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Acoustic methods are ideally suited for determining the mechanical properties of different materials non-destructively. The availability of such methods is particularly important for fiber-reinforced polymers (FRPs) because their properties strongly depend on the manufacturing process and in-service conditions. Since FRPs are mostly used in thin-walled components, properties can be derived from the dispersion curves of ultrasonic guided waves (UGWs).
Our approach is based on an inverse procedure in which the numerically calcu-lated dispersion curves are fitted to the measured curves. The acquisition is done by applying a broadband piezoelectric transducer (PZT) to excite and a 3D laser Doppler vibrometer (3D LDV) to record the waves. Compared to the ap-proaches based on laser excitation, the PZT provides a better signal-to-noise ra-tio because more energy is brought into the structure. Whereas the 3D LDV compared to a 1D LDV or a PZT allows capturing in-plane and out-of-plane components and thus providing more dispersion information. Since the inverse procedure requires many iterations before elastic properties are retrieved, an ef-ficient tool for the calculation of the dispersion curves is necessary. For this, the Scaled Boundary Finite Element Method is used. All in all, a good agreement between theoretical and experimental curves is demonstrated.
Бегущие упругие волны часто используются в области неразрушающего контроля для определения механических характеристик материалов. Поскольку склеивание различных материалов является широко используемым методом в автомобильной и авиационной промышленности, необходима надежная система измерения для определения качества таких клеевых соединений. Дисперсионные кривые для многослойных волноводов при наличии клеевых прослоек характеризуются появлением эффекта расталкивания нормальных мод в тех областях, где соответствующие моды для отдельных материалов пересекались бы. Таким образом, в зависимости от качества клеевого соединения расстояние между этими модами изменяется. Используя комбинацию экспериментальных и численных данных, в настоящей работе представлен подход к определению параметра, указывающего на качество клеевого соединения.
The application of temperature compensation strategies is crucial in structural health monitoring approaches based on guided waves. Actually, the varying temperature influences the performance of the inspection system inducing false alarms or missed detection, with a consequent reduction of reliability and impact on probability of detection (POD).
This paper quantitatively describes two different methods to compensate the temperature effect, namely the optimal baseline selection (OBS) and the baseline signal stretch (BSS) extending their application to the case of a distributed sensor networks (DSN). This latter introduces a number of possible data to explore compensation strategies which do not necessarily returns univocal results. Hence, a decision framework is needed, which takes into consideration multiple ultrasonic time traces with different arrival times and amplitude. In detail, the effect of temperature separation between baseline time-traces in OBS are investigated considering multiple couples of sensors employed in the DSN. A combined strategy that uses both OBS and a frequent value warning is introduced to find the more probable temperature with increasing reliability of the assessment. The same procedure is applied using the BSS algorithm. Finally, the use of both approaches is introduced, comparing the capability of the mixed algorithm to correctly sort temperature information from OBS and then apply the BSS combining the frequent value warning to have a unique correction all over the DSN.
Theoretical results are compared, using data from two several experiments, which use different frequency analysis with either predominantly A0 mode or S0 mode data or both. The focus is given on the fact that different paths are available in a sensor network and several possible combinations of results are available. Nonetheless, introducing a frequent value warning it is possible to increase the efficiency of the OBS and BSS approaches making use of fewer signal processing algorithms. These confirm that the performance of OBS quantitatively agrees with predictions. In addition, the possibility to combine BSS approached also demonstrates that the use of compensation strategies improves detectability and localization of damage even in a DSN. This result can be used to improve the SHM system reliability, with promising perspectives in increasing POD.
The availability of non-destructive methods is particularly important for composites, e.g., carbon or glass fiber-reinforced polymers because their properties strongly depend on the manufacturing process and in-service conditions. Composites are mostly used in thin-walled components which are perfectly suited for the characterisation with ultrasonic guided waves (UGWs).
