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In this contribution a 3D ray tracing model for ultrasonic
field evaluation in inhomogeneous anisotropic materials
such as austenitic welds is presented. The inhomogenity of
austenitic weld material is represented as several
homogeneous layers. The general problem of energy
reflection and transmission at the boundaries of the layers
are solved resulting 3D amplitude and energy reflection and
transmission coefficients. The directivity factor for the ray in
general arbitrary oriented austenitic weld material (including
lay back orientation) is determined based on Lambs
reciprocity theorem. The transducer excited ultrasonic fields
are accurately evaluated by employing ray directivity factor,
transmission coefficients, divergence of the ray bundle and
density of rays. Finally, the comparison between theoretical
and experimental results will be described.
Ultrasonic investigation of inhomogeneous anisotropic materials such as austenitic welds is complicated because its columnar grain structure leads to curved energy paths, beam splitting and asymmetrical beam profiles. A ray tracing model has potential advantage in analyzing the ultrasonic sound field propagation and there with optimizing the inspection parameters. In this contribution we present a 2D ray tracing model to predict energy ray paths, ray amplitudes and travel times for the three wave modes quasi longitudinal, quasi shear vertical, and shear horizontal waves in austenitic weld materials. Inhomogenity in the austenitic weld material is represented by discretizing the inhomogeneous region into several homogeneous layers. At each interface between the layers the reflection and transmission problem is computed and yields energy direction, amplitude and energy coefficients. The ray amplitudes are computed accurately by taking into account directivity, divergence and density of rays, phase relations as well as transmission coefficients. Ultrasonic sound fields obtained from the ray tracing model are compared quantitatively with the 2D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT). The excellent agreement between both models confirms the validity of the presented ray tracing results. Experiments are conducted on austenitic weld samples with longitudinal beam transducer as transmitting probe and amplitudes at the rear surface are scanned by means of electrodynamical probes. Finally, the ray tracing model results are also validated through the experiments.
Ultrasound propagation in inhomogeneous anisotropic materials is difficult to examine because of the directional dependency of elastic properties. Simulation tools play an important role in developing advanced reliable ultrasonic testing techniques for the inspection of anisotropic materials particularly austenitic cladded materials and dissimilar welds. A 2-D Ray tracing method is developed for evaluating ray path, amplitude and travel time for three wave modes namely quasi longitudinal wave (qP), quasi shear vertical wave (qSV) and shear horizontal waves (SH) in anisotropic materials such as austenitic cladded materials. The inhomogenity in the anisotropic material is represented by discretizing the anisotropic region into several homogeneous layers. The ray paths are traced during its propagation through the various interfaces between those layers. At each interface the problem of reflection and refraction is solved. The ray amplitudes are computed by taking into account the directivity and phase relations. Ray divergence variation and ray transmission coefficients at each refraction boundary are considered. The Ray tracing results for ultrasonic field profiles in austenitic cladded materials are validated quantitatively by 2-D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) results and by the experiments.
In diesem Beitrag wird die numerische Modellierung und deren messtechnische Validierung der elastischen Wellenausbreitung in austenitischen Schweißnähten vorgestellt. Die Ultraschallprüfung von austenitischen Schweißverbindungen war und ist immer noch eine der schwierigsten Aufgaben der ZfP. Für eine optimierte Prüfkonfiguration ist es notwendig, verschiedene Prüfparameter wie Einschallwinkel, Prüfkopfposition und -Orientierung richtig einzustellen. Um die beste Anordnung zu ermitteln, wurde die Schallausbreitung in den austenitischen Schweißnähten mit verschiedenen Verfahren wie elastische finite Integrationstechnik (EFIT) und Raytracing simuliert. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse wurde die verwendete Gruppenstrahlerprüftechnik optimiert. Es wurden zahlreiche Untersuchungen an anisotropen Testkörpern in V-Durchschallung und an bezüglich der Schweißnaht transversal orientierten Rissen durchgefühlt. Die Ergebnisse der auf Raytracing bzw. EFIT basierenden Simulationstools wurden untereinander und auch mit den Messergebnissen verglichen.
