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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (70)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (70)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (9)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (7)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (4)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (4)
- 9 Komponentensicherheit (4)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (3)
Eingeladener Vortrag
- nein (25)
Geführte Wellen breiten sich in Platten und Hohlzylindern über weite
Entfernungen aus. Aus dieser Eigenschaft ergibt sich ein hohes Anwendungspotential
dieser Wellenart für die zerstörungsfreie Prüfung ausgedehnter Bauteile und
Strukturen mittels Ultraschall. Nachteilig für die Anwendung geführter Wellen sind
ihr dispersives Verhalten und die zunehmende Anzahl ausbreitungsfähiger Wellenmoden
bei hohen Frequenzen.
Ziel des Einsatzes der Gruppenstrahlertechnik ist es, eine ausgewählte Wellenmode
selektiv anzuregen bzw. zu empfangen. Durch die Änderung des Schwenkwinkels
im Gruppenstrahlerprüfkopf wird eine definierte Spurwellenlänge auf dem
Interface zwischen Prüfkopf und Struktur festgelegt, die zur Anregung einer Welle
mit entsprechender Phasengeschwindigkeit führt. Da der Schwenkwinkel elektronisch
verändert werden kann, lässt sich auch die angeregte Wellenmode elektronisch
auswählen, worin der große Vorteil des vorgestellten Verfahrens liegt.
In den vorgestellten Untersuchungen wurde die Anwendbarkeit der Methode
experimentell demonstriert. Der Anregemechanismus wurde theoretisch beleuchtet
und die Wellenausbreitung im Prüfkopf mit verschiedenen analytischen Ansätzen
modelliert. Mit diesen Modellen können Fragen der Richtwirkung und der Effizienz
der Anregung detailliert untersucht werden. Die modellierten Wellenfelder
wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und die Anwendbarkeit
der theoretischen Ansätze beurteilt, wobei die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen
im Experiment verifiziert werden konnten.
Mit der Gruppenstrahlertechnik der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung sind umfangreiche Untersuchungen an einer
plattierten Druckbehälter-Testwand durchgeführt worden. In der vorliegenden
Testwand mit einer Wanddicke von 149 mm befinden sich künstliche
Testreflektoren im Schweißnaht- und Plattierungsbereich, die mit Gruppenstrahler-
Prüfköpfen mit unterschiedlichen Frequenzen, Einschallwinkeln und
Einschallrichtungen nachgewiesen und in ihrem Anzeigenverhalten analysiert
wurden.
Zur Rekonstruktion der Reflektoranzeigen wurde ein SAFT - Algorithmus
verwendet, der die Variation der Einschallwinkel berücksichtigt. Zum Vergleich
sind die Reflektoren auch mit der TOFD - Technik analysiert worden. Ziel der
Untersuchungen war der direkte Vergleich der Eignung der SAFT- und TOFDTechnik
zur quantitativen Reflektorgrößenbestimmung.
The diffuse field assumption employed in basic statistical energy analysis (SEA) and in statistical room acoustics is violated for source and receiver positions close to boundaries or discontinuities. A simple approach is proposed to include the correction initially suggested by Waterhouse based on spherical Bessel functions in SEA predictions for rectangular rooms. With this modification the SEA results will be augmented by a position dependence and an additional frequency dependence. The approach is applied and demonstrated also for plate-like structures with different boundary conditions. An analytical solution is shown for the corner position on a simply supported plate and for edge positions on plates with more complex boundary conditions. The validity of the approach is confirmed by means of comparisons with modal analysis and finite element calculations.
The diffuse field assumption employed in Statistical Energy Analysis (SEA) and in statistical
room acoustics is violated for source and receiver positions close to boundaries or discontinuities.
An approach is suggested to include the correction made by Waterhouse based on
spherical Bessel functions in SEA predictions. With this modification the SEA results will be
augmented by a position dependence and an additional frequency dependence. The approach
is extended and demonstrated for plate-like structures with different boundary conditions. The
validity of the approach is confirmed by means of comparisons with modal analysis and finite
element calculations.
