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Pulse thermography is a non-destructive testing method based on infrared imaging of transient thermal patterns. Heating the surface of the structure under test for a short period of time generates a non-stationary temperature distribution and thus a thermal contrast between the defect and the sound material. In modern NDT, a quantitative characterization of hidden imperfections in materials is desired. In particular, defect depth and shape are of interest. The reconstruction of the defect from thermography data is a nonlinear inverse problem, and ill-posed. We propose an algorithm for the identification of subsurface defects based on the travel time of the reflected thermal pulse. Our work extends results by Lugin and Netzelmann, taking lateral thermal flows directly into account while retrieving the defect depth. This requires significantly less computational work. Quantitative information about the defect shape and depth is obtained. Application of our method to both thermography data generated by a finite element simulation and experimental heating of PVC test specimens with different defects yields good reconstruction of the actual defects.
Flash thermography is a fast and reliable non-destructive testing method for the investigation of defects in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials. In this paper numerical simulations of transient thermography data are presented, calculated for a quasi-isotropic flat bottom hole sample. They are compared to experimental data. These simulations are one important step towards the quantitative reconstruction of a flaw by assessing thermographic data. The applied numerical model is based on the finite-element method, extended by a semi-analytical treatment of the boundary of the sample, which is heated by the flash light. A crucial part for a reliable numerical model is the prior determination of the material parameters of the specimen as well as of the experimental parameters of the set-up. The material parameters in plane and in depth diffusivity are measured using laser line excitation. In addition, the absorption and heat transfer process of the first layers is investigated using an IR microscopic lens. The performance of the two distinct components of CFRP during heating – epoxy resin and carbon fibers – is examined. Finally, the material parameters are optimized by variation and comparison of the simulation results to the experimental data. The optimized parameters are compared to the measured ones and further methods to ensure precise material parameter measurements are discussed.
Simulation und Identifizierung von Delaminationen in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen
(2017)
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden häufig in sicherheitsrelevanten Gebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt. Hier besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile gewährleisten zu können. Aktive Thermographieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten und dessen strukturelle Integrität schwächen können.
In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit der Modellierung und effizienten Finite-Elemente-Simulation solcher Delaminationen, sowie ihrer Rekonstruktion aus gemessenen Oberflächentemperaturen. Dabei sollen die Rekonstruktionsergebnisse nicht nur eine Ortung der Fehlstellen, sondern auch eine quantitative Beschreibung der geometrischen Abmessungen und des Umfangs der Schädigungen ermöglichen. Hier erlauben numerische Rekonstruktionsverfahren basierend auf der Simulation des dreidimensionalen Wärmetransports eine Defektrekonstruktion unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie von anisotropen thermischen Materialeigenschaften. Da solche Verfahren sehr rechenaufwändig sind diskutieren wir schnelle heuristische Rekonstruktionsverfahren für die Anwendung in der Praxis.
Da kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in anspruchsvollen sicherheitsrelevanten Einsatzgebieten wie im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt werden, besteht ein zunehmender Bedarf an zerstörungsfreien Prüfmethoden. Ziel ist die Gewährleistung der Sicherheit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Bauteile. Aktive Thermografieverfahren ermöglichen die effiziente Prüfung großer Flächen mit hoher Auflösung in wenigen Arbeitsschritten. Ein wichtiges Teilgebiet der Prüfungen ist die Ortung und Charakterisierung von Delaminationen, die sowohl bereits in der Fertigung als auch während der Nutzung eines Bauteils auftreten können, und dessen strukturelle Integrität schwächen.
In diesem Beitrag werden CFK-Strukturen mit künstlichen und natürlichen Delaminationen mit Hilfe unterschiedlich zeitlich modulierter Strahlungsquellen experimentell untersucht. Verwendet werden dabei Anregungen mit Blitzlampen und mit frequenzmodulierten Halogenlampen. Mittels Filterfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich wird das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR) der detektierten Fehlstellen optimiert. Verglichen werden anschließend die Nachweisempfindlichkeit, das CNR und die Ortsauflösung der zu charakterisierenden Delaminationen für die unterschiedlichen Anregungs- und Auswertungstechniken. Ergänzt werden die Experimente durch numerische Simulationen des dreidimensionalen Wärmetransportes.
Verbesserung und Qualifizierung der Ultraschallprüfung von Mischnähten im Primärkreis von KKW
(2017)
Die im Primärkreislauf von Kernkraftwerken anzutreffenden austenitischen Schweiß- und Mischnähte sind nicht nur extrem sicherheitsrelevant, sondern stellen auch sehr hohe Anforderungen an die Materialprüfung. Neben der eingeschränkten Zugänglichkeit ist das makroskopische Gefüge der Schweißnaht für die Prüfung mit Ultraschall von höchster Bedeutung.
