Multimodal approach for the numerical simulation of ultrasonic guided waves in cylindrical structures of non-constant thickness

Multimodalansatz für die numerische Simulation geführter Ultraschallwellen in Zylinderstrukturen nicht-konstanter Dicke

  • Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness. Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required. Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonicGuided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness. Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required. Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster. The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide. In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles.show moreshow less
  • Geführte Wellen besitzen ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung. Beispiele möglicher Anwendungen sind die Ultraschallprüfung oder Zustandsüberwachung von Radsatzwellen, wie sie in Zügen verwendet werden. Abhängig vom jeweiligen Typ können diese Radsatzwellen als Vollzylinder oder dickwandige Hohlzylinder beschrieben werden. Radsatzwellen sind sicherheitsrelevante Bauteile, die regelmäßig geprüft werden müssen. Die Verwendung geführter Wellen würde ausgehend von den Stirnflächen eine Prüfung des gesamten Bauteilvolumens ermöglichen. Dieser Umstand kann potentiell verwendet werden um den Prüfprozess zu beschleunigen. Zur Entwicklung eines entsprechenden Prüfverfahrens sind jedoch Kenntnisse über die Details der Ausbreitung geführter Wellen innerhalb der Radsatzwellen notwendig. Etablierte Verfahren, wie die Finite-Elemente-Methode, können für die Simulation der Ausbreitung geführter Wellen in derartigen Strukturen verwendet werden. Aufgrund der Abmessungen der Radsatzwelle, der in derGeführte Wellen besitzen ein großes Potential für Anwendungen im Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung. Beispiele möglicher Anwendungen sind die Ultraschallprüfung oder Zustandsüberwachung von Radsatzwellen, wie sie in Zügen verwendet werden. Abhängig vom jeweiligen Typ können diese Radsatzwellen als Vollzylinder oder dickwandige Hohlzylinder beschrieben werden. Radsatzwellen sind sicherheitsrelevante Bauteile, die regelmäßig geprüft werden müssen. Die Verwendung geführter Wellen würde ausgehend von den Stirnflächen eine Prüfung des gesamten Bauteilvolumens ermöglichen. Dieser Umstand kann potentiell verwendet werden um den Prüfprozess zu beschleunigen. Zur Entwicklung eines entsprechenden Prüfverfahrens sind jedoch Kenntnisse über die Details der Ausbreitung geführter Wellen innerhalb der Radsatzwellen notwendig. Etablierte Verfahren, wie die Finite-Elemente-Methode, können für die Simulation der Ausbreitung geführter Wellen in derartigen Strukturen verwendet werden. Aufgrund der Abmessungen der Radsatzwelle, der in der Ultraschallprüfung gebräuchlichen Wellenlängen und der sich daraus ergebenden notwendigen Größe und Anzahl der Elemente, wäre dabei allerdings mit einem großen Zeitaufwand zu rechnen. Der Multimodalansatz scheint eine vielversprechende Alternative darzustellen, welche im Stande ist Simulationen wesentlich schneller durchzuführen. Die Multimodalmethode basiert darauf, das lokale Schallfeld in einem Wellenleiter variierender Dicke in einer Basis von geführten Wellenmoden eines korrespondierenden Wellenleiters konstanter Dicke darzustellen. Der numerische Aufwand reduziert sich dadurch auf die Lösung der eindimensionalen Differenzialgleichungen, welche die Entwicklung der Koeffizienten im Modenspektrum entlang des Wellenleiters beschreiben. Nachdem das Schallfeld bestimmt wurde, kann der Lösung mit geringem Aufwand eine Zeitabhängigkeit hinzugefügt werden, was die Simulation der Ausbreitung von Ultraschallpulsen durch den Wellenleiter ermöglicht. In der vorliegenden Dissertation wird ein Multimodalansatz zur Bestimmung von Lamb-Moden in Platten nicht-konstanter Dicke auf andere Arten elastischer Wellenleiter, wie Vollzylinder und dickwandige Hohlzylinder, erweitert. Zur Vereinfachung der notwendigen Herleitungen wird dabei eine Einschränkung auf axialsymmetrische Moden getroffen. Die Ergebnisse werden durch Vergleich mit FEM-Simulationen validiert. Es wird gezeigt, dass der Multimodalansatz in Bezug auf die benötigte Rechenzeit potentiell große Vorteile gegenüber, auf der Finiten-Elemente Methode basierender, kommerziell verfügbarer Software bietet. Abschließend wird der Multimodalansatz in Hinblick auf mögliche zukünftige Anwendungen in Bezug auf Radsatzwellen bewertet.show moreshow less

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Metadaten
Author: Höhne, Christian
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41255
Referee / Advisor:Dr.-Ing. Prager, Jens, Prof. Dr. Sarradj, Ennes, Prof. Dr. Kaltenbacher, Manfred
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/09/29
Release Date:2017/03/13
Tag:Geführte Wellen; Numerische Simulationen; Ultraschall; Zerstörungsfreie Prüfung; Zylinderstrukturen
Cylindrical structures; Guided waves; Nondestructive testing; Numerical simulations; Ultrasound
GND Keyword:Numerische Strömungssimulation; Plattenwelle; Ultraschallprüfung; Wellenausbreitung; Zylinder
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Technische Akustik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.