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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.