In this contribution a simulation tool is developed to compute the energy skewing angles and energy coefficients
for the reflected and refracted plane waves in following general cases: (1) reflection and refraction
of plane elastic waves at an interface between isotropic and transversely isotropic solid, (2) reflection
and refraction of plane elastic waves at an interface between transversely isotropic and isotropic solid, (3)
reflection and refraction of plane elastic waves at an interface between two general transversely isotropic
solid and (4) reflection of plane elastic waves from a stress free boundary of a transversely isotropic solid.
Computational results for analytically evaluated acoustic wave energy skewing angles and energy reflection
and transmission coefficients in acoustically anisotropic materials such as austenitic steel materials
exhibiting columnar grain orientation are presented. The obtained results show that the acoustic energy
skewing angles and coefficients in austenitic steel materials strongly depend upon the columnar grain
orientation and are less influenced by the grain orientations which are parallel and perpendicular to the
interface.
This contribution describes a computationally efficient ray tracing algorithm for evaluating transducer generated ultrasonic wave fields in anisotropic materials such as austenitic cladded and austenitic weld components. According to this algorithm, ray paths are traced during its propagation through various layers of the material and at each Interface the problem of reflection and transmission is solved. The presented algorithm evaluates the transducer generated ultrasonic fields accurately by taking in to account the directivity, divergence, density of rays, phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing algorithm is able to calculate the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as a finite dimension transducer. The simulation results are compared quantitatively with the results obtained from Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) on several configurations generally occuring in the ultrasonic non destructive testing of anisotropic materials. The excellent agreement between both models confirms the validity of the presented ray tracing algorithm. Finally, the ray tracing model results are also validated by means of experiments.
Ultrasonic examination of anisotropic inhomogeneous austenitic welds is challenging, because of the columnar grain structure of the weld leads to beam skewing and splitting. Modeling tools play an important role in understanding the ultrasound field propagation and optimization of experimental parameters during the ultrasonic testing of austenitic welds as well as the interpretation of the test results. In this contribution, an efficient theoretical model based on the ray tracing concepts is developed to calculate the ultrasonic fields in inhomogeneous austenitic welds quantitatively. The developed model determines the ultrasound fields by taking into account the directivity of the ray source, the inhomogenity of the weld as well as ray transmission coefficients. Directivity of the ray source in columnar grained austenitic materials (including layback orientation) is obtained in three dimensions based on Lamb's reciprocity theorem. Ray energy reflection and transmission coefficients at an interface between two general columnar grained austenitic materials are calculated in three dimensions. The ray tracing model predictions on inhomogeneous austenitic weld material are compared against those from CIVA, a commercial non-destructive modeling and simulation tool. The ultrasonic modeling tools in CIVA are based on semi-analytical solutions. For beam propagation simulation, a so-called 'pencil method' is used, which involves modeling the probe as a set of individual source points, each radiating 'a bundle' of diverging rays into the medium and integrating those elementary contributions. Inhomogenity in the weld region is approximated by mapping the grain orientations on weld macrograph. Simulation results for ultrasonic field profiles for an austenitic weld are shown to be in good agreement with the corresponding experimental results.
For the radiographic investigation of large cargo Containers the energies of conventional Xray tubes are inadequately for certain layer thicknesses. In that case the high energy radiation sources like electron accelerators and gamma radiators (60CO) are adequate for the non invasive inspection of large Containers because of the high penetration through thick materials. Multiple imaging even enables to distinguish between different materials. The main challenging task in air and sea cargo Container inspection is to improve the detectability of contraband and dangerous materials which are hidden in the heterogeneously packed Containers by detailed analysis of cluttered radiographic images. So it is to be expected that objects of organic substances like certain explosives or their precursors are hard to identify behind thick walls of heavy metal objects such as engine-blocks with flat bottom holes. The primary aim here is to investigate the detectability of dangerous materials (typically of light elements) in cargo Containers using high energy X-ray digital radiography.
