Undele ghidate în structurile plăcilor și interacțiunea lor cu elementele structurale și defectele

NDT în cercetare, dezvoltare și aplicare

Undele ghidate în structurile plăcilor și interacțiunea lor cu elementele structurale și defectele

rezumat

1. Introducere

2. Metode pentru studierea propagării undelor în structurile plăcilor

3. Experimental: Structura plăcilor CFRP și metodele de excitație a undelor

Panourile compozite din fibre aproape izotrope sunt adesea de interes ca materiale de construcție în construcția de aeronave. Mai multe straturi cu diferite straturi de fibre sunt stivuite una peste alta. Sunt posibile diferite variante de construcție. Fig. 1 prezintă orientări de fibre utilizate în mod obișnuit constând din cel puțin 8 straturi. Denumirea (0/45/-45/90) 2S reprezintă secvența orientărilor fibrelor, unde S2 înseamnă că secvența de mai sus se repetă în oglindă pe suprafața inferioară a plăcii. Placa are apoi o grosime de 1 mm cu 8 straturi. Panourile mai groase sunt realizate prin stivuirea mai multor astfel de secvențe. Simetria sistemului în ceea ce privește rotațiile în jurul plăcii normale (direcția z) este interesantă pentru propagarea undei. Ambele variante prezintă (ca toate compozitele din fibre) o simetrie atunci când sunt rotite cu 180 °. Cu toate acestea, simetria în ceea ce privește rotația cu 90 ° este deja în mare parte perturbată. În special, rigiditatea la îndoire în jurul axei x va diferi semnificativ de cea din jurul axei y. Prin urmare, se poate presupune că modurile de undă cu o proporție substanțială de îndoiri au o anumită anizotropie.

ghidate
Fig. 1: Două variante comune de construcție a panourilor CFRP cu 8 straturi de fibre. Varianta 1: (0/45/-45/90) 2S, varianta 2: (0/45/90/-45) 2S. Placa utilizată (d = 2 mm) are 16 straturi de fibre.

ghidate
Fig. 2: Trei variante posibile ale excitației undelor plăcii, a) sonde normale pentru testarea cu ultrasunete constând dintr-un disc piezo și corp de amortizare (DK), b) discuri piezo lipite și c) sonde cu undă de forfecare pentru testarea cu ultrasunete.

Scanarea propagării undei se efectuează cu sistemul LASUS. Această dezvoltare internă se bazează pe un vibrometru laser cu scanare comercială. O folie retroreflectantă a fost aplicată pentru a îmbunătăți proprietățile optice de retrodifuzare. Opțional, controlul oglinzii și achiziția de date pot avea loc cu sistemul vibrometru însuși sau - în special pentru frecvențe mai mari - cu control extern și achiziție de date. Evaluarea se efectuează în mare parte cu software-ul programat sub LabView. În toate măsurătorile ulterioare, vibrometrul a fost poziționat vertical în fața suprafeței de măsurare. Acest lucru are avantajul că imaginile pot fi ușor interpretate. Modurile de undă simetrice de ordin scăzut sunt prezentate doar foarte slab, totuși, deoarece componentele principale ale vibrațiilor se află în planul plăcii. Cu toate acestea, de regulă, modurile de unde simetrice pot fi încă vizibile, astfel încât să se poată trage concluzii despre dispersia și distribuția direcțională a acestora.

4. Propagarea undelor în plăci CFRP netulburate

Toate rezultatele măsurătorilor obținute pot fi înțelese ca un set de valori instantanee (deplasări ale particulelor sau viteze de deplasare) pe un spațiu tridimensional. Acest spațiu este întins de cele două coordonate de poziție ale suprafeței de măsurare și de timp. S-a dovedit a fi benefic pentru a vizualiza astfel de seturi de date prin realizarea de secțiuni de-a lungul planurilor diferite. Figura 3 prezintă astfel de secțiuni pentru măsurarea pe placa netulburată. Pentru ca modurile de unde slabe să fie de asemenea vizibile, a fost aleasă o scalare care suprasolicită puternic alte zone de imagine.

Fig. 3: Propagarea undei în placa CