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Guided waves (GW) are of great interest for non-destructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) of engineering structures such as for oil and gas pipelines, rails, aircraft components, adhesive bonds and possibly much more. Development of a technique based on GWs requires careful understanding obtained through modelling and analysis of wave propagation and mode-damage interaction due to the dispersion and multimodal character of GWs. The Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is a suitable numerical approach for this purpose allowing calculation of dispersion curves, mode shapes and GW propagation analysis. In this article, the SBFEM is used to analyse wave propagation in a plate consisting of an isotropic aluminium layer bonded as a hybrid to an anisotropic carbon fibre reinforced plastics layer. This hybrid Composite corresponds to one of those considered in a Type III composite pressure vessel used for storing gases, e.g., hydrogen in automotive and aerospace applications. The results show that most of the wave energy can be concentrated in a certain layer depending on the mode used, and by that damage present in this layer can be detected. The results obtained help to understand the wave propagation in multi-layered structures and are important for further development of NDT and SHM for Engineering structures consisting of multiple layers.
Damage Quantification in Aluminium-CFRP Composite Structures using Guided Wave Wavenumber Mapping
(2019)
The use of composite materials is associated not only with the advantages of weight reduction and improved structural performance but also with the risk of barely visible impacts or manufacturing damages. One of the promising techniques for the detection and characterisation of such damages is based on ultrasonic guided wave propagation and analysis. However, the multimodal nature and dispersive behaviour of these waves make their analysis difficult. Various signal processing techniques have been proposed for easier interpretation of guided wave signals and extraction of the necessary information about the damage. One of them is the wavenumber mapping which consists of creating a cartography of the wavenumber of a propagating mode over an inspected area, using a dense wavefield acquisition measured for example with a scanning laser Doppler vibrometer. This technique allows both the quantification of the in-plane size and the depth of damage, for example, impact-induced delamination in composite laminates.
In this contribution, wavenumber mapping is applied to a delaminated aluminium-CFRP composite structure which corresponds to composite-overwrapped pressure vessels used for storing gases in aerospace and automotive industries. The analysis of experimental data obtained from measurements of guided waves propagating in an aluminium-CFRP composite plate with impact-induced damage is performed. The output of the imaging is a three-dimensional representation of the delamination induced by the impact. Good agreement between conventional ultrasonic testing and guided wave damage mapping can be found.
Acoustic-structure interaction in the Scaled Boundary Finite Element Method for primsatic geometries
(2019)
Due to the short wavelength compared to the dimensions of the structure, the simulation of ultrasonic waves is still a challenging task. A numerical method well suited for this purpose is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). When applying this method, only the boundary of a computational domain is discretized using finite elements, while the interior is described by an analytical ansatz. Hence, the number of degrees of freedom is reduced significantly compared to the classical Finite Element Method (FEM).
In recent years, a particular formulation of the SBFEM for the simulation of ultrasonic guided waves was developed. The method constitutes an efficient algorithm for prismatic structures of arbitrary length, such as plates, pipes, or beams. Wave propagation phenomena in such structures can be modeled for isotropic and anisotropic inhomogeneous waveguides. Even though the method is an efficient tool for the simulation of guided waves in solid media, a reliable model for the simulation of acoustic wave propagation in fluids as well as acoustic-structure interaction in terms of SBFEM is still missing. In principle, the fluid can be described by a displacement-based formulation and thus be implemented in existing SBFEM algorithms for solid bodies. However, due to the discretization with classical finite elements, spurious modes occur, which cannot be separated from the physical modes straightforwardly. The spurious modes can be suppressed using a penalty parameter. Although very accurate results were achieved for some problems, this procedure has been proven unreliable for certain cases.
For this reason, we propose a different approach in this contribution. We employ a pressure model to simulate the acoustic behavior of fluids. The implementation of the pressure model results in a higher effort due to the necessity of incorporating coupling terms, but it presents a stable alternative without spurious modes. The accuracy of the method is demonstrated in comparison with analytical solutions and results obtained using the FEM.
