SHM KONSTRUKCÍ Z KOMPOZITŮ S VYUŽITÍM

SHM KONSTRUKCÍ Z KOMPOZITŮ S VYUŽITÍM AKUSTICKÉ EMISE (AE) a NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPIE (NEWS) (NEWS Zden Zdeněěk PŘEVOROVSKÝ PŘEVOROVSKÝ, Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i. Dolejškova 5, 182 00 Praha 8 www.it.cas.cz, E-mail: [email protected]

Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Nedestruktivní Testování - NDT

DEFEKTOSKOPIE NDT, NDE, NDI, NDC SHM (Structural Health Monitoring) průběžné sledování okamžitého stavu konstrukce pomocí SHM systému (není to pouze NDT) NDT/NDE data slouží k vyvozování diagnostických závěrů na základě porovnávání okamžité konstrukční odezvy s předchozími stavy a výpočtovým modelem.

Aplikace NDT obecně zahrnuje: • Inspekci výchozích produktů • Inspekci následující po sekundárním zpracování (Secondary Processing) • Inspekci poškození během služby Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

Seminář ČSM Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015 ÚTAM AV ČR, 25.11.2015


Každé 4 roky: ECNDT (EFNDT) WCNDT (ICNDT)



Základní NDT metody (kompozity)

symbol

Acoustic emission Testing (akustická emise)

AT

Eddy current Testing (vířivé proudy)

ET

Leak Testing (detekce úniků – zkoušky těsnosti)

LT

Magnetic Testing (magnetické metody)

MT

Penetration Testing (kapilární metody)

PT

Radiographic Testing ( prozařovací metody) (THz vlny)

RT

Ultrasonic Testing (ultrazvukové metody)

UT

Visual Testing (optické „vizuální“ metody)

VT

Infrared Testing (termografické metody) (+ mikrovlny)

IRT


NĚKTERÉ NOVĚJŠÍ METODY NDT/NDE KOMPOZITŮ • Testování pomocí disperzních ("Guided") vln

• • • • • • • • • • • • • •

Nelineární ultrazvuková spektroskopie (NEWS) Časově reversní analýza UZ s bezkontaktním buzením i snímáním SHM s FBG sensory THz elektromagnetické vlny (0,3 - 6 THz) Elektromagnetické mikrovlny (30 - 300 GHz) Aktivní termografie (pulzní) Počítačová rtg. tomografie (CT) Laser - Ultrazvuková defektoskopie Akustická (RAS) a ultrazvuková (RUS) rezonanční spektroskopie Nelineární vibrační spektroskopie (NACE) Lokální rezonance defektů (LDR) Analýza mechanické impedance (MIA - Bond Testery) Akustická, ultrazvuková a optická holografie ... Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

NÁVRH SHM SYSTÉMU a) Nejdůležitějším úkolem při návrhu SHM systému je rozpoznat, které změny je nutné sledovat a jak se mají identifikovat. b) vývoj a použití vhodných senzorů pro NDT-NDE, ať již přímo zabudovaných nebo dodatečně instalovaných na konstrukci.


9

POŽADAVKY NA SHM SYSTÉM •

Snímané veličiny musí ve vzájemné korelaci poskytovat dostatek podkladů pro posouzení okamžitého stavu či výrazných změn sledovaného objektu a také pro rozhodnutí zda vyhlásit varovný signál či nikoli.

•

Autonomní provoz všech komponent musí být zcela automatizován bez nutnosti lidské obsluhy a častější nutnosti odborného zásahu.

•

Použité technické prostředky musí zaručovat dlouhodobou spolehlivou funkci i v méně příznivých, či před-havarijních podmínkách. V diagnosticky důležitých aplikacích (letectví, jaderné elektrárny) - spolehlivost diagnostických systémů musí být o řád vyšší než spolehlivost monitorované konstrukce.

•

Rozsah výstupních datových souborů musí být optimalizován (minimalizován) s ohledem na dálkový přenos, možnosti archivace, ale i výpočetní možnosti zpracovávajících a vyhodnocovacích zařízení.