In this contribution, we demonstrate sensitivities of UGW to different elastic constants of a composite material. Then we present a characterisation procedure which can be used to in-fer elastic properties. Our approach is based on an inverse procedure in which the numeri-cally calculated dispersion curves are fitted to the measured curves. The acquisition is done by applying a broadband piezoelectric transducer (PZT) to excite various UGW modes and a 3D laser Doppler vibrometer (3D LDV) to record them. Compared to the approaches based on laser excitation, the PZT provides a better signal-to-noise ratio because more energy is brought into the structure. Whereas the 3D LDV compared to a 1D LDV or a PZT allows cap-turing in-plane and out-of-plane components giving more dispersion information for a better characterisation. Since the inverse procedure requires many iterations before elastic prop-erties are retrieved, an efficient tool for the calculation of the dispersion curves is necessary. For this, the Scaled Boundary Finite Element Method is used. All in all, a good agreement be-tween theoretical and experimental curves is demonstrated.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is a semi-analytical method that showed promising results in modelling of guided ultrasonic waves. Efficiency and a low computational cost of the method are achieved by the discretisation of the boundary of a computational domain only, whereas for the domain itself the analytical solution is used. By means of the SBFEM different types of defects, e.g. fatigue cracks, pores, delamination, corrosion, integrated into a structure consisting of anisotropic and isotropic materials can be modelled.
In this contribution, the SBFEM is used to analyse the propagation of guided waves in a structure consisting of an isotropic metal bonded to anisotropic carbon fibre reinforced material. The method allowed to identify appropriate wave types (modes) and to analyse their interaction with different defects. Obtained results will be used to develop a structural health monitoring system for composite pressure vessels used in automotive industry.
Guided waves cover comparably long distances and thus allow for online structural health monitoring of safety relevant components, e.g. lightweight composite overwrapped pressure vessels (COPV) as used for the transportation of pressurised gases. Reliable non-destructive assessment of COPVs’ condition is not available yet due to their complex composite structure comprising a thin metal liner and a fibre reinforced plastics (FRP) overwrap. The conventional overload hydrostatic pressure testing used for the metal vessels is not suitable for the composite vessels, because it may damage the FRP overwrap reducing the service life of the COPV. Therefore, ISO and CEN defined a maximum service life of composite pressure vessels as of 15 to 20 years. To extend the COPVs’ service life and to ensure a safer usage a structural health monitoring system based on guided ultrasonic waves is to be developed.
In this contribution first results of guided waves propagation in a flat composite plate consisting of an aluminium layer firmly bonded to a carbon fibre reinforced plastic laminate are presented. Based on experimental results material properties of FRP are reconstructed by means of the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM).
Die Scaled Boundary Finite Elemente Methode (SBFEM) ist eine semi-analytische Methode, die speziell für Modellierung von geführten Wellen weiterentwickelt und optimiert wurde. Da nur den Rand der Rechendomäne diskretisiert wird, hat die SBFEM einen geringen Rechenaufwand. In diesem Beitrag wird die SBFEM benutzt, um die Ausbreitung geführter Wellen in einer Metall-Faserverbund-Werkstoffstruktur zu analysieren. Mittels der SBFEM ist es möglich, verschiede Fehlertypen, z.B. Ermüdungsrisse, Poren, Delaminationen, Korrosion, in das numerische Modell zu integrieren und damit Defekt-Mode-Wechselwirkung zu analysieren. Die Ergebnisse wurden für die Entwicklung einer Methode zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern verwendet.
Structural health monitoring (SHM) is a term that groups together techniques adopted to evaluate in a continued fashion the structural integrity and degradation of technical appliances. SHM is particularly attractive for components that are difficult to access or expensive to take off-line. Among many other techniques, SHM can be performed using ultrasonic guided waves (UGW) which have an advantage of traveling over Long distances. Various guided wave modes exist along with many methods for their generation and sensing, e.g by means of interdigital transducers (IDT). This contribution is dedicated to the design and characterization of a flexible piezopolymerbased IDT which allows for the selective excitation of UGW, resulting in more straightforward data analysis. The designed IDT was characterized using a 3D Laser Doppler Vibrometer (3D LDV) in the air to identify and analyze the IDT’s Vibration modes. Then the transducer was mounted on an aluminum plate, and the generated wavefield was measured with the 3D LDV.
According to this investigation, we demonstrate that it is possible to selectively excite desired guided wave mode, namely the A0 mode, suppressing the excitation of the S0 mode. Moreover, the measured wavefield allows for analysis of the directivity of the designed IDT. All in all the results show good correlation between theoretical predictions and measured values, thus allowing to use the current design in terms of selective excitation as it is.
Lamb waves are widely used for non-destructive evaluation of material parameters as well as for detection of defects. Another application of Lamb waves is quality control of adhesive joints.
Researchers are currently investigating shear horizontal and zero-group velocity modes for characterisation of the adhesive bonding strength. In a new approach, Lamb wave mode repulsion is used to obtain the coupling strength between different layers to characterise the adhesive bonding strength. The modes of the individual layers become coupled in the multilayered systems forming particular regions, the so-called mode repulsion regions. This study investigates these modes and their interaction in two-layered plate-like structures with varying coupling strength both numerically, with the Scaled Boundary FEM, and experimentally.
Ultrasonic guided waves (UGW) have been shown to be suitable for non-destructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) of many engineering structures. Development of a technique based on UGWs requires careful understanding obtained through modelling and analysis of wave propagation and mode-damage interaction due to their dispersion and multimodal character. This presentation will provide insights into the Scaled Boundary Finite Element Method and its applicability for tackling wave propagation problems. Features and limitations of the SBFEM will be presented on an example of a multi-layered plate structure consisting of isotropic and anisotropic materials bonded together. You will be guided through the process of picking up the wave modes for your application. Starting from the calculation of dispersion curves and mode shapes to the analysis of wave propagation and mode-damage interaction. The main highlight of the presentation lies in the ability to detect damage in a certain layer depending on the mode used. The resulting deeper understanding of the wave propagation in multi-layered structures is the key to further developments of NDT and SHM for engineering structures consisting of multiple layers.
Der praktische Einsatz von SHM-Verfahren mit geführten Ultraschallwellen basiert auf einem fundierten Verständnis der speziellen physikalischen Zusammenhänge der Wellenausbreitung. Das umfasst nicht nur das multimodale Verhalten, welches von den Dispersionsdiagrammen repräsentiert wird, sondern auch die Vorhersage der Interaktion zwischen verschiedenen Wellenmoden und den zu erwartenden Fehlstellen.
Ziel des Workshops ist es, das Verständnis der Ausbreitung geführter Wellen zu verbessern und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus der multimodalen Wellenausbreitung ergeben, an praktischen Beispielen zu demonstrieren. Die vorgestellten Szenarien beschränken sich dabei nicht nur auf eine Anregung grundlegender Dehnungs- und Biegewellen, sondern beziehen auch geführte Wellenmoden höherer Ordnung zur Verbesserung der Aussagekraft des Prüfergebnisses mit ein.