Um Materialfehler zuverlässig in Position und Größe bestimmen zu können, müssen die Kornorientierungen und die elastischen Konstanten des anisotropen Schweißnahtgefüges bekannt sein. Für die bildgebende Darstellung möglicher Materialfehler kommen folgende Arbeitsschritte zum Einsatz: Zunächst wird die Schweißnaht durchschallt, um mit einem inversen Verfahren wichtige Schweißnahtparameter wie beispielsweise die Kornorientierung bestimmen zu können. Auf der Basis dieser Parameter werden im nächsten Schritt die Schallwege mittels Raytracing (RT) simuliert. Zuletzt werden dieser RT-Simulation die Messdaten (A-Scans) von verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen zugeordnet und nach der SAFT-Methode (Synthetic Aperature Focusing Technique) zeitaufgelöst überlagert. Die Kombination aus inversem Verfahren, RT und SAFT gewährleistet auch in anisotropen Werkstoffen eine ortsrichtige Visualisierung der Fehler.
Wir erläutern diese drei Verfahren und stellen die Prüfanordnung von Prüfkörpern mit künstlichen Testfehlern vor. Messdaten sowie deren Auswertung werden mit den Ergebnissen einer CIVA-Simulation verglichen.
Carbon-fiber reinforced composites are becoming more and more important in the production of light-weight structures, e.g. in the automotive and aerospace industry. Thermography is often used for non-destructive testing of these products, especially to detect delaminations between different layers of the composite. In this presentation, we aim at methods for defect reconstruction from thermographic measurements of such carbon-fiber reinforced composites. The reconstruction results shall not only allow locating defects, but also give a quantitative characterization of the geometric properties of the defect. We discuss the simulation of the measurement process using finite element methods, as well as the experimental validation. In order to take anisotropic heat transport due to the fibers into account, we compare describing layers separately by individual diffusion tensors with using an averaged diffusion tensor. Especially in pulse thermography, thin boundary layers with steep temperature gradients occurring at the heated surface need to be resolved. Here we consider the combination of a 1D analytical solution combined with numerical solution of the remaining defect equation. Moreover, we discuss the mathematical modelling of various defects like delaminations and undulations, as well as the description of inhomogeneous heating by geometric optics. Finally, we will describe PDE-based methods for the solution of the inverse problem as well as ideas for fast heuristic methods to avoid expensive computations.
Carbon-fiber reinforced composites are becoming more and more important in the production of light-weight structures, e.g., in the automotive and aerospace industry. Thermography is often used for non-destructive testing of These products, especially to detect delaminations between different layers of the composite.
In this presentation, we aim at methods for defect reconstruction from thermographic measurements of such carbon-fiber reinforced composites. The reconstruction results shall not only allow to locate defects, but also give a quantitative characterization of the defect properties. We discuss the simulation of the measurement process using finite element methods, as well as the experimental validation on flat bottom holes.
Especially in pulse thermography, thin boundary layers with steep temperature gradients occurring at the heated surface need to be resolved. Here we use the combination of a 1D analytical solution combined with numerical solution of the remaining defect equation. We use the simulations to identify material Parameters from the measurements.
Finally, fast heuristics for reconstructing defect geometries are applied to the acquired data, and compared for their accuracy and utility in detecting different defects like back surface defects or delaminations.
Ray tracing boundary value problems: simulation and SAFT reconstruction for ultrasonic testing
(2016)
The application of advanced imaging techniques for the ultrasonic inspection of inhomogeneous anisotropic materials like austenitic and dissimilar welds requires information about acoustic wave Propagation through the material, in particular travel times between two Points in the material. Forward ray tracing is a popular approach to determine traveling paths and arrival times but is ill suited for inverse problems since a large number of rays have to be computed in order to arrive at prescribed end points.
In this contribution we discuss boundary value problems for acoustic rays, where the ray path between two given points is determined by solving the Eikonal equation. The implementation of such a two Point boundary value ray tracer for sound field simulations through an austenitic weld is described and its efficiency as well as the obtained results are compared to those of a forward ray tracer. The results are validated by comparison with experimental results and commercially available UT simulation tools.
As an application, we discuss an implementation of the method for SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The ray tracer calculates the required travel time through the anisotropic columnar grain structure of the austenitic weld. There, the formulation of ray tracing as a boundary value Problem allows a straightforward derivation of the ray path from a given transducer Position to any pixel in the reconstruction area and reduces the computational cost considerably.
Ray tracing boudary value problems: simulation and SAFT reconstruction for ultrasonic testing
(2016)
The application of advanced imaging techniques for the ultrasonic inspection of inhomogeneous anisotropic materials like austenitic and dissimilar welds requires information about acoustic wave propagation through the material, in particular travel times between two points in the material. Forward ray tracing is a popular approach to determine traveling paths and arrival times but is ill suited for inverse problems since a large number of rays have to be computed in order to arrive at prescribed end points. In this contribution we discuss boundary value problems for acoustic rays, where the ray path between two given points is determined by solving the eikonal equation. The implementation of such a two point boundary value ray tracer for sound field simulations through an austenitic weld is described and its efficiency as well as the obtained results are compared to those of a forward ray tracer. The results are validated by comparison with experimental results and commercially available UT simulation tools. As an application, we discuss an implementation of the method for SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The ray tracer calculates the required travel time through the anisotropic columnar grain structure of the austenitic weld. There, the formulation of ray tracing as a boundary value problem allows a straightforward derivation of the ray path from a given transducer position to any pixel in the reconstruction area and reduces the computational cost considerably.