•

Snadnost instalace, kalibrace a nastavování parametrů měření i mezních hodnot, signalizujících výskyt poruchy či blízkost havárie.

•

Ekonomické ukazatele - cena komponent a celého monitorovacího systému nemůže být pro vlastníka a uživatele neúnosná, např. srovnatelná s významnější částí ceny hlídaného objektu. Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

10

PŘIPRAVENOST INTEGRACE NDT METOD DO SHM SYSTÉMU LETADEL "TECHNOLOGY READINESS LEVEL" (9 úrovní, 150 POŽADAVKŮ)


11

BOEING 787 „DREAMLINER“ – „Smart“ a inteligentní konstrukce

50% váhy jsou kompozitové díly

„Embedded“ SHM = sensory, aktuátory, vyhodnocování


FBG technologie pro SHM optická vlákna vkládaná do kompozitu (imunita proti elektromagnetickému rušení, bez napájení,..) optické vlákno

L

Fiber-Bragg-Gratings

jádro

It

Ii

λ

"Braggovy mřížky"

perioda, Λ

procházející Signál

λb

λ


Ir

měřený indukovaný posun

odražený Signál

λb

λ

• Optovláknové senzory založené na FBG mřížkách umožňují monitoring řady fyzikálních parametrů, především: teploty, mechanického napětí, deformace, tlaku, vibrací. •

Výhody oproti klasickým senzorům.: imunita proti elektromagnetickým rušením, malé

•

rozměry, dlouhou životnost a v neposlední řadě i jejich pasivní charakter - tj. v místě měření není požadováno napájení a jejich napojení do místa měření je standardním telekomunikačním vláknem. Kromě toho lze senzory zapojit v sérii do řetězce, kdy mezi jednotlivými senzory může být několik centimetrů nebo kilometrů. Základními stavebními prvky systému jsou měřící ( interrogační ) jednotka, transportní – pasivní optická vlákna ( kabely ) pro přenos informace a vlastní FBG senzory. (SAFIBRA)

•



Aktivní a pasivní systémy s piezo-aktuátory a snímači

Použití: Tvarová adaptace („smart“ křídlo) Vibrační tlumení Detekce poškození nárazem

Detekce delaminace, „debonding“, a růstu trhlin

Zdroj: Structures and Composites Laboratory Stanford University, Fu Kuo Chang



Typy Phased-Array


LINEÁRNÍ ARRAY




AcoustoCam Digital Acoustic Video (DAV)

120 x 120 = 14 400 elementů




Elastické Lambovy (deskové) vlny - disperzní (guided) (u komplexnějších geometrií jako jsou tyče, pruty, trubky, válce se šíří ještě jiné typy dispersních vln )

k - vlnové číslo ω− kruhová frekvence zd - tloušťka desky Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

DISPERSNÍ KŘIVKY VE SMĚRU 0O VRSTEVNATÉHO KOMPOZITU [0/90]S o tl. 6,2 mm Antisymetrické módy


Symetrické módy

•

Ultrazvukové „guided waves“ jsou velmi citlivé na různé typy poškození Guided waves generation Actuator

Moniitorovaná konstrukce

Senzor

poškození nebo změny charakteristik Základní disperzní křivky (a)

-1

0.8

A

0.6

0

0.4

S

0

(b)

0.06

Attenuation K" (mm )

)

1

-1

1.2

Wave-number K' (mm

1.4

S

0.05

0

0.04 0.03 0.02

A

0

S

0.01

0.2

1

S

1

0

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

Frequency thickness (MHz.mm)


0.5

1

1.5

Frequency thickness (MHz.mm)

2

2.5

EXPERIMENTÁLNÍ EXPERIMENTÁLNÍ PROCEDURA PROCEDURA Translation stage

Two air-coupled transducers placed on the same side of the specimen single-sided and contact-less access

R

T

Guided ultrasonic wave

Tested structure


Signal processing based on 2D-FFT Real part k’ Imaginary part k’’ of the complex wave numbers vs frequency

