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- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (3)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
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- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (2)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (2)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (2)
Eingeladener Vortrag
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Eine Reihe von Prüfproblemen in der chemischen Industrie, in Kraftwerksanlagen und in Transportsystemen ist aufgrund schwieriger Zugangsmöglichkeiten nur begrenzt technisch bzw. wirtschaftlich effizient durchführbar. Das hier vorgestellte Projekt beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung über weite Entfernungen (bis zu 100 m), das zum Einsatz in automatisierten Messsystemen bzw. zur Integration in Langzeitüberwachungssysteme geeignet ist. Grundlage des Verfahrens ist die gezielte Anregung und Auswertung von Lamb-Wellenmoden, wodurch eine effektive Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen sowie eine Klassifizierung unterschiedlicher Fehlertypen möglich werden.
Der Vorteil der Nutzung geführter Wellen für die zerstörungsfreie Prüfung liegt in ihrer vergleichsweise guten Ausbreitungsfähigkeit über weite Entfernungen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Untersuchung großer bzw. schwer zugänglicher Bereiche einer Struktur bieten innovative Ansätze für die Entwicklung robuster Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM). Erst durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechentechnik wird ein breiter Einsatz derartiger Verfahren möglich. Die Technik kann zur Materialcharakterisierung an ebenen bzw. zylindrischen, dünnwandigen Flächen aus Metall oder auch CFK genutzt werden. Adressierte Anwendungsfelder sind z.B. die Untersuchung von Flugzeugtragflächen oder Pipelines. Des Weiteren wird der Einsatz solcher Verfahren zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile z.B. aus Laminaten angestrebt, wie sie verstärkt in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Im Rahmen des Projekts wurde auf Grundlage vorhandener Technik (Wellenanregung mittels Ultraschall-Gruppenstrahlprüfköpfen) ein umfassendes Verständnis für die Technologie und anwendungsrelevante Parameter (Probenmaterial und -dimensionen, Welleneigenschaften, Anregungs-, Transmissions-, Reflektionscharakteristika) gewonnen und Algorithmen zur Erkennung von Schädigungsbildern (z.B. Riss, Loch, Verdünnung) entwickelt.
Neben der Algorithmusentwicklung zur Detektion und Analyse von Schadstellen, lag ein Projektschwerpunkt in der Entwicklung einer geeigneten Gerätetechnik. Als sensorisches Elemente wurde Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik eingesetzt. Besondere Anforderungen werden an die Technik zur Anregung der Wellenmoden unter Verwendung geeigneter Piezoaktoren gestellt. In diesem Bereich existiert bislang keine kommerziell erhältliche Gerätelösung, weshalb eine Neuentwicklug der Anregetechnik realisiert wurde. Speziell für die hohe Anzahl an Aktorkanälen, die benötigt wird, um unterschiedliche Moden und Wellenformen anzuregen, wurde eine äußerst leistungsfähige Anregeeinheit entwickelt.
Die Rekonstruktion von Materialfehlern aus gemessenen
HF-Bildern mit Hilfe der Synthetic Aperture Focussing
Technique (SAFT) ist ein bildgebendes Verfahren der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Auswertbarkeit
der gewonnenen Ergebnisse wird dabei maßgeblich durch
die Darstellung der mittels SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten
Daten bestimmt, welche zunächst nur
in Form positiver und negativer Amplitudenwerte vorliegen.
Die Aufbereitung dieser Daten erfolgt durch Bildung der
Einhüllenden der Amplituden aus dem zugehörigen analytischen
Signal. Die Erweiterung dieses, nur im eindimensionalen
Fall eindeutig definierten, Konzepts auf
zweidimensionale Signalverläufe erfolgt dabei in Form einer
Mittelung über die Betragsquadrate aller möglichen
mit Single-Orthant-Spektren (SO-Spektren) zu bildenden
analytischen Signale. Es wird gezeigt dass dies
der Verwendung einer Approximation als separables Signal
entspricht und für den zweidimensionalen Fall eine
Möglichkeit vorgeschlagen Signale anhand ihrer partiellen
und totalen Hilberttransformationen auf Separabilität und damit Anwendbarkeit dieser Näherung zu testen.
