Wissenschaftliche Artikel der BAM
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (34)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (31)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (31)
- 8.5 Röntgenbildgebung (16)
- 5 Werkstofftechnik (13)
- 7.4 Baustofftechnologie (12)
- 9 Komponentensicherheit (12)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (11)
Currently at Deutsche Bahn (DB) ultrasonic inspections in maintenance procedures for wheelset axles with a bore hole are, to the greatest possible extent, carried out using automated ultrasonic inspection system. Although the acceptance levels are in accordance with DIN 27201 part 7, the testing results have shown in recent years that in the case of true indications, the effective defect sizes were far below the level of acceptance. Due to this experience it can be assumed that the automated ultrasonic inspection systems are testing substantially more sensitively than required. This increased sensitivity leads to an increase in false indications, generally resulting in the unnecessary demounting of wheelsets. In Research cooperation between Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and DB the effective flaw detection sensitivity of existing automated ultrasonic inspection system will be determined and the true/false indication ratio optimised. Through systematic investigations with the Probability of Detection method on the existing automated ultrasonic inspection system the results could be directly applied to the optimisation of existing ultrasonic inspections of wheelset axles with a bore hole in maintenance procedures and the level of reliability can be considerably increased.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test specimen. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowattclass laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration. We present current activities with kilowatt-class highpower laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Thermografische ZfP-Verfahren erlauben die Erkennung einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen darüber hinaus die Prüfung auf Oberflächenrisse. Wir stellen die neuesten Entwicklungen dieser vielversprechenden Technik vor und zeigen warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte. Hierzu stellen wir die Prüfergebnisse zu unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, Rissgrößen und -typen in Abhängigkeit der Prüfparameter vor. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für die mittels klassischer Thermografie schwer prüfbaren hochreflektierenden Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen von weni-gen Mikrometern im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind weder Verbrauchsmittel noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen im Meter-Bereich erfolgen.
Defect detection in concrete pile using impulse response measurements with sine sweep excitations
(2015)
For pile integrity inspection, a low cost and portable shaker was used to create the sine sweep signal for pile excitation. The impulse response function, calculated by the deconvolution of pile response from the sine sweep excitation, was proposed to identify the echoes in the piles due to the pile’s impedance changes. The proposed methodology has been evaluated and validated both numerically and experimentally. Based on the results from the simulations and experiments, it was found that the impulse response measurement with sine sweep excitation could be an effective tool to detect the echoes of the pile toe and the defects in the pile.
In this work, we present our results achieved in several research activities for development of distributed fiber optic radiation sensors using glass and polymer optical fibers. The findings show that both the measurement of the radiation-induced attenuation (RIA) along the entire sensing fiber and the accompanying change in the refractive index of the fiber core can be used for distributed radiation monitoring.
In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss der statischen Verkehrsbelastung auf die geringen Durchbiegungseffekte in der Betonkonstruktion einer bestehenden Brücke mittels ortsauflösender faseroptischer Sensoren untersucht. Dabei tragen die Ergebnisse der an der Amsterdamer Brücke 705 durchgeführten Belastungstests wesentlich zum Verständnis des Strukturverhaltens bei. Das Konzept der statischen Belastung basierte auf dem Einsatz von zwei 36-Tonnen-Lastwagen, die an mehreren vorbestimmten Stellen auf der Brücke anhielten. Die auf diese Weise aufgebrachte Last führte zu ortsabhängigen kleinen Durchbiegungseffekten, die als lokale Längsdehnung der an der Unterseite der Brücke integrierten Sensorfaser aufgezeichnet wurden. Die reflektometrischen Messungen beruhten auf dem Prinzip genannt TW-COTDR (Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry). Die Messgenauigkeit lag im Bereich von 0,5 µm/m.
In the present study, the impact of static traffic loading on the slight deflection effects in the concrete structure of an existing bridge has been investigated using distributed fiber optic sensors. In the face of increasing traffic density and severe traffic loading, the results of the load tests on the Amsterdam bridge 705 make an important contribution to the understanding of its structural behavior. The concept of the static loading was based on the use of two 36-ton trucks stopped on the bridge at multiple pre-determined locations. The load applied in this way led to location-dependent small deflection effects recorded as longitudinal strain of the sensing fiber embedded at the underside of the bridge. The measurements were performed with a commercially-available solution based on Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry with the measurement accuracy in the range of 0.5 µm/m.
Für Ultraschallmessungen in Betonbauteilen wurden neuartige radialsymmetrisch abstrahlende Longitudinalwellenprüfköpfe mit einer Mittenfrequenz von 60 kHz auf deren Eignung hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Empfindlichkeit und Frequenzspektrum untersucht.
Für die Messung der Abstrahlcharakteristiken wurden die Prüfköpfe vertikal und horizontal in Betonzylinder eingebettet und die Richtungsabhängigkeiten der Schallschnelle mithilfe eines Laservibrometers gemessen.
Die Streuung der Prüfkopfempfindlichkeit wurde im Wasserbad unter Verwendung verschiedener Köpfe gleicher Bauart bestimmt. Außer Änderungen der Signalamplituden zeigten sich auch Schwankungen im Frequenzbereich bei verschiedenen Sender-Empfängerkombinationen.
Die Schallschwächung des Betons hat Einfluss auf die erreichbare Auflösung der Messungen und damit auf die maximal möglichen Senderabstände im Bauteil. Durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen erfolgte eine Optimierung der Abstände hinsichtlich des Aufwandes und der geforderten Auflösung. Die Signalschwächung im Beton wurde mit verschiedenen Impulsen im Frequenzbereich von 50 kHz bis 100 kHz in Abhängigkeit verschiedener Bewehrungsgrade und Korngrößen ermittelt. Hierfür wurden die Sensoren in unterschiedlichen Abständen in die Probekörper einbetoniert und die Empfangssignale hinsichtlich Amplitudenabfall und Frequenzspektrum untersucht.