Guided waves are increasingly a subject of great interest in nondestructive testing. An example of research in this field is the development of a novel procedure for ultrasonic testing of wheelset-axles using guided waves, which requires to treat the wheelset-axle as a thick walled cylinder with varying thickness. In order to describe ultrasound propagation in a waveguide with non-constant thickness, a multimodal approach, which allows to avoid extensive mesh-based numerical calculations, seems to be promising. The method treats the modes of a corresponding waveguide with constant thickness as a base in which an arbitrary sound field can be expressed. Since the local sound field at any given position in the waveguide with varying thickness will be a combination of these base modes, the problem is reduced to solving the differential equation that governs the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the description of the sound field along the waveguide is obtained, the time dependence is added by multiplication with a simple oscillating term. Simulations of pulse propagation through the waveguide can then be constructed by adding up a sufficient number of mono-frequent continuous wave solutions. As an early stage in developing a simulation tool for sound propagation in thick walled cylinders with varying thickness, the multimodal approach was implemented and tested for the simple case of plate geometries. In this work, an overview of the simulations carried out for plates with non-constant thickness is presented. The performance of the algorithm based on the multimodal approach and the obtained results are compared to those of mesh-based simulation tools.
Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist ein Verfahren zur Verarbeitung von HF-Bildern, die an unterschiedlichen Prüfkopfpositionen aufgenommen wurden. Es wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung genutzt, um eine Abbildung von Materialfehlern innerhalb des Gebietes zu erstellen, auf das die Rekonstruktion angewandt wird. Die nach Abschluss der SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten Informationen über Reflektoren liegen zunächst nach wie vor in Form von HF-Daten vor. Die Interpretierbarkeit der SAFT-Bilder ist im Allgemeinen davon abhängig, wie diese Daten vor der endgültigen Darstellung aufbereitet werden. Die Bildung der Amplitudeneinhüllenden aus dem zugehörigen analytischen Signal stellt eine Möglichkeit einer solchen Aufbereitung nach Anwendung des SAFT-Algorithmus dar. Sie ist jedoch nur im eindimensionalen Fall eindeutig definiert. In diesem Beitrag wird das Konzept der analytischen Signale mit single-orthant-Spektren aufgegriffen, um eine Detektion der Einhüllenden an mehrdimensionalen HF-Daten durchzuführen. Dabei wird über die Betragsquadrate aller möglichen nach dieser Definition zu bildenden analytischen Signale gemittelt. Es wird gezeigt, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens einem Separationsansatz entspricht. Außerdem wird eine Möglichkeit aufgezeigt die Gültigkeit dieses Ansatzes anhand der totalen und partiellen Hilberttransformationen des Signals im konkreten Fall zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Methode zur Verbesserung von SAFT Bildern werden unter Verwendung synthetischer und experimenteller Daten an rekonstruierten Abbildungen verschiedener Reflektorarten beispielhaft dargestellt.
In diesem Beitrag präsentieren wir innovative Methoden für die breitbandige und resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall. Das Messverfahren verwendet eine Kunststofffolie und ein Laser-Vibrometer als breitbandigen und resonanzfreien Empfänger. Im Allgemeinen ermöglicht dieses Verfahren eine präzise Messung der Schallschnelle und des Schalldruckes in beliebigen, für das Laserlicht transparenten Flüssigkeiten und Gasen mit bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit. Das resonanzfreie Senden von Ultraschall basiert auf einem elektro-thermo-akustischen Wandlerprinzip und ermöglicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallwandlern, die Erzeugung von beliebig geformten akustischen Signalen ohne Resonanzen und ohne Nachschwingen.
Online-Strukturüberwachungssysteme sind eine Möglichkeit, den Anforderungen hinsichtlich Leichtbau und Zuverlässigkeit gleichzeitig gerecht zu werden. Die Integration solcher Systeme liefert aktuelle Informationen über die Integrität der sicherheitsrelevanten Struktur, wodurch sich Aussagen über notwendige Instandhaltungsarbeiten und möglicherweise über die zu erwartende Restlebensdauer ableiten lassen. Der zielgerichtete Einsatz der Überwachungssysteme ermöglicht es somit, die benötigten Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Bauteile zu reduzieren und Wartungsintervalle zu verlängern. Dadurch können Kosten gesenkt werden, ohne die Zuverlässigkeit zu verringern. Im Rahmen einer Studie zur Machbarkeit eines Online-Überwachungssystems für Eisenbahn-Radsatzwellen wurde der Einsatz geführter Ultraschallwellen, die von Sensoren an einer Stirnseite der Wellen angeregt werden, demonstriert. Aufgrund der Bauteilgeometrie und der dispersiven, multimodalen Wellenausbreitung stellt die Interpretation der Echosignale eine wesentliche Herausforderung dar. Basierend auf dem a-priori-Wissen über die Wellenausbreitung wurden in der Studie klassifizierende Auswertealgorithmen entwickelt und erfolgreich an maßstabsgetreuen Labormodellen getestet.
Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Multi-Material-Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung erlangen Klebeverbindungen immer stärkere Bedeutung. Die Prüfung dieser Fügeverbindungen stellt neue Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung. Hinzu kommt, dass die Zugänglichkeit häufig eingeschränkt und die Verwendung flüssiger Koppelmittel aufgrund konstruktiver oder fertigungstechnischer Gegebenheiten ausgeschlossen ist. Unter Berücksichtigung dieser Beschränkungen wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das eine luftgekoppelte Anregung geführter Ultraschallwellen mit einer laserbasierten Detektion kombiniert. Nachdem das Prüfverfahren zunächst mit einer einfachen Signalauswertung im Zeitbereich getestet wurde, konnte in nachfolgenden Untersuchungen die örtliche Auflösung durch die Implementierung von Filteralgorithmen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich und zusätzlich durch direktionale Filter erhöht werden. Das resultierende bildgebende Prüfverfahren wurde an realitätsnahen Klebeproben mit künstlichen Fehlern getestet. Die Zuverlässigkeit und Ortsauflösung des Verfahrens wurde im Vergleich mit herkömmlichen Prüfverfahren validiert. Mithilfe des Verfahrens können Poren, Einschlüsse und Bereiche mit ungenügender Verklebung detektiert werden.
A novel approach for the generation of broadband airborne ultrasound by using the thermo-acoustic effect is presented in this contribution. We investigate the applicability of resonance-free thermo-acoustic emitters for generation of very short high pressure airborne ultrasound pulses. A thermoacoustic emitter consisting of a 30 nm thin metallic film on a usual soda-lime glass substrate generates sound pressure values of more than 140 dB at 60 mm distance. The results are compared with conventional piezoelectric airborne ultrasound transducers. Our investigations show the applicability of the thermo-acoustic devices for broadband and high pressure ultrasound emitters using pulse excitation.
SAFT-Rekonstruktion für die Querfehlerprüfung in austenitischen Schweißnähten und Mischnähten
(2013)
This paper addresses the computation of dispersion curves, mode shapes and propagation of elastic guided waves. It summarizes the approaches based on the Scaled Boundary Finite Element Method.
Descriptions for plates, rods, pipelines and waveguides with an arbitrary cross section are included. The important steps for the approximation of the displacement in bounded and unbounded domains are stated. The grid generation process is explained. It is highlighted that the Scaled Boundary Finite Element Method is very efficient, if large portions of the domain are either straight or with a constant curvature. The computation of dispersion curves for layered structures is presented.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Composite pressure vessels are important components in the storage of gases under high pressure. Among 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 reduce the remaining lifetime of the tested component. Therefore, a truly non-destructive structural health monitoring (SHM) system would not only ensure a safer usage and extended lifetime, but also remove the necessity for periodic inspection and the testing of pressure vessels. The authors propose the use of guided ultrasonic waves, which have the potential to detect the main damage types, such as cracking in the metal liner, fibre breaks and composite matrix delamination. For the design of such an SHM system, multimodal ultrasonic wave propagation and defect-mode interaction must be fully understood. In this paper, simulation results obtained by means of finite element modelling (FEM) are presented. Based on the findings, suggestions are made regarding appropriate wave modes and their interaction with different flaw types, as well as the necessary excitation and suitable sensor configurations. Finally, a first approach for a reliable SHM system for composite pressure vessels is suggested.
Austenitic stainless steel welds as well as dissimilar metal welds with nickel alloy filler material, used in safety relevant parts of nuclear power plants, still challenge the ultrasonic inspection. The weld material forms large oriented grains which lead on the one hand to high sound scattering and on the other hand – to inhomogeneity and to the acoustic anisotropy of the weld structure. The ultrasonic wave fronts propagate not linearly, as in ferritic weld joints, but along the curves, which depend on the specific grain structure of the weld. Due the influence of these phenomena, it is difficult to analyze the inspection results and to classify the ultrasonic indications, which could be both from the weld geometry and from the material defects. A correct flaw sizing is not possible.
In an ongoing research project, different techniques to improve the reliability of ultrasonic testing at these kinds of welds are investigated. In a first step (in the previous research project) two ultrasonic inspection techniques were developed and validated on plane test specimens with artificial and realistic flaws. In the ongoing project, these techniques are applied to circumferential pipe welds with longitudinal and transverse flaws.
The technique developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Germany uses a combination of ray tracing and synthetic aperture focusing technique (SAFT). To investigate the unknown grain structure, the velocity distribution of weld-transmitting ultrasound waves is measured and used to model the weld by ray tracing.
The second technique, developed at the Fraunhofer Institute for Nondestructive Testing (IZFP) in Germany, uses Sampling Phased Array (Full Matrix Capture) combined with the reverse phase matching (RPM) and the gradient elastic constant descent algorithm (GECDM). This inspection method is able to estimate the elastic constants of the columnar grains in the weld and offers an improvement of the reliability of ultrasonic testing through the correction of the sound field distortion. The unknown inhomogeneity and anisotropy are investigated using a reference indication and the special optimization algorithm.
Both reconstruction techniques give quantitative inspection results and allow the defect sizing. They have been compared to conventional ultrasonic testing with techniques, which are state of the art for components in nuclear power plants. The improvement will be quantified by the comparison of the probability of detection (POD) of each technique.
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.
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).
Limited access to the object of relevance is often an essential problem in testing routines, e.g. for non-destructive testing of industry facilities or components of means of transportation. The presented project is about the development of a non-destructive testing method for application over great distances (up to 100 m). The method is based on directed excitation and measuring of Lamb waves (guided waves). It enables an effective differentiation of structural and defective indications as well as a classification of different defect types.
The advantage of guided waves is the ability of propagation over great distances. This offers innovative possibilities for the investigation of large or difficult to access constructions. The testing method can be helpful in a broad variety of applications. It is useable for the characterization of plane or cylindrical, thin-walled surfaces of metal or fiber laminated materials. Particularly the investigation of aircraft wings and other aerospace components as well as the investigation of pipelines are addressed fields of application.
Quantitative evaluation of ultrasonic C-scan images in homogeneous and layered anisotropic austenitic materials is of general importance for understanding the influence of anisotropy on wave fields during ultrasonic non-destructive testing and evaluation of these materials. In this contribution, a three dimensional ray tracing method is presented for evaluating ultrasonic C-scan images quantitatively in general homogeneous and layered anisotropic austenitic materials. The directivity of the ultrasonic ray source in general homogeneous columnar grained anisotropic austenitic steel material (including layback orientation) is obtained in three dimensions based on Lamb's reciprocity theorem. As a prerequisite for ray tracing model, the problem of ultrasonic ray energy reflection and transmission coefficients at an interface between (a) isotropic base material and anisotropic austenitic weld material (including layback orientation), (b) two adjacent anisotropic weld metals and (c) anisotropic weld metal and isotropic base material is solved in three dimensions. The influence of columnar grain orientation and layback orientation on ultrasonic C-scan image is quantitatively analyzed in the context of ultrasonic testing of homogeneous and layered austenitic steel materials. The presented quantitative results provide valuable information during ultrasonic characterization of homogeneous and layered anisotropic austenitic steel materials.
Numerical simulation of ultrasonic guided waves using the scaled boundary finite element method
(2012)
The formulation of the Scaled Boundary Finite Element Method is applied for the computation of dispersion properties of ultrasonic guided waves. The cross-section of the waveguide is discretized in the Finite Element sense, while the direction of propagation is described analytically. A standard eigenvalue problem is derived to compute the wave numbers of propagating modes. This paper focuses on cylindrical waveguides, where only a straight line has to be discretized. Higher-order elements are utilized for the discretization. As examples, dispersion curves are computed for a homogeneous pipe and a layered cylinder.
SAFT-Rekonstruktion für die Querfehlerprüfung in austenitischen Schweißnähten und Mischnähten
(2013)
Die Untersuchung austenitischer Schweißnähte ist eine Herausforde-rung für die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall, bei der die Anwendung her-kömmlicher Prüftechniken häufig keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert. Die Ursache dafür ist das inhomogen-anisotrope Gefüge im Schweißnahtbereich, das zu einer Verzerrung des Schallfeldes und damit zu Schwierigkeiten bei der Auffindbarkeit und bei der Größenbestimmung von Fehlern führt. Eine neue Her-ausforderung ist die Detektion von Querfehlern in Rohrleitungen des Primärkreises von Kernkraftwerken, aber auch in längsnahtgeschweißten, plattierten Rohrleitun-gen, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dabei können die Prüfköpfe auf Grund einer unbeschliffenen Decklage meist nicht direkt auf die Naht aufgesetzt werden. Vielmehr muss eine SE-Anordnung der Köpfe verwendet werden, bei der durch die längeren Schallwege der negative Einfluss des austenitischen Gefüges noch ver-stärkt wird.
Im vorliegenden Beitrag wird eine RT-SAFT-Prüftechnik vorgeschlagen, mit der die Fehlerdetektion deutlich verbessert werden konnte. Dabei wurde die SAFT-Rekonstruktion mit einem Ray-Tracing-Ansatz zur Bestimmung der Schalllaufwege und -laufzeiten und mit einem Schweißnahtmodell kombiniert. Das Schweißnaht-modell repräsentiert die Kornorientierung und die elastischen Konstanten in einer diskretisierten Form und macht so die komplexe Nahtstruktur für die Berechnung zugänglich.
Die Aufnahme der Messdaten erfolgt mit zwei Gruppenstrahlerprüfköpfen in V-Anordnung, die beidseitig der Schweißnaht geführt werden sind.
Im Beitrag werden die Prüfanordnung und das Rekonstruktionsverfahren vor-gestellt und die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen an austenitischen Schweißnähten und Mischnähten mit künstlich eingebrachten Testfehlern präsen-tiert. Die Ergebnisse der direkten Fehlergrößen- und -lagebestimmung werden mit den Resultaten konventioneller Prüftechniken verglichen.
The simulation of Lamb waves in a cracked plate using the scaled boundary finite element method
(2012)
The scaled boundary finite element method is applied to the simulation of Lamb waves for ultrasonic testing applications. With this method, the general elastodynamic problem is solved, while only the boundary of the domain under consideration has to be discretized. The reflection of the fundamental Lamb wave modes from cracks of different geometry in a steel plate is modeled. A test problem is compared with commercial finite element software, showing the efficiency and convergence of the scaled boundary finite element method. A special formulation of this method is utilized to calculate dispersion relations for plate structures. For the discretization of the boundary, higher-order elements are employed to improve the efficiency of the simulations. The simplicity of mesh generation of a cracked plate for a scaled boundary finite element analysis is illustrated.
The inspection of austenitic and dissimilar welds using ultrasound demands for sophisticated testing techniques. The application of reconstruction methods like the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) on the measurement results provides an appropriate approach for defect characterization and sizing. Nevertheless, the reconstruction algorithm has to consider the aniso-tropic wave propagation inside the inhomogeneous weld material. In recent years the detection of transverse cracks has become increasingly important for ensuring the structural integrity of pipes in the primary circuit of nuclear power plants or longitudinally welded, cladded pipes. However, relia-ble inspection techniques are hardly available. In this particular case, it is expected that the compar-atively long propagation path of the ultrasonic wave field inside the inhomogeneous weld material enhances the effect of anisotropy and influences the accuracy and the signal-to-noise-ratio of the reconstruction result. In this contribution we suggest an advanced ultrasonic testing technique for detecting and sizing of transversal cracks in austenitic and dissimilar welds. The method applies a SAFT reconstruction algorithm considering the anisotropy and the inhomogeneity. A V-arrangement of the transducers in pitch-catch technique is chosen to avoid a direct coupling on the weld face. The reconstruction algo-rithm is based on an extended 3-dimensional weld model and uses a ray-tracing approach for de-termining the wave propagation paths. Along with the reconstruction algorithm the transducer set-up and experimental results of different specimens with artificial transverse flaws are presented. The availability of the proposed method for crack sizing is assessed in comparison to conventional testing techniques.
