadtree meshes. Images, such as the outcome from X-ray scans, C-scans, etc., can be converted into meshes for further integration in a computational domain. Quadtree meshes are created by converting the intensity of the pixels to quadrilateral cells. Homogeneous regions inside one image result in one quad, whereas fine features such as discontinuities can be described with smaller quads. This contribution proposes an efficient methodology to model wave defect interaction, using as a framework the scaled boundary finite element method (SBFEM) and quadtree meshes. Problems as non-conforming regions in the mesh due to the space tree decomposition can be easily avoided using SBFEM’s polygonal elements. Moreover, the semi-analytical nature of the SBFEM allows the modeling of arbitrarily long prismatic/undamaged regions of the waveguides without an increase in the computational burden. T2 - DAGA 2022 CY - Stuttgart, Germany DA - 21.03.2022 KW - Wave defect interaction KW - Scaled Boundary Finite Element Method KW - Quadtree meshes KW - Image-based models KW - Transient analysis PY - 2022 SP - 887 EP - 890 CY - Stuttgart AN - OPUS4-57153 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis A1 - Jurgelucks, B. A1 - Prager, Jens A1 - Walther, A. T1 - Schadensrekonstruktion mittels geführter Wellen in Stahlplatten N2 - Ein Hauptziel der zerstörungsfreien Prüfung und der Strukturüberwachung (engl. Structural Health Monitoring - SHM) mit Ultraschallwellen ist die Charakterisierung von Schäden in Bauteilen. In vielen schalenförmigen Bauteilen, wie zum Beispiel Rohrleitungen, Laminaten und Platten, breitet sich der Ultraschall in Form geführter Wellen aus. Zwar erlauben geführte Wellen eine großflächige Prüfung durch das langsame Abklingen der Wellen. Jedoch breiten sich die Wellen in verschiedenen dispersiven Moden aus, was die Analyse der vom Schaden erzeugten Reflexionen erschwert. Eine Möglichkeit, die Messsignale zu interpretieren, um Schäden zu charakterisieren, ist der direkte Vergleich mit einem Simulationsmodell. Die Rekonstruktion des Schadens stellt ein inverses Problem dar. Das inverse Problem kann als Optimierungsproblem formuliert werden. Für die Optimierung werden mehrere Vorwärtsrechnungen gebraucht, um das Schadensmodell an die Messdaten anzupassen. Aufgrund der kurzen Wellenlängen von Ultraschallwellen sind klassische Methoden für die Vorwärtsrechnung, wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM), rechenintensiv. Eine Möglichkeit den Rechenaufwand zu reduzieren, bietet die Approximation der Wellenausbreitung mittels der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die benötigten Freiheitsgrade im Vergleich zur FEM wesentlich geringer sind [1]. Im Beitrag wird eine Optimierung basierend auf einem Gradientenverfahren in Kombination mit der SBFEM vorgestellt und an verschiedenen Schadenstypen in 2D-Querschnittsmodellen von Stahlplatten getestet. Der Gradient des Vorwärtsmodells wird durch Algorithmisches Differenzieren berechnet, wodurch eine genaue und schnelle Optimierung ermöglicht wird. Es werden Untersuchungen zum inversen Problem und das Finden einer geeigneten Zielfunktion präsentiert. Es wird verdeutlicht, dass der entwickelte Algorithmus robust gegenüber von Rauscheinflüssen ist. In diesen Untersuchungen werden zunächst „Messdaten“ aus unabhängigen Simulationen verwendet [2]. Erste Schritte für die experimentelle Validierung und Erweiterung auf 3D Modelle werden anschließend vorgestellt. T2 - Doktorandenworkshop in Kloster Lehnin CY - Kloster Lehnin, Germany DA - 19.10.22 KW - SBFEM KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Structural Health Monitoring KW - Ultraschallwellen PY - 2022 AN - OPUS4-56551 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Wasmer, Paul A1 - Krome, Fabian A1 - Bulling, Jannis A1 - Prager, Jens T1 - A fluid model for the simulation of fluid‐structure interaction in the Scaled Boundary Finite Element Method for prismatic structures N2 - The Scaled Boundary Finite Element Method is known as an efficient method for the simulation of ultrasonic wave propagation. As to investigate acoustic wave behavior in case of fluid‐structure interaction, a fluid model is implemented in the SBFEM for prismatic structures. To omit coupling terms a displacement‐based formulation is used. Spurious modes, which occur in the solution, are suppressed using a penalty parameter. To verify this formulation dispersion curves obtained with Comsol Multiphysics are compared to results of SBFEM. The results of both methods are in very good agreement T2 - GAMM 2018 CY - Munich, Germany DA - 19.03.2018 KW - Scaled Boundary Finite Element Method KW - Penalty Parameter KW - Fluid-Structure Interaction KW - Guided Waves PY - 2018 DO - https://doi.org/10.1002/pamm.201800139 VL - 18 IS - 1 SP - e201800139 PB - Wiley-VCH Verl. CY - Weinheim AN - OPUS4-47063 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bulling, Jannis T1 - Ein Überblick über die Scaled Boundary Finite Element Method für akustische Wellenausbreitung in Festköpern N2 - In diesen Vortrag sind Ergebnissen der letzten Jahre zu der SBFEM an der BAM zu finden. Dabei wurde besonders auf die Stärken der Methode eingegangen. T2 - Doktorandenseminar – Ultraschallmesstechnik CY - Gohrisch, Germany DA - 28.10.2018 KW - SBFEM KW - Kontaktbedingungen PY - 2018 AN - OPUS4-46452 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wasmer, Paul A1 - Krome, Fabian A1 - Bulling, Jannis A1 - Prager, Jens T1 - Entwicklung eines Ultraschallsensors zur Flüssigkeitsanalyse in Rohrleitungen N2 - Zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten können akustische Sensoren genutzt werden. Ziel der vorliegend Arbeit ist es einen Sensor zu entwerfen der sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen kann. Der Sensor besteht aus einem rechteckigen Rohr, welches auf einem Halbraum angebracht ist. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt anhand des Resonanzverhaltens der Struktur, wodurch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Um den Sensors zu verwirklichen, muss eine Optimierung der Geometrie mit vielen Iterationsschritten durchlaufen werden. Da keine analytische Beschreibung des akustischen Verhaltens vorliegt, wird eine effiziente Simulationsmethode benötigt. Die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) für prismatische Strukturen erscheint für die Simulation geeignet, da Teile der Geometrie ohne neue Vernetzung geändert werden können. Für die Berechnung des Sensors wird ein Modell der akustischen Fluid-Struktur Interaktion benötigt, das bisher nicht vorhanden ist. Die Präsentation behandelt die Implementierung des Fluidmodells in die SBFEM und deren Validierung. Für die Validierung werden die Ergebnisse mit analytischen Beispielen ohne Fluid-Struktur Kopplung und mit Comsol-Ergebnissen der Dispersionskurven mit Wasser gefüllter Rohre verglichen. Schließlich wird das neuartige Verfahren für die Modellierung der Sensorgeometrie angewendet. An einer einfachen Geometrie wird das Sensorprinzip zur Bestimmung der Salzkonzentration demonstriert. T2 - DAGA 2018 - 44. Jahrestagung für Akustik CY - Munich, Germany DA - 19.03.2018 KW - Scaled Boundary Finite Element Method KW - Penalty Parameter KW - Sensorentwicklung PY - 2018 SN - 978-3-939296-13-3 VL - 2018 SP - 1023 EP - 1026 AN - OPUS4-45262 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -