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- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (59)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (59)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (6)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (5)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (4)
- 9 Komponentensicherheit (4)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (3)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (3)
Eingeladener Vortrag
- nein (24)
In this paper, a method is presented for the numerical computation of dispersion properties and mode shapes of guided waves in plate structures. The formulation is based on the Scaled Boundary Finite Element Method. The through-thickness direction of the plate is discretized in the finite element sense, while the direction of propagation is described analytically. This leads to a standard eigenvalue problem for the calculation of wave numbers. The proposed method is not limited to homogeneous plates. Multi-layered composites as well as structures with continuously varying material parameters in the direction of thickness can be modeled without essential changes in the formulation. Higher-order elements have been employed for the finite element discretization, leading to excellent convergence for complex structures. It is shown by numerical examples that this method provides highly accurate results with a small number of nodes while avoiding numerical problems and instabilities.
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.
This paper presents the numerical modeling of the Lamb
wave propagation in plate like structures with the
Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) and its
validation with the measured results. In general, Lamb
waves offer an attractive method to detect the defects inside
long plate like structures efficiently. However, such a nondestructive
testing (NDT) requires profound understanding
of the Lamb wave propagation in the plates, generation of
the symmetric and anti-symmetric modes of different orders
and their interaction with the defects of the materials.
Modern simulation tools based on numerical methods can be
used to model this complex NDT situation. EFIT is an
effective tool to model such problems in an efficient way.
With the help of the simulation results obtained from the
EFIT tool the propagation of different symmetric and antisymmetric
Lamb wave modes is analyzed and thus a proper
technique is developed to excite different modes and to
separate them from each other precisely. A validation of the
numerical results with the measured results is also presented.
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.
This paper presents the numerical modeling of the Lamb wave propagation in thin plates with the elastodynamic finite integration technique (EFIT) and its validation with the measured results. In general, Lamb waves offer an attractive method to detect the defects inside long plate like structures efficiently. However, such a nondestructive testing (NDT) requires profound understanding of the Lamb wave propagation in the plates, generation of the symmetric and anti-symmetric modes of different orders and their interaction with the defects of the materials. Modern simulation tools based on numerical methods such as the finite integration technique (FIT), the finite element method (FEM) and the boundary element method (BEM) can be used to model this NDT situation. The elastodynamic finite integration technique (EFIT) is an effective tool to model Lamb wave propagation in plates over long distances in an efficient way. With the help of the simulation results obtained from the EFIT tool the propagation of different symmetric and anti-symmetric modes is analyzed and thus a proper technique is developed to excite different modes and to separate them from each other precisely. A validation of the numerical results with the analytical results is also presented.
In this paper the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is applied for the simulation of Lamb waves in cracked plates. This method is highly advantageous to study the interaction of different Lamb wave modes with cracks as the crack is not discretized and no refinement is required around the crack tip. Numerical examples are presented for the reflection of the fundamental symmetric and antisymmetric modes from cracks of different depth. The spatial Fourier transformation is employed to calculate the amplitudes of reflected Lamb wave modes. The results reveal possibilities to obtain details of the crack geometry in non-destructive testing and structural health monitoring applications.
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.
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.
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.
Progress in acoustical defect sizing NDT methods for the inspection of power-plant components
(2012)
The demand of improved NDT methods with proper visualization and sizing
capabilities is a persistent trend in maintenance and manufacturing quality inspection.
Especially when dealing with high quality standards in conjunction with safety-critical
components in the sector of energy and transportation quantitative NDT techniques are
vital to provide reliable quality control systems and a corresponding deeper insight into
the component structure for a further fracture-mechanical estimation. The paper thus
focuses the progress of the defect sizing capabilities of modern Ultrasonic Testing
(UT). In Ultrasonic Testing the SAFT-algorithm (Synthetic Aperture Focusing
Technique) currently experiences a renaissance. The method is based on combining the
data of different transducer positions with their corresponding varied propagating time
and it is currently applied in several industrial applications. SAFT enhances the SNR
and the spatial resolution and is thus a valuable tool when it comes to improved
defect detection and sizing. A tomographic-like data mapping is illustrated on several
examples, where adapted phased array systems were used for the inspection of turbine
components and also for a cladded mock-up of a nuclear reactor pressure vessel. In a
statistical investigation we also performed a comparison with other defect sizing
methods like TOFD (Time of flight diffraction).
The Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) is an algorithm applied in non-destructive ultrasonic testing which provides an image of flaws within a specimen. The image is reconstructed from A-scans measured at different positions. Reliable evaluation of the images obtained by the SAFT-algorithm, however, depends on the representation of the reconstructed data, which is initially given in terms of positive and negative local values only. A suitable way of processing this data for evaluation is to calculate the envelope, which can be achieved by means of the analytic signal. The extension of this concept to the multidimensional case is neither trivial nor unique and although extensive work on this subject has been carried out in the past, a correct envelope calculation in multidimensional data remains difficult since it depends on an additional condition, namely the separability of the signal. In this paper, the concept of analytic signals with single-quadrant spectra is applied to process 2-dimensional data obtained by the SAFT-algorithm. Furthermore, we present a procedure to overcome the limitations of that approach by selecting local magnitude values from a number of rotated frames after evaluating the signals separability in each frame, which is briefly validated against synthetic and experimental data.
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.
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.
Thermoacoustic generation of airborne ultrasound using carbon materials at the micro- and nanoscale
(2011)
Lamb waves travel in plates and hollow cylinders over large distances and propagate with multiple mode shapes. Therefore the waves can be used for integrity tests of large scale structures. Each propagating wave mode has a unique dispersive character and a frequency dependent vibration pattern. Therefore, by interacting with flaws each mode is assumed to generate an individual reflection pattern depending on the flaw type, flaw orientation and size. To extract this information a frequency as well as wave number dependent mode excitation is required ensuring a single mode excitation. The challenge, however, is to control the selective mode excitation electronically to allow a sequence of consecutive tests with different wave modes to collect the data. A method is proposed using phased array wedge transducers with fluid coupling for normal force excitation of Lamb wave modes. The excitation principle is investigated analytically on plates by modelling the wave generation in the wedge and the coupling between wedge and structure. The analytical results of the excitation principle are validated by corresponding experiments where the field patterns on the wedge surface and on the plate were scanned using a laser vibrometer. The directivity of the radiated field is investigated together with the direction dependent analysis of the mode content.
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.
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.