Zur Durchstrahlung großer, dichter Objekte reichen die Energien, die mit normalen Röntgenröhren erzielt werden können, ab gewissen Schichtdicken nicht mehr aus. Als hochenergetische Strahlenquellen stehen Kobalt-60 und Elektronenbeschleuniger zur Verfügung. Als Einschränkung der Hochenergieradiographie ist der geringere Kontrast besonders beim Vorhandensein leichterer Objekte umgeben von Körpern bestehend aus schweren Elementen anzusehen. Es ist daher zu erwarten, dass Objekte aus organischen Substanzen hinter dicken Schwermetallwänden oder in Bohrungen von Metallblöcken schwer zu erkennen sind. Im Gegensatz zu einem Gammastrahler wie Kobalt-60 mit den beiden Spektrallinien um 1,3 MeV besitzt die Bremsstrahlung aus einem Beschleuniger einen wesentlichen Anteil an niederenergetischer Strahlung, der fließend zu höheren Energien übergeht. Es wird hier untersucht, welche Signaturen von leichten Materialien in einer Umgebung aus Schwermetall bis zu welcher Dicke und bis zu welchem Komplexizitätsgrad erkennbar sind. Mit einem Betatron (JME X-ray Betatron 7,5 MeV) und einem Matrixdetektor (Perkin Elmer XRD 1621) wurden Aufnahmen von unterschiedlichen leichten Objekten angefertigt, die zunehmend in eine Umgebung aus Schwermetallen gestellt wurden. Mit unterschiedlichen Energieeinstellungen wurde untersucht, inwieweit eine Materialerkennung hinter welcher Abschirmung möglich ist. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Simulationen verglichen, die mit einer Software zur Modellierung von Durchstrahlungsverfahren (aRTist) erzeugt wurden. Dabei wird dem Problem der Aufhärtung bei Anwendung von Bremsstrahlung Rechnung getragen. Die Ergebnisse können sowohl zur Erkennung von Fremdkörpern in Maschinen oder Pumpen als auch zur Überprüfung von Frachtladungen im Bereich der öffentlichen Sicherheit und bei Zollkontrollen dienen.
Die Arbeitsgruppe 5 der Europäischen Föderation für Zerstörungsfreie Prüfung (EFNDT Working Group 5 „Public Security and Safety“, EFNDT WG 5) verfolgt weiterhin das Ziel, organisatorisch weit auseinanderliegende Zuständigkeiten und Arbeitsgebiete zusammenzuführen, die weitgehend mit gleichen, zumindest ähnlichen Prinzipien und Methoden arbeiten.
Auf der Suche nach neuen Wegen stoßen beide Seiten auf Gemeinsamkeiten. Dies gilt auch für neue Ansätze und Bewertungsmethoden von Techniken, mit denen Risiken vermindert werden sollen. Hierzu hat in Berlin ein Workshop im Oktober 2012 stattgefunden, auf dem parallele Projekte zur Container- und Frachtsicherheit zusammengeführt werden konnten. Herausgestellt wurde die Komplementarität der laufenden Projekte, gemeinsame Aspekte sollen künftig auch zusammen bearbeitet werden. Darüber hinaus wurden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, aber auch die Sichtweise der Europäischen Kommission mit ihren Vorstellungen zu einem europäischen Markt für Sicherheitstechnik dargestellt. Angesprochen wurden bestehende und vorgeschlagene europaweite Regulierungen und das europäische Referenznetz zum Schutz kritischer Infrastrukturen (ERNCIP), welches ein Netzwerk von Laboratorien für den Test von Sicherheitstechnik zum Ziel hat. Auf technischem Sektor standen Methoden im Vordergrund, mit denen die Gesamtmenge eines Gefahrstoffes wie z.B. Sprengstoff erkannt werden können, und nicht nur Spuren als indirektem Hinweis. Die Arbeitsgruppe konnte somit erstmalig ein neutrales Forum für parallel laufende Projekte zur öffentlichen Sicherheit zur Verfügung stellen. Die auf den Workshops 2010 bis 2012 in Berlin gehaltenen Vorträge sind auf der EFNDT WG 5 – Webseite im geschützten Bereich zu finden.
Nicht alles davon ist geeignet, es der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Deshalb sind alle Vorträge aus den Workshops in einem passwortgeschützten Verzeichnis abgelegt. Die Erteilung des Passwortes erfolgt über den Convenor der Arbeitsgruppe durch die EFNDT. Eine Erweiterung dieser Struktur zu einem Austauschforum ist vorgeschlagen. Zur Teilnahme daran sind nicht nur Mitglieder in den Gesellschaften für zerstörungsfreien Prüfung eingeladen, sondern auch diejenigen, die in den Anwendungsgebieten zur öffentlichen Sicherheit tätig sind.