In this paper, a numerical approach for the computation of dispersion relations for three-dimensional waveguides with arbitrary cross-section is proposed. The formulation is based on the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). It is an extension of the approach previously derived for plate structures. It is shown that the wavenumbers of guided waves in a waveguide can be obtained as the eigenvalues of the Z matrix, which is well known in the SBFEM. The Hamiltonian properties of this matrix are utilized to derive an efficient way to compute the group velocities of propagating waves as eigenvalue derivatives. The cross-section of the waveguide is discretized using higher-order spectral elements. It is discussed in detail how symmetry axes can be utilized to reduce computational costs. In order to sort the solutions at different frequencies, a mode-tracking algorithm is proposed, based on the Padé expansion.
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 non destructive testing techniques for the inspection of anisotropic materials particularly austenitic cladded materials, austenitic welds and dissimilar welds. In this contribution we present an adapted 2D ray tracing model for evaluating ultrasonic wave fields quantitatively in inhomogeneous anisotropic materials. Inhomogeneity in the anisotropic material is represented by discretizing into several homogeneous layers. According to ray tracing model, ultrasonic ray paths are traced during its energy propagation through various discretized layers of the material and at each interface the problem of reflection and transmission is solved. The presented algorithm evaluates the transducer excited ultrasonic fields accurately by taking into account the directivity of the transducer, divergence of the ray bundle, density of rays and phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing model is able to calculate the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as a finite dimension transducer. The ray tracing model results are validated quantitatively with the results obtained from 2D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) on several configurations generally occurring in the ultrasonic non destructive testing of anisotropic materials. Finally, the quantitative comparison of ray tracing model results with experiments on 32 mm thick austenitic weld material and 62 mm thick austenitic cladded material is discussed.
Up to now there is no sufficient technique to detect transverse cracks in austenitic and dissimilar welds which recently are of increasing interest in the integrity surveillance of nuclear power plants as well as in quality control of longitudinally welded pipes. Weld inspection by interpretation of single A-scans will lead to erroneous results due to effects caused by anisotropy and in worst case might leave flaws undetected. Therefore, imaging techniques such as the synthetic aperture focusing technique (SAFT) should be used. If the SAFT algorithm is applied on data taken from austenitic welds, the inhomogeneous, anisotropic structure of these welds has to be taken into account in order to properly attribute amplitudes measured in A-scans to the corresponding coordinates in the region of interest. While this has been investigated in the past, all attempts so far were limited to the imaging of longitudinal cracks which requires a less complicated setup than the imaging of transverse cracks. In this paper we give an outline of our attempts to reconstruct images of transverse cracks in different welds. For this purpose a SAFT program based on ray tracing and a layered structure weld model derived from an empirical model of grain orientations in welds are used. The results of the image reconstruction on experimental data are shown and compared to images obtained by assuming an isotropic homogeneous model. Root reflection and crack tip echo are clearly visible which allows an estimation of size and position of the crack with good accuracy.
In this contribution we present a novel thermo-acoustic approach for the generation of broad band airborne ultrasound and investigate the applicability of resonance-free thermo-acoustic emitters for very short high pressure airborne ultrasound pulses. We report on measurements of thermo-acoustic emitter consisting of a 30 nm thin metallic film on a usual soda-lime glass substrate, generating sound pressure values of more than 140 dB at 60 mm distance from the transducer and compare the results with conventional piezoelectric airborne ultrasound transducers. Our experimental investigations show that such thermo-acoustic devices can be used as broad band emitters using pulse excitation.
This paper presents an automated system for the evaluation and visualization of structural vibrations on the surface of solid materials in an ultrasonic frequency range using a single head laser Doppler vibrometer. For this method, the vibrometer performs a continuous scan of the surface driven by a two-axes robotic system. Scan and measurement parameters can be adapted to the requirements of geometry, frequency and resolution. Data processing techniques are employed to improve the signal-to-noise ratio and minimize the effect of inconvenient laser beam reflections caused by speckles.
This article describes a comprehensive quantitative analysis on effect of columnar grain orientation on ultrasonic plane wave energy reflection and transmission behaviour in acoustically anisotropic austenitic weld materials. The quantitative results are presented for following general interfaces (a) Isotropic-Anisotropic, (b) Anisotropic-Isotropic, (c) Fluid-Anisotropic, (d) Anisotropic-Fluid, (e) Anisotropic-Anisotropic, (f) Anisotropic-Free surface occur during the ultrasonic non destructive evaluation of austenitic weld materials. Explicit analytical expressions are presented for energy reflection and transmission coefficients at an interface between two arbitrarily oriented transversely isotropic materials. By applying explicit analytical expressions for energy reflection and transmission coefficients, numerical results are presented for several columnar grain orientations of the transverse isotropic austenitic weld material including both real and complex domain of the reflected and transmitted normal component of slowness vectors. Valid domains of incident wave vector angles, angular dependency of energy reflection and transmission coefficients and critical angles for reflected and transmitted waves are discussed. The existence of a reflected (or) transmitted second branch of quasi shear vertical waves and its consequence to the ultrasonic non destructive testing of austenitic weld materials are investigated. The presented comprehensive quantitative evaluation provides an overview on the effect of anisotropic properties on energy reflection and transmission coefficients in columnar grained austenitic weld materials.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is a semi-analytical method that shows promising results in modelling of guided ultrasonic waves. Efficiency and low computational cost of the method are achieved by a 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. 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 allows appropriate wave types (modes) to be identified and to analyse their interaction with different defects. Results obtained are used to develop a structural health monitoring system for composite pressure vessels used in automotive and aerospace industries.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is a semi-analytical method that shows promising results in modelling of guided ultrasonic waves. Efficiency and low computational cost of the method are achieved by a 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. 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 allows appropriate wave types (modes) to be identified and to analyse their interaction with different defects. Results obtained are used to develop a structural health monitoring system for composite pressure vessels used in automotive and aerospace industries.
The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is a semi-analytical method that shows promising results in modelling of guided ultrasonic waves. Efficiency and low computational cost of the method are achieved by a 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. 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 allows appropriate wave types (modes) to be identified and to analyse their interaction with different defects. Results obtained are used to develop a structural health monitoring system for composite pressure vessels used in automotive and aerospace industries.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
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
Bestimmung der Rissgeometrie bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit geführten Wellen
(2019)
In der zerstörungsfreien Prüfung werden in zunehmendem Maße geführte Ultraschallwellen zur Lokalisation von Fehlstellen genutzt. Geführte Ultraschallwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Distanzen innerhalb des zu prüfenden Bauteiles zurücklegen können. Das Ultraschallwellenfeld setzt sich dabei aus verschieden Moden zusammen. Etablierte Prüfverfahren mit geführten Wellen ermitteln häufig nur die Position der Fehlstelle, wobei die Laufzeiten der reflektierten Signale ausgewertet wird. Modenumwandlung bleibt dabei zumeist unberücksichtigt.
Die Charakterisierung der Fehlstelle, zum Beispiel hinsichtlich der Länge eines Risses, ist dagegen herausfordernd. Aussagekräftige Zusammenhänge zwischen der Dimension oder Geometrie der Fehlstelle und ihrer Interaktion mit der Ultraschallwelle zu finden, ist Teil aktueller Forschung. Insbesondere eine Betrachtung der Moden höherer Ordnung und deren Amplitudenverhältnisse kann beim Aufspüren dieser Zusammenhänge hilfreich sein.