Die Ergebnisse der so durchgeführten Bildverbesserung
werden am Beispiel einer zweidimensionalen SAFT-Rekonstruktion
an verschiedenen Reflektorarten dargestellt.
Für alle Anwendungen geführter Wellen, beispielsweise in
der zerstörungsfreien Materialprüfung, ist die exakte und
effiziente Berechnung von Dispersionseigenschaften erforderlich.
Dabei müssen für eine gegebene Frequenz die Anzahl
der ausbreitungsfähigen Moden und deren Wellenzahlen
sowie Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten berechnet
werden. Für den Fall von Lambwellen in homogenen
isotropen Platten existieren analytische Gleichungen
für die Wellenzahlen, die sich mit numerischen Nullstellensuchverfahren
lösen lassen. Für komplexere Strukturen
oder dreidimensionale, nicht rotationssymmetrische
Wellenleiter ist die Entwicklung numerischer Methoden
erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird ein numerisches
Verfahren, basierend auf der Scaled Boundary Finite
Element Method (SBFEM) [1] vorgestellt. Mit diesem
lassen sich Dispersionseigenschaften von beliebigen Wellenleitern
sehr effizient berechnen. Ergebnisse werden für
den Fall von Wellen in Platten mit komplexer Materialzusammensetzung
präsentiert.
Der Einsatz geführter Wellen für die
zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall eröffnet neue Möglichkeiten,
räumlich ausgedehnte Bauteile mit begrenzter Zugänglichkeit
auf ihre Integrität zu prüfen und gewinnt daher
zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel behandelt die
physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung. Deren Verständnis
bildet die Grundlage für die Entwicklung geeigneter
Prüfsysteme. An Beispielen werden verschiedene Möglichkeiten
zur Simulation der Schallausbereitung vorgestellt. Aktuelle
Lösungsansätze zur Prüfung von plattenförmigen Strukturen
und von Rohrleitungen werden beschrieben, wobei besonders
auf die Sensortechnik und die speziellen Anforderungen
an die Prüfhardware eingegangen wird. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Guided waves are widely used for non-destructive
testing using ultrasound. Recently, the method has become increasingly
important for integrity tests of spatially extended
components with limited accessibility. This article discusses the
basic physics of the sound propagation of guided waves. Their
understanding forms the basis for the successful development
of adapted inspection systems. Examples for simulating the
wave propagation using different methods are presented. Current
approaches for the inspection of plate-like structures and
pipelines are described with focus on sensor technology and the
specific requirement on the test hardware.
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.
Thermoacoustic generation of airborne ultrasound using carbon materials at the micro- and nanoscale
(2011)
In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung von Luftultraschall vorgestellt, der auf dem thermoakustischen Prinzip beruht. Mikro- und nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien werden dabei mit einem harmonischen Wechselstrom gespeist und erfahren durch ohmsche Verluste eine Temperaturänderung, die sich auf das umgebende Fluid überträgt. Daraus resultieren Druckmodulationen, und es wird eine ausbreitungsfähige Schallwelle erzeugt. Dabei tritt Frequenzverdopplung gegenüber der Anregungsfrequenz auf. Es konnte gezeigt werden, dass der entscheidende Parameter für die Effizienz der Methode, d.h. für ein möglichst großes Verhältnis von Schalldruck zu eingebrachter Leistung, die Wärmekapazität pro Flächeneinheit ist. Da dieser Quotient für Kohlenstoffmaterialien sehr klein sein kann, erlaubt das thermoakustische Prinzip hier die effiziente Erzeugung von Luftultraschall. Schalldruckmessungen an verschiedenen Materialproben wurden bis 100 kHz mit einem Mikrofon durchgeführt, oberhalb von 100 kHz wurde eine laservibrometrische Schnellemessung eingesetzt. In experimentellen Untersuchungen wurde die Schallerzeugung in Abhängigkeit der Materialeigenschaften analysiert und systematisiert. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit numerischen und analytischen Berechnungsergebnissen verglichen.
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.