The dispersive properties of Lamb waves can be utilised for material characterisation because the frequency-wavenumber-relationship, as well as the group velocity, depend on material parameters. These dependencies make a non-destructive estimation of an elastic constant possible. This preliminary study investigates the sensitivity of dispersion curves caused by a change in elastic constants. The Scaled Boundary Finite Element Method is used to compute special dispersion curves, which show the sensitivity value of the frequency and group velocity as a colour value. This representation allows for easy identification of patterns and local effects. Two sets of dispersion curves are presented, one set for a steel plate and the other set for a plate made of a carbon fibre reinforced polymer. In general, we notice that the sensitivity often increases with the frequency and that higher-order modes seem to be more suitable for material characterisation. Moreover, specific modes respond to material changes while others are relatively unaffected, which must be taken into consideration for material characterisation.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Zur messtechnischen Analyse des Schwingungsverhaltens von Festkörpern kann die Bewegung der Oberfläche mit einem Laservibrometer vermessen werden. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei der Charakterisierung von anisotropen Werkstoffeigenschaften, ist eine mehrdimensionale Bestimmung der Schwingungskomponenten notwendig. Zur Umsetzung des Messprinzips wird ein Ansatz mit einem Einpunkt-Vibrometer verfolgt, welcher sequenziell die Messpunkte aus mehreren Winkeln analysiert und unter Verwendung der Winkelbeziehungen die Normal- und In-Plane-Komponenten der Schwingung berechnet. Die exakte Positionierung des Lasers aus verschiedenen Winkeln stellt durch die hohen Frequenzen und die damit verbundenen Wellenlängen im mm-Bereich die wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung des Messverfahrens dar. Bereits kleine Abweichungen führen zu einem hohen Phasenversatz und somit zu nicht tolerierbaren Messfehlern. Unter Berücksichtigung schwer zu ermittelnder Geometrieinformationen wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit gewährleistet werden kann. Im Vortrag werden zunächst die Fehlereinflüsse analysiert und die Umsetzung des Messverfahrens detailliert vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die Schwingungskomponenten bis zu einer Frequenz von 1 MHz mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden können. Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Möglichkeiten zur Erhöhung der Reflektivität der Oberfläche auf die Ergebnisse untersucht.
Verbesserung und Qualifizierung der Ultraschallprüfung von Mischnähten im Primärkreis von KKW
(2017)
Die im Primärkreislauf von Kernkraftwerken anzutreffenden austenitischen Schweiß- und Mischnähte sind nicht nur extrem sicherheitsrelevant, sondern stellen auch sehr hohe Anforderungen an die Materialprüfung. Neben der eingeschränkten Zugänglichkeit ist das makroskopische Gefüge der Schweißnaht für die Prüfung mit Ultraschall von höchster Bedeutung.
Um Materialfehler zuverlässig in Position und Größe bestimmen zu können, müssen die Kornorientierungen und die elastischen Konstanten des anisotropen Schweißnahtgefüges bekannt sein. Für die bildgebende Darstellung möglicher Materialfehler kommen folgende Arbeitsschritte zum Einsatz: Zunächst wird die Schweißnaht durchschallt, um mit einem inversen Verfahren wichtige Schweißnahtparameter wie beispielsweise die Kornorientierung bestimmen zu können. Auf der Basis dieser Parameter werden im nächsten Schritt die Schallwege mittels Raytracing (RT) simuliert. Zuletzt werden dieser RT-Simulation die Messdaten (A-Scans) von verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen zugeordnet und nach der SAFT-Methode (Synthetic Aperature Focusing Technique) zeitaufgelöst überlagert. Die Kombination aus inversem Verfahren, RT und SAFT gewährleistet auch in anisotropen Werkstoffen eine ortsrichtige Visualisierung der Fehler.
Wir erläutern diese drei Verfahren und stellen die Prüfanordnung von Prüfkörpern mit künstlichen Testfehlern vor. Messdaten sowie deren Auswertung werden mit den Ergebnissen einer CIVA-Simulation verglichen.
Die Ultraschallprüfung additiv gefertigter Metallbauteile setzt eine genaue Kenntnis der akustischen Eigenschaften des Werkstoffs voraus. Insbesondere bei bildgebenden Rekonstruktionsverfahren müssen Anisotropien berücksichtigt werden, um ausreichende Abbildungsgenauigkeit zu erhalten. Es ist davon auszugehen, dass der lagenweise Aufbau des Werkstoffs beim selektiven Laserschmelzen eine bevorzugte Kornorientierung erzeugt, die sich in einer akustischen Anisotropie widerspiegelt. Zudem wird erwartet, dass die besondere Kornstruktur Einfluss auf die Schallschwächung hat.
Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, die akustischen Eigenschaften verschiedener additiv gefertigter Werkstoffe zu analysieren und die Ergebnisse mit konventionell gefertigten Werkstoffen zu vergleichen. In die Untersuchungen wurden verschiedene Stahl- und Aluminiumproben mit unterschiedlicher Aufbaurichtung einbezogen. Die Ergebnisse, sowohl aus Tauchtechnik als auch aus Kontakttechnikuntersuchungen, zeigen eine signifikante Abhängigkeit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit von der Aufbaurichtung. Zudem werden örtliche Schwankungen der gemessenen Schallgeschwindigkeiten sowie ein Einfluss auf die Schallschwächung sichtbar.