EMAT (ELECTROMAGNETIC – ACOUSTIC TRANSDUCER) fokusace meandrovitými cívkami •Measurement of the Elastic Constants •Measurement of Residual Stress •Measurement of Steel Sheet Texture •Ultrasonic Inspection of Wire Cables with Guided Waves •Long Range Inspection of Railroad Tracks •Long Range Inspection of Heat Exchanger Tubes •Inspection of Buried Gas Pipelines •Ultrasonic Inspection of Piping at Pipe Supports •Inspection of Pipes by Guided, Circumferential Waves •Rayleigh or Surface Waves •Rapid Inspection of Mass Produced Parts with Irregular Shapes


Contact Laser Ultrasonic Evaluation (CLUE) of CFRP Laser-Ultrasonic NDT


CLUE delaminace



CLUE of honeycomb


CLUE CFRP dílu


CLUE T- spojení


CLUE poškození impaktem


CLUE porézního CFRP


SPOJENÍ DVOU ULTRAZVUKOVÝCH NDT METOD V SHM SYSTÉMU: NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPIE (NEWS) A AKUSTICKÉ EMISE (AE)


38

Metoda akustické emise AE u kompozitů 1. Různé typy zdrojů AE v kompozitech a jejich odlišné charakteristiky (mixing) 2. Šíření vln akustické emise v kompozitech – anizotropie + diperze + útlum 3. Různé způsoby detekce, přenosu a zpracování signálu AE 4. Statistické vyhodnocení parametrů signálu 5. Lokalizace a rozpoznávání zdrojů AE




Příklad signálu AE 0.8 0.6

Rayleighova vlna P vlna

S vlna

0.4

Volt

0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

42

PARAMETRY EMISNÍHO HITU (UDÁLOSTI)


DALŠÍ PARAMETRY - „SIGNAL FEATURES“


SHM – DETEKCE POŠKOZENÍ A ROZPOZNÁVÁNÍ MECHANISMŮ

feature based (blue) and signal based (green) analysis Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

History - Research and Applications of AE on Advanced Composites (K. ONO, A. GALLEGO: 31 EWGAE, Granada 2014, www.ndt.net/EWGAE-ICAE2012/) • glass-fiber reinforced composite rocket motorcases for Polaris A3 circa 1962 • summation of AE amplitude to successfully predict the burst pressure and developed practical AE source location equipment, introduced Kaiser effect and load-hold emissions to the burst pressure prediction • on fiber-reinforced composites started in early 1970s, showed the breakdown of Kaiser effect (CARP later renamed it as Felicity effect in the 1980s. aircraft fuselage with carbon fibers Boeing 787 • Fowler and his colleagues at CARP made the Felicity effect as one of key elements of FRP inspection technology

• AE methods to structural health monitoring (SHM) do have to overcome problems due to high signal attenuation in composites and need to explore the causes of Felicity effect and stress rupture • Fiber fracture: typical 10-μm diameter GFRP, peak amplitude ranges from 60-80 dB - depends on the fiber diameters and sensors • on distance 10 mm: 40-60 dB for 6 μm, 65-85 dB for 13 μm and 80-100 dB for 24 μm fibers • high amplitude AE signals of 60 dB mean level were found at above 90% of the failure load • 18-μm glass fibers and found peak amplitude of fiber fracture at 80 dB, • AE mean amplitude of 73 (53-79) dB (58 dB for 11-μm GF); • AE signals from CF started to occur at 25-33% of the composite strength Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

ROZLIŠENÍ ZDROJŮ (DIPERSNÍCH MÓDŮ) NA ZÁKLADĚ FREKVENČNÍ ANALÝZY kontrolní testy: a) delaminační (S0 mód << energie než A0) b) mikrotrhliny (působení acetonu na pryskyřici, ampl.< 50 dB) c) porušování vláken (vytahování zalaminovaného svazku)

max . 250-350 kHz Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

max . 350-500 kHz

RT klasifikace AE Lambových vln v CFRP (AIRBUS) (A. Gallego et al, 31 EWGAE, Granada 2014, www.ndt.net/EWGAE-ICAE2012/)

SHM:_Delaminace- nelze detekovat vizuálními metodami -delaminace vyvolávají většinou.... out-of-plane (OP) posuvy (např. impakty) - A0 mód -mikrotrhliny v matrici a přetrhy vláken ..... in-plane (IP) posuvy - S0 mód proto lze použít AE vyvolané Lambovy vlny - díky kombinaci různých dispersních módů, odrazů, útlumu a interferencí separací módů lze klasifikovat EU do 3 mechanismů porušování: 1. delaminace (nf pásmo 20-55 kHz) 2. mikrothtrhliny v matrici (125-550 kHz) 3. přetrhávání vláken (550-660 kHz)

Algoritmus separace: na základě frekvenčního obsahu (HW a SW filtrace pásem nf a vf) 55-125 kHz odfiltrováno - A0 i S0 se zde překrývají a mají podobné amplitudy


ÚLOHY SPOJENÉ S IDENTIFIKACÍ ZDROJŮ AE ’Notes on wave and waveguide concepts in AE’, 25th EWGAE, Prague, September 2002


49

Popis zdroje AE pomocí MTI Pole posuvů, zaznamenaných u snímače je s použitím reprezentačního teorému pro bodový "seismický" zdroj vyjádřeno pomocí Greenovy funkce jako :

za určitých předpokladů Maticový zápis Inverze

AE zdroje lze identifikovat jednoduchým kinematickým modelem : Neznámý skutečný AE zdroj je nahrazen mechanickým modelem - silami a momenty, které vyvolají ekvivalentní pole posuvů jako reálný. Fyzikální podstata zdroje není ale touto procedurou přímo určena jsou pouze kvantifikovány vnější účinky zdroje.

Řešení IP lze pak uvažovat jako vícenásobnou proceduru dekonvoluce Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

50

3 hlavní problémy v analýze AE 1. Detekce a kvantifikace

přímá úloha

2. Lokalizace zdroje Inverzní problémy 3. Identifikace zdroje REFERENCE - soudobé metody řešení inverzních problémů v AE : Ch U Grosse , M Ohtsu (eds), ‘Acoustic Emission Testing. Basic for Research - Application in Civil Engineering’, (Spriger-verlag, 2008) A Carpinteri, G Lacidogna (eds), ‘Acoustic Emission and Critical Phenomena: From Structural Mechanics to Geophysics’, (CRC Press, Taylor&Francis Group, 2008) G Muravin, B Muravin, D Beilin, ‘Application of Quantitative Acoustic Emission Method for Non-Destructive Inspection of Metal and Reinforced Concrete Structures – New Opportunities and Prospects’, (Scientific Israel, Spec. Issue, Vol 13 (2-3), 2011) Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

51

PLOŠNÁ LOKALIZACE

Vzdálenost mezi zdrojem a snímačem S1 je dána rovnicemi: (D1 a D2 jsou vzdálenosti mezi páry snímačů S1-S2 a S1-S3)


LOKALIZACE POMOCÍ UMĚLÝCH NEURONOVÝCH SÍTÍ (ANN) S ČASOVÝMI PROFILY PŘÍCHODU SIGNÁLU (NEZÁVISÍ NA VELIKOSTI A MATERIÁLU TĚLESA )


Inverzní techniky v AE Ohtsu M, Ono K, The generalized theory and source representation of AE, JAE 4 (2), S50-S53, 1985, 5(4), 124-133, 1986

• Inverzní metody se používají k určení lomového typu - orientace trhliny a „seismických momentů“ (MTI), které popisují mechanismus zdroje – vyzařovací diagram a velikosti působících sil a momentů. • Vstupní data pro MTI jsou: - souřadnice snímačů a zdroje - polarita a orientace snímačů - amplitudy posuvů P, S, (R) – vln - polarity a fáze vln Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

54

TRAED 1. Nová metoda řešení inverzních problémů v analýze AE 2. Časově reverzní zrcadla (Time Reversal Mirrors)

3. Lokalizace zdrojů AE pomocí TR 4. TR dekonvoluce signálu AE (TRAED) 5. Přenos signálů AE na model


55

PRINCIP TRM (časově reverzní zrcadlo) ČASOVÉ OBRACENÍ ZVUKOVÝCH VLN 23 let historie [ Fink M: Time reversal of ultrasonic fields: basic principles. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 39, 555–66, 1992] [Cassereau D, Fink M: Time reversal of ultrasonic fields: theory of the closed time reversal cavity. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 39 579–92, 1992]