Nach einer theoretischen Einführung werden ausgewählte Demonstratoren, vorrangig mit Bezug zum Automobilbau, vorgestellt. Diese schließen Fragestellungen der Integration der Sensorik in gekrümmte Faserverbundbauteile ebenso mit ein, wie die Überwachung von Metall-Faserverbund-Komposit-Materialien, die in Drucktanks zum Einsatz kommen.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist nicht nur mit den Vorteilen einer Gewichtsreduzierung und einer verbesserten strukturellen Leistung verbunden, sondern auch mit der Gefahr von kaum sichtbaren Impakt- oder Herstellungsschäden. Eine der vielversprechenden Methoden zur Erkennung und Charakterisierung solcher Schäden basiert auf der Ausbreitung und Analyse geführter Ultraschallwellen. Der multimodale und dispersive Charakter dieser Wellen erschweren jedoch die Analyse. Verschiedene Signalverarbeitungsmethoden wurden vorgeschlagen, um die Interpretation von Signalen und die Extraktion der notwendigen Informationen über den Schaden zu erleichtern. Eine davon ist die Erstellung einer Wellenzahlkarte. Die Wellenzahlkarte erlaubt es jeden Punkt in einer hochaufgelöste Wellenfeldaufnahme eine Wellenzahl zuzuordnen. Diese Methode ermöglicht sowohl die Quantifizierung der Größe als auch der Tiefe des Schadens.
In diesem Beitrag wird diese Bildgebungsmethode auf delaminierte Aluminium-CFK-Verbundstrukturen angewendet. Solche Strukturen entsprechen den umwickelten Druckbehältern, die zur Speicherung von Gasen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie verwendet werden. Zunächst werden die numerischen Untersuchungen zur einfachen Delamination in unterschiedlicher Tiefe vorgestellt. Als nächstes wird die Analyse von experimentellen Ergebnissen von einer geschädigten Aluminium-CFK-Platte präsentiert. Das Ergebnis der Bildgebung ist eine dreidimensionale Darstellung, die sowohl die Größe als auch die Tiefe des Impakt-Schadens liefert.
Damage Quantification in Aluminium-CFRP Composite Structures using Guided Wave Wavenumber Mapping
(2019)
The use of composite materials is associated not only with the advantages of weight reduction and improved structural performance but also with the risk of barely visible impacts or manufacturing damages. One of the promising techniques for the detection and characterisation of such damages is based on ultrasonic guided wave propagation and analysis. However, the multimodal nature and dispersive behaviour of these waves make their analysis difficult. Various signal processing techniques have been proposed for easier interpretation of guided wave signals and extraction of the necessary information about the damage. One of them is the wavenumber mapping which consists of creating a cartography of the wavenumber of a propagating mode over an inspected area, using a dense wavefield acquisition measured for example with a scanning laser Doppler vibrometer. This technique allows both the quantification of the in-plane size and the depth of damage, for example, impact-induced delamination in composite laminates.
In this contribution, wavenumber mapping is applied to a delaminated aluminium-CFRP composite structure which corresponds to composite-overwrapped pressure vessels used for storing gases in aerospace and automotive industries. The analysis of experimental data obtained from measurements of guided waves propagating in an aluminium-CFRP composite plate with impact-induced damage is performed. The output of the imaging is a three-dimensional representation of the delamination induced by the impact. Good agreement between conventional ultrasonic testing and guided wave damage mapping can be found.
Composite-Druckbehälter werden für Speicherung und Transport von Gasen unter hohem Druck verwendet. Durch die gewichtssparende Struktur, die aus einem dünnwandigem Metallgefäß und Faserverbundwerkstoff-Ummantelung besteht, sind solche Behälter insbesondere für die Automobilindustrie interessant, z.B. als Wasserstoffspeicher.
Die Druckprüfung ist ein konventioneller Test, um die Integrität von Metalldruckbehältern zu bewerten. Im Falle des Composite-Druckbehälters könne eine solche Prüfung jedoch den Faserverbundwerkstoff überbeanspruchen und somit die verbleibende Lebensdauer der getesteten Komponente verringern. Infolgedessen, es ist notwendig, die Verfahren zur zerstörungsfreie Prüfung und möglicherweise zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern zu entwickeln. Unser Vorgehen verwendet geführte Ultraschallwellen und hat das Potenzial, kritische Schäden wie Risse im Metall, Faserbrüche und Matrixrisse in Faserverbundwerkstoff zu detektieren.