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.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
In dieser Arbeit werden geschweißte Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 untersucht. Korrosion und Ermüdungsrisswachstum werden als Schadensmechanismen in das Material eingebracht und auf ihre Nachweisbarkeit in Plattenversuchen geprüft. Die Schallemissionssignale wurden nach primären und sekundären Quellmechanismen getrennt und ihr Einfluss auf die Gesamtemission analysiert.
Für eine 10 mm dicke Stahlplatte kann ein Bandpass so gesetzt werden, dass alle vorhandenen Wellenmoden mit derselben Schallgeschwindigkeit eintreffen. Anhand von Ortungsabweichungen und Ortungsunsicherheitswerten kann gezeigt werden, dass im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Quellenortung die Ortungsgenauigkeit durch eine Frequenzfilterung verbessert werden kann.
Das Monitoring von Bauteilen bei Ermüdungsbelastung mit Hilfe der Schallemission liefert eine große Anzahl an Schallemissionsdaten und –parametern. Um diese in einen Zusammenhang mit dem Schadenszustand des Bauteils zu bringen ist es sinnvoll, einen Bezug zu bekannten bruchmechanischen Kenngrößen herzustellen. Dies wird in dieser Arbeit anhand von Ermüdungsversuchen an Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 versucht. Schallemissionssignale aus Ermüdungsrissen mit und ohne Korrosionseinfluss werden analysiert und mit bekannten bruchmechanischen Kenngrößen wie der Risswachstumsrate und dem Spannungsintensitätsfaktor verglichen.
Die Prüfung von anisotropen Schweißnähten auf Querfehler stellt auch heute noch eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Das gilt insbesondere für das Auffinden kleiner rissartiger Fehlstellen in einer unbeschliffenen Wurzel. Ursachen dafür sind zum einen das ausgeprägte Beugungs-, Streuungs- und Reflexionsverhalten solcher Nähte und zum anderen die störenden Formanzeigen aus dem Wurzelbereich, die sicher von den Fehlstellen unterschieden werden müssen, um Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Anzeigen zu vermeiden.
In der vorliegenden Arbeit werden an einer 85 mm dicken und 6 bis 10 mm breiten Engspaltschweißnaht mit stängelkristalliner Struktur rissartige Testfehler in Form erodierter Nuten untersucht. Die 2 und 4 mm tiefen Nuten sind mit 5 mm Länge kürzer als die Wurzelbreite. Die Wurzel ist nicht beschliffen und hat eine Überhöhung von ca. 2 mm. Ziel ist es, die Fehlstellen von den Form- und Gefügeanzeigen
zu unterscheiden und sicher zu detektieren. Eine Größenbestimmung ist
nicht vorgesehen.
Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ist es möglich, optimale Einschallparameter zu finden, mit denen diese Aufgabe gelöst werden kann. Es werden zwei azimutal schwenkende lineare Gruppenstrahlerprüfköpfe mit Vorsatzkeil in SE-Technik verwendet, die so auf beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind, dass sich ihre Schallfelder unabhängig von der Einschallrichtung in der Schweißnahtwurzel überlagern. Damit ist es möglich, optimale Einschallwinkel für das Prüfproblem zu finden und in einer Prüffahrt gleichzeitig in beiden Einschallrichtungen längs der Schweißnaht zu prüfen.
Investigations on weldability often deal with hot cracking as one of the most prevalent failure mechanisms during weld fabrication. The modified varestraint transvarestraint hot cracking test (MVT) is well known to assess the hot cracking susceptibility of materials. The shortcoming of this approach is that the information is only from the very near surface region which inhibits access to the characteristic of the hot crack network in the bulk. Here, we report about an alternative approach to monitor the entire 3D hot crack network after welding by means of microfocus X-ray computer tomography (µCT). However, to provide sufficient high spatial resolution small samples must be sectioned from the MVT-welded joint. The sampling is accompanied by local relaxation of the residual stress distributions that are induced by welding, which can have an impact on the crack volumes prior to the sampling. The studies were carried out to investigate the hot cracking susceptibility of low transformation temperature filler materials (LTT). As high compression residual stresses up to -600 MPa in the area of the crack networks were determined by means of the contour method, stress relaxation caused by sectioning for µCT sample extraction can affect the detectability of the cracks later on. X-ray diffraction studies revealed surface residual stress relaxations up to about 400 MPa due to cutting. To investigate this effect, the specimens with hot cracks were subjected to a load test with known stress states. The results clearly show that local stress relaxations will have a strong impact on the volume images reconstructed from tomography analysis. This effect must be considered during hot crack assessment on basis of µCT data.
Fault detection for linear parameter varying systems under changes in the process noise covariance
(2020)
Detecting changes in the eigenstructure of linear systems is a comprehensively investigated subject. In particular, change detection methods based on hypothesis testing using Gaussian residuals have been developed previously. In such residuals, a reference model is confronted to data from the current system. In this paper, linear output-only systems depending on a varying external physical parameter are considered. These systems are driven by process noise, whose covariance may also vary between measurements. To deal with the varying parameter, an interpolation approach is pursued, where a limited number of reference models – each estimated from data measured in a reference state – are interpolated to approximate an adequate reference model for the current parameter. The problem becomes more complex when the different points of interpolation correspond to different noise conditions. Then conflicts may arise between the detection of changes in the eigenstructure due to a fault and the detection of changes due to different noise conditions. For this case, a new change detection approach is developed based on the interpolation of the eigenstructure at the reference points. The resulting approach is capable of change detection when both the external physical parameter and the process noise conditions are varying. This approach is validated on a numerical simulation of a mechanical system.