N SENZORŮ OKOLO ZDROJE


56

OBRÁCENÍ VLNOVÉHO ČELA = TIME REVERSAL ACOUSTICS

Princip TRA



58

Procedura časové reverzace signálu Used to precisely focus elastic waves in time and space even in complicated heterogeneous and scattering media steps in TR

- S/N ratio enhancement - Space / time focusing - Source signal reconstruction

2 implementace TR: zdroj signálu

a) standardní TR

b) reciproká TR

B. E.. Anderson, M. Griffa, C. Larmat, T.J. Ulrich, P.A. Johnson: Time Reversal (Acoustics Today, Volume 4, Issue 1, January 2008) Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

59

Teorie orie TRM Vychází z faktu, že akustická vlnová rovnice v nedisipativním heterogenním mediu je invariantní vzhledem k operaci časové reverzace.

TR operace je popsána transformací t → T − t a novou zdrojovou funkci lze vyjádřit :

Výsledné pole pak má tvar:


60

Dekonvoluce signálu AE s využitím TRM Funkci bodového zdroje v místě r0 označíme s(t) a pozice snímače je ri Signál s (t) detekovaný v místě ri v čase t je výsledkem 2 konvolucí: G

Zaznamenané AE signály jsou obráceny v čase a vyslány ze snímače v místě r do desky. i Výsledný TR signál v místě r lze vyjádřit vícenásobnou konvolucí : 0

Ve frekvenční oblasti Po inverzní FT získáme TR signál – odpovídající rekonstrukci zdrojové funkce s(t)


61

Schema principu experimentální dekonvoluce.

!! Výsledný TR signál (?) je úměrný původnímu, vysílanému zdrojem !!! významný závěr pro lokalizaci a následnou analýzu zdroje AE

Při standardním měření AE většinou analyzujeme signály, které neodpovídají přímo zdrojem emitované vlně, ale jsou ovlivněny šířením elastické vlny konstrukcí a také přenosovými funkcemi snímačů a analyzátoru AE. Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

62

Experimentální ověření TR AE dekonvoluce

deska 500 x 500 mm

4 snímače (T1-T4) 5 “zdrojů” (S1-S5)


63

SCANNING OF TRANSFER MESHES USING LASER INTERFEROMETER MOUNTED ON 3-D ULTRASONIC SCANNER by 3 mm steps in both directions TR Pen-Test signals were transmitted by transducers T1-T4 and maximal TR amplitude received by interferometer indicates precise original source position


64

TR AE Lokalizace zdroje

T1+t1=T, T2+t2=T, T3+t3=T Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

65

DOKONALÁ SYNCHRONIZACE ČASŮ PŘÍCHODU TR SIGNÁLŮ A REKONSTRUKCE V MÍSTĚ ZDROJE

Zdrojový signál Rickerův puls 150 kHz (190 vzorků)


66

AE SOURCE LOCATION ACCURACY Focusing of TR signal at the source position

amplitude


67

PEN –Test na složité součástce TR – SIGNAL RECONSTRUCTION OF 2 2

2

T1

0 -2 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 2

T2

0

0

-2

-2 6

6.05

6.1

6.15

2

-1 2

2

6.04

6.06

6.08

6.1 4

x 10

1 0

0

-2 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200

6.02

4

x 10

1

0

6

6.2

-1 6

6.05

6.1

6.15

6.2

26

6.02

6.04

6.06

6.08

6.1 4

4

x 10

x 10

1

T3

0

0

0

-2

-1

-2

6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 2

6

6.05

6.1

6.15

6.2 x 10

T4

0

-2 6200 6400 6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200

6.02

6.04

6.06

6.08

6.1 4

2

2

0

0

x 10

-2

-2 6

6.05

6.1

6.15

6

6.2 4

2

AVERAGE FROM 4 TRANSDUCERS

6

4

x 10

6.02

6.04

6.06

6.08

2

6.1 4

x 10

1

1 0

0

-1

-1 6

6.05

6.1

6.15

6.2 4

x 10


6

6.02

6.04

6.06

6.08

6.1 4

x 10

68

Zobrazení špatně viditelných defektů po impaktu na vrstevnaté CFRP desce pomocí "air-coupled" UZ TRM P.-Y. Le Bas et al: Applied Physics Letters 107, 184102 (2015)

Deska 150x300mm

40x20 mm okolo impaktu (5 cyklů sin 100 kHz)

speciální "air-coupled" vysílač s 32 piezo-sondami s klínovými nástavci

zobrazení


Zobrazení delaminační trhliny klasickými NDT metodami a TRM klasické NDT metody

TRM skenování na síti 0,5 mm

Vibrotermografie

fokusace pomocí TR složky rychlosti: out-of-plane in-plane (podél x-směru)

UZ C-scan

viditelné 2 delaminace Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

•

TR techniky jsou velmi efektivním nástrojem pro přesnou lokalizaci zdroje AE a rekonstrukci rekonstrukci zdzdrojové funkce (dekonvoluci)

•

TRAED procedura usnadňuje rozpoznávání emisních zdrojů. Může být snadno realizována jak experimentálně, tak bez dalších zařízení např.pomocí simulačního modelu

•

TRM je procedura off-line, ale lze ji realizovat ve relativně krátkém čase

•

Nejvhodnější prostředek pro TR je laserový interferometr, ale dobré výsledky lze získat i pomocí jiných snímačů.

•

Rozptyl parametrů signálů AE, detekovaných z jednoho zdroje více snímači, se po TR sníží o více než 90%

•

Rekonstrukce zdrojové funkce pro následnou MTI analýzu není dokonalá pokud pokud je TR prováděna pouze v jednom směru

•

TRM mohou podstatně zlepšit odstup signálu od šumu Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

71

NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÁ SPEKTROSKOPIE (NEWS) V NEDESTRUKTIVNÍM TESTOVÁNÍ KONSTRUKCÍ


72

Modely nelineární elasticity Klasický nelineární model je odvozen na základě rozvoje hustoty deformační energie W. Pro izotropní prostředí lze hustotu deformační energie psát jako funkci invariantů tenzoru deformace

λ, µ jsou Lamého konstanty a l,m,n jsou Murnaghanovy koeficienty Nelineární modul elasticity odvozený z rozvoje hustoty deformační energie můžeme vyjádřit rozvojem

K0 je lineární Youngův modul pružnosti a β , resp. δ jsou nelineární parametry druhého, resp. třetího řádu. Parametr β je funkcí elastických konstant 2. a 3. řádu a δ až 4. řádu Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

TECHNIKY "NEWS" • NRAS / NRUS (Nonlinear Resonant Acoustic / Ultrasonic Spectroscopy) • SIMONRUS (Single-Mode NRUS) • NWMS (Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy) • SD (Slow Dynamics) • NDIS (Nonlinear DISsipation / attenuation)

• Travelling Waves (Nonlinear ultrasonic wave transmission) • NLTRA (Nonlinear Time Reversal Acoustics) Výhody a omezení NEWS technik : - Detekce malých defektů dosti vzdálených od ultrazvukových budičů a snímačů (NDT na nepřístupných místech rozlehlé konstrukce) Nelineární efekty ve spektru: - Vznik intermodulačních postranních pásem - Převládající nárůst lichých harmonických složek s rostoucí amplitudou buzení Lokalizace defektních oblastí - Závislost nelineárních parametrů na poloze budičů a snímačů ("pseudo-tomografie") Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

74

Projev nelinearity ve spektru


Některé materiály a poškozené součásti vykazují "neklasickou" elastickou nelinearitu Analýza signálů v časové a frekvenční oblasti v nelineární akustické spektroskopii

poškozený vzorek

z0

nepoškozený vzorek

1

1

0.5

0.5

0

i

z0

0

i

0.5

0.5 1

0

4 čas (ms) 6

2

8

10

1

i

500

10

6

8

10

i

0

z0

20

i

čas 4(ms)