In diesem Beitrag wurde die Finite Elemente Methode benutzt, um die multimodale, geführte Wellenausbreitung in einer Metall-Faserverbundwerkstoffstruktur zu analysieren. Dadurch wurden die geeigneten Wellenmoden identifiziert und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Fehlertypen analysiert. Diese Kenntnisse sollen für die Entwicklung von Verfahren zur wiederkehrenden Prüfung und zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern angewendet werden.
Die Scaled Boundary Finite Elemente Methode (SBFEM) ist eine semi-analytische Methode, die vielversprechende Ergebnisse bei der Modellierung geführter Ultraschallwellen zeigt. Effizienz und niedriger Rechenaufwand der Methode werden durch Diskretisierung des Randes der Rechendomäne erreicht, während für die Domäne selbst die analytische Lösung verwendet wird. Mittels der SBFEM können verschiedene Arten von Fehlern können modelliert werden, z. Risse, Poren, Delamination, Korrosion, die in eine Struktur aus anisotropen und isotropen Materialien integriert sind.
In diesem Beitrag wird das SBFEM verwendet, um die Ausbreitung von geführten Wellen in einer Struktur zu analysieren, die aus einem isotropen Metall besteht, das an anisotropes Kohlefaserverstärktes Material gebunden ist. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellentypen (Modi) und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Defekten. Die erzielten Ergebnisse werden zur Entwicklung eines Zustandsüberwachungssystems für Composite-Druckbehälter verwendet, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie benutzt werden.
Composite pressure vessels are important components for storing gases under high pressure. Beside others, a common type of pressure vessel is made of a metal liner overwrapped with a fibre reinforced plastic material. Conventional hydrostatic tests, used to assess the integrity of pressure vessels, may overstress the material, and thus, may reduce the remaining life-time of the tested component. Therefore, a truly nondestructive structural health monitoring (SHM) system would not only allow to ensure a safer usage and extended life-time, but also to exclude the necessity of the periodic inspection and testing of pressure vessels.
We propose to use guided ultrasonic waves which have a potential to detect the main damage types such as cracking in the metal liner, fibre breaks and composite Matrix delamination. For designing such a SHM system, the multimodal ultrasonic wave propagation and the defect-mode interaction must be fully understood.
In this contribution, we present simulation results obtained by means of finite element modelling. Based on the findings, suggestions about appropriate wave modes, their interaction with different flaw types as well as the necessary excitation and suitable sensor configuration are made. Finally, we suggest a first approach of a reliable SHM system for composite pressure vessels.
Composite-Druckbehälter werden für Speicherung und Transport von Gasen unter hohem Druck verwendet. Durch die gewichtssparende Struktur, die aus einem dünnwandigem Metallgefäß und Faserverbundwerkstoff-Ummantelung besteht, sind solche Behälter insbesondere für die Luftfahrt- und Automobilindustrie interessant, z.B. als Wasserstoffspeicher.
Die Druckprüfung ist ein konventioneller Test, um die Integrität von Metalldruckbehältern zu bewerten. Im Falle des Composite-Druckbehälters könnte eine solche Prüfung jedoch den Faserverbundwerkstoff überbeanspruchen und somit die verbleibende Lebensdauer der getesteten Komponente verringern. Infolgedessen ist es notwendig, Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und möglicherweise zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern zu entwickeln. Unser Ansatz verwendet geführte Ultraschallwellen und hat das Potenzial, kritische Schäden wie Risse im Metall und Faserbrüche und Matrixrisse in Faserverbundwerkstoff zu detektieren.
In diesem Beitrag wurde die Scaled Boundary Finite Elemente Methode benutzt, um die multimodale, geführte Wellenausbreitung in einem Mehrschichtverbund, der aus Metall und Kohlenfaserverbund entsteht, zu analysieren. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellenmoden und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Schäden. Diese Kenntnisse sollen für die Entwicklung von Verfahren zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern angewendet werden.
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.