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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 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.
Das als Alternative zum konventionellen Kugelstrahlen gesehene Verfahren des Ultraschallkugelstrahlens findet in zunehmendem Maße den Weg in die industrielle Anwendung. Besonders die steigende Komplexität der Geometrien zu verfestigender Bauteile bringt die Forderung mit sich, neuartige Verfestigungsverfahren in den Produktionsprozess zu implementieren. Vorteile, die das Ultraschallkugelstrahlen gegenüber dem konventionellen Kugelstrahlen verspricht, sind die beim Strahlen dünnwandiger Bauteile sehr vorteilhafte homogene Energieeinbringung und die deutlich bessere Oberflächengüte nach der Strahlbehandlung. Es birgt somit Potential, auch Geometrien verfestigen zu können, die derzeit nicht kugelgestrahlt werden können. Zudem könnte der Aufwand für Vor- und Nachbereitungsschritte deutlich reduziert werden. Um ein grundlegendes Verständnis für die Vorgänge beim Ultraschallkugelstrahlen zu gewinnen, werden umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung der Abhängigkeiten der Strahlintensität von den Strahlparametern durchgeführt. Anhand dieser werden erste Rückschlüsse auf die Kugelbewegung in der Kammer abgeleitet, welche die Wirkungsweise des Verfahrens jedoch nicht vollständig zu beschreiben vermögen. Daher besteht die Notwendigkeit, durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen die Verteilung der Kugelgeschwindigkeitsvektoren erfassbar zu machen. Anhand dieser Werte und daraus abgeleiteter Kenngrößen gelingt es, die Intensität mittels eines Berechnungsmodells für einzelne Parameterkombinationen zu berechnen. Da diese Ergebnisse jedoch nur für idealisierte Strahlanordnungen aussagefähig sind, wird ein Simulationsprogramm entwickelt, dass für beliebige Kammer- und Bauteilanordnungen die notwenigen Informationen liefert, um die Strahlintensität bestimmen zu können. Mit Hilfe der Ergebnisse dieser Arbeit ist es nun möglich, mit deutlich geringerem experimentellen Aufwand eine Parameteroptimierung beim Ultraschallkugelstrahlen durchzuführen. Weiterer Vorteil ist, dass über die gesamte Bauteilfläche die Verteilung der Kugeleinschläge dargestellt werden kann, womit eine deutlich bessere Erfassung der Wirkungsweise des Verfahrens gegenüber der standardisierten Messung mittels Almenprobe möglich ist. Es konnte nachgewiesen werden, dass die verfahrensspezifischen Vorteile des Ultraschallkugelstrahlens auch beim Verfestigen von filigranen und komplex geformten Bauteilen in der gewünschten Form zum Tragen kommen. Die Verfestigungswirkung kann man dabei im Vergleich zum konventionellen Kugelstrahlen als gleichwertig bezeichnen.
Mit Hilfe magnetoakustischer Messmethoden wurde im Rahmen dieser Arbeit die Flusslinienverankerung im System des Hochtemperatursupraleiters YBCO untersucht. Die theoretischen Grundlagen lassen sich dabei, aufbauend auf das TAFF-Modell, mit Hilfe der Pankert'schen Theorie beschreiben. Durch die vielfältigen Orientierungsmöglichkeiten zwischen der Schallwelle, Magnetfeld und der kristallographischen c-Achse lassen sich mit Hilfe der Ultraschallmethode die anisotropen Eigenschaften des Flussliniengitters untersuchen. Das Ziel der Messungen war den Depinning-Übergang (oder Irreversibilitäts-Übergang) zu untersuchen. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass für Temperaturen größer als Tdep(B) eine feste Verankerung der Flusslinien im supraleitenden Material nicht mehr möglich ist. Der daraus bestimmbaren Aktivierungsenergie der Flusslinienbewegung kommt eine besondere Bedeutung zu, da sie die Stromtragfähigkeit des supraleitenden Materials bestimmt. Es wurden Messreihen an Kristallen durchgeführt die eine unterschiedliche Zusammensetzung hatten, um die Auswirkungen auf das Pinningverhalten zu studieren.