2

500 0

z0

0

10

20

i

40

40

50 60 60

65

70 i

75 60

80 80

50

Frekvence ( kHz) 10


60 60

65

70 i

75 60

10 Frekvence (kHz)

80 80



Nelineární reverberační spektroskopie CFRP vzorků vystavených teplotní degradaci

Nelineární (NRS) koeficient ("sklon" )


Klasický C-scan




PULSNĚ - MODULAČNÍ METODA LOKALIZACE TRHLINY

Vibrator

Hole Ultrasonic pulse generator Receiver (Oscilloscope)

Radiated signal

Reflected signals

Crack

t Received signal


Nelineární vlnově-modulační spektroskopie (NWMS - Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy)

Budící zdroje f1 Přijímače

f2 Amplituda

A f1

Af2

f1

f2

Analýza harmonických složek Intermodulačních produktů

2f2 Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

frekvence

3f2

PRINCIP 2-FREKVENČNÍHO SMĚŠOVÁNÍ INTERMODULAČNÍ TECHNIKY ( "NWMS" )

Prostý součet v lineárním systému

násobení

Sčítání a násobení v nelineárním systému


Nelineární interakcí harmonických vln s nižší a vyšší frekvencí dochází ke vzniku harmonických a intermodulačních složek ve spektru


Příklad: 2 FREKVENCE: f1 = 50 kHz (65-350 V) + f2 = 271 kHz (24 V)

Rnr = dHn /dHr – poměr regresních koef. nárůstu spektr. parametrů s amplitudou 50

H1

ch2 - Harmonics (f1) growth 40

H2 H3

50

H1

ch3 - Harmonics growth

H 1-9

40

H2 H3

y = 0.93x + 30.87

y = 0.93x + 30.81 H4

H4

30

H5

30

H5 y = 1.06x + 19.40

H6 y = 1.33x + 9.89

H6

20

20

H7

H7 H8 H8

10

10

H9

H9

0

0

y = 1.34x - 1.89 y = 0.64x - 4.01

-10

-10 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

2

3

4

5

6

7

8

input amplitude step

input amplitude step


9

10

11

MODEL LOKALIZACE DEFEKTŮ (pseudo-tomografie)


Nelineární TRA (NLTRA, NLTRM)

Při TRA metodě se zpětně vyslané signály v lineárním slabě zatlumeném prostředí šíří opačným směrem a fokusují se do místa původního zdroje, kde dochází k rekonstrukci vyslané vlny.

V prostředí s nelinearitami (nehomogenity, defekty) se zpětně vysílané vlny koncentrují (retrofokusace) v oblasti nelinearit a rekonstrukce signálu u zdroje je nedokonalá, čehož využívá defektoskopická metoda nelineární TRA (NonLinear Time Reversal Acoustics, NLTRM). Metody NLTRA, na rozdíl od jiných metod nelineární ultrazvukové spektroskopie (Nonlinear Wave Spectroscopy, NEWS), nevyžadují tak velké akustické výkony pro vybuzení nelineárních efektů (defektů v konstrukci)


89

SCHEMA EXPERIMENTÁLNÍHO VYBAVENÍ PRO TESTY METODOU TRA


TR PROCEDURA NA VZORKU PANELU KŘÍDLA S TRHLINOU


Frekvenční spektra TR signálů avg JOIN - 1; F1= 235k, F2 = 0k

avg JOIN - 2; F1= 235k, F2 = 0k

80

60 50

60

40 40 30 20

S1

S2

0

20 10 0

-20 -10 -40

-60

-20

0

0.5

1

1.5

2

-30

2.5

0

0.5

1

1.5

2

6

x 10

avg JOIN - 3; F1= 235k, F2 = 0k

avg JOIN - 4; F1= 235k, F2 = 0k

80

80

60

60

40

S3

40

S4

20

20

0

0

-20

-20

-40

2.5 6

x 10

0

0.5

1

1.5

2

-40

2.5

0

0.5

1

1.5

6

2

2.5 6

x 10

x 10

S1+S2+S3+S4 avg SUM - 1; F1= 235k, F2 = 0k 80

f1=235 kHz 60

2f1

3f1

4f1

7f1

5f1

9f1

40

20

0

-20

-40

0

0.5

1

1.5

2

2.5 6

x 10


VÝSLEDKY TR-NEWS

TR signál : retro-fokusace signálu s nelineární analýzou na středním laloku

Zoom oblasti fokusace Spektrum červeného signálu => - zelená : TR signál nelineární efekt na frekvenci - modrá : TR signál f1+f2=1065 kHz převrácený o 180° - červená = zelená + modrá ---> vyhodnocení nelinearity

Závěr : TR-NEWS => Hodnocení lokální nelinearity Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

ESAM procedura extrakce nelinearit 3. řádu ESAM = Excitation Symmetry Analysis Method •

Vychází z analýzy symetrie vlastností bodové grupy C3

•

Umožňuje extrakci nelineárního parametru – koeficientu N3 z nelineární odezvy y na buzení x. Odezva je uvažována jako polynomiální funkce 3. stupně

y (t ) = N1x(t ) + N 2 x 2 (t ) + N3 x 3 (t ) •

K extrakci nelineární části 3. stupně se použijí 3 fázově posunuté excitace :

x E (t ) = x ( t ) •

x ε (t ) =

2 iπ x (t ) ⋅ e 3

x ε * (t ) =

Pro každou excitaci x je změřena odezva y : y E (t )

y ε (t )

y ε * (t )


− 2 iπ x (t ) ⋅ e 3

Extrakce nelineárních parametrů •

Nelineární člen 3. řádu je odvozen z měřené odezvy na buzení x : s 3 (t ) = N 3 x 3 (t ) =

•

y E (t ) + y ε ( t ) + y ε * ( t ) 3

K potlačení primární excitace x se použije výpočet energie: 3

2

E 03 = ∫ x (t ) dt •

2

E 3 = ∫ N3 x (t ) dt = N3 2E 03 3

Nelineární parametr N3 získáme pomocí vztahu: N3 =

E3 E03



ZÁVĚRY NELINEÁRNÍ

METODY (NEWS, NLTRM) JSOU V DEFEKTOSKOPII AŽ 1000 x CITLIVĚJŠÍ NEŽ LINEÁRNÍ

NEJSOU

VŠAK CITLIVÉ NA KONSTRUKČNÍ VRUBY RESP. ROZEVŘENÉ DEFEKTY

TRA

UMOŽŇUJE FOKUSACI ENERGIE DO POŠKOZENÝCH OBLASTÍ A TÍM SNIŽUJE NÁROKY NA VYVOLÁNÍ NELINEÁRNÍCH EFEKTŮ

NLTRM JE NOVOU, VYSOCE CITLIVOU METODOU DETEKCE VELMI MALÝCH A TĚŽKO ROZLIŠITELNÝCH DEFEKTŮ

KOMBINACE NLTRM S POČÍTAČOVÝMI SIMULACEMI UMOŽŇUJE TAKÉ LOKALIZOVAT A ZOBRAZOVAT DEFEKTY

TRA KOMPENZUJE VLIVY DISPERSE U TENKOSTĚNNÝCH KONSTRUKCÍ


97

Ultrazvuková charakterizace anisotropie CFRP pomocí kruhové sondy s osmi piezoelektrickými elementy

M. Kling, D. Tokar, Z.Prevorovsky: Ultrasonic Characterization of CFRP Anisotropy. (Proc. of the 6th Internat. conf. "SPMS 2015", Drhleny , June 22-27, 2015, ISBN 978-80-01-05841-1, pp. 71-80) Seminář ČSM ÚTAM AV ČR, 25.11.2015

VLIV POŠKOZENÍ NA RYCHLOSTI A RŮST POMĚRU HARMONICKÝCH SLOŽEK S ROSTOUCÍ AMPLITUDOU BUZENÍ Deska CFRP poškozená impaktem

Nepoškozená deska CFRP


DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST


100

SHM KONSTRUKCÍ Z KOMPOZITŮ S VYUŽITÍM

Recommend Documents