Im Beitrag werden zunächst die Zusammenhänge zwischen den beiden fundamentalen Moden in einer isotropen Platte und der Länge eines Risses untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein inverses Verfahren motiviert. Ein Algorithmus wird vorgestellt, der die Risslänge im Modell solange variiert, bis er die modalen Zusammenhänge einer Vorgabe oder einer Messung rekonstruiert. Die eingesetzte Scaled Boundary Finite Element Method ermöglicht dabei eine sehr kurze Rechenzeit in jeden Optimierungsschritt. Zusätzlich ermöglicht die Methode eine Auswertung der modalen Zusammenhänge ohne Postprocessing, was die Rechenzeiten weiter verkürzt.
Die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen in Rohrsystemen ist von großem Interesse für viele unterschiedliche Anwendungen. Die meisten Messsysteme sind jedoch nicht in der Lage, die Flüssigkeit direkt im Rohr zu untersuchen und es muss eine zusätzliche Vorrichtung, wie z.B. einem Bypass, angebracht werden, welche den Kontakt zwischen Flüssigkeit und Sensor ermöglicht.
Um den Einbauaufwand gering zu halten und die Strömungseigenschaften des Rohres nicht zu beeinflussen, wird ein neuartiges Messsystem entwickelt, welches als Teil der Rohrwand ausgeführt werden kann. Dieses neuartige System ist angelehnt an die Idee der phononischen Kristallen (PnK). PnK’s bestehen im Allgemeinen aus einem Matrixmaterial, in welchem Streuzentren periodisch angeordnet sind. Dies führt beim Eintreffen einer akustischen Welle in definierten Frequenz-bereichen, sogenannter Bandlücken, zu zunehmender destruktiven Interferenz. Wird innerhalb einer solchen Bandlücke durch Einbringen einer flüssigkeitsgefüllten Kavität ein Resonanzverhalten erzeugt, kann dies genutzt werden, um die Flüssigkeit zu analysieren.
Im Rahmen von Voruntersuchung wird zunächst das akustische Verhalten des PnK’s, welcher für die Sensorentwicklung genutzt werden soll, unter Vernachlässigung der Flüssigkeit ausführlich untersucht. Hierbei werden zunächst die Bandlücken ermittelt und das Übertragungsverhalten betrachtet. Dieses wird im Anschluss experimentell überprüft.
Bestimmung der Rissgeometrie bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung mit geführten Wellen
(2019)
In der zerstörungsfreien Prüfung werden in zunehmendem Maße geführte Ultraschallwellen zur Lokalisation von Fehlstellen genutzt. Geführte Ultraschallwellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie große Distanzen innerhalb des zu prüfenden Bauteiles zurücklegen können. Das Ultraschallwellenfeld setzt sich dabei aus verschieden Moden zusammen. Etablierte Prüfverfahren mit geführten Wellen ermitteln häufig nur die Position der Fehlstelle, wobei die Laufzeiten der reflektierten Signale ausgewertet wird. Modenumwandlung bleibt dabei zumeist unberücksichtigt.
Die Charakterisierung der Fehlstelle, zum Beispiel hinsichtlich der Länge eines Risses, ist dagegen herausfordernd. Aussagekräftige Zusammenhänge zwischen der Dimension oder Geometrie der Fehlstelle und ihrer Interaktion mit der Ultraschallwelle zu finden, ist Teil aktueller Forschung. Insbesondere eine Betrachtung der Moden höherer Ordnung und deren Amplitudenverhältnisse kann beim Aufspüren dieser Zusammenhänge hilfreich sein.
Im Beitrag werden zunächst die Zusammenhänge zwischen den beiden fundamentalen Moden in einer isotropen Platte und der Länge eines Risses untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein inverses Verfahren motiviert. Ein Algorithmus wird vorgestellt, der die Risslänge im Modell solange variiert, bis er die modalen Zusammenhänge einer Vorgabe oder einer Messung rekonstruiert. Die eingesetzte Scaled Boundary Finite Element Method ermöglicht dabei eine sehr kurze Rechenzeit in jeden Optimierungsschritt. Zusätzlich ermöglicht die Methode eine Auswertung der modalen Zusammenhänge ohne Postprocessing, was die Rechenzeiten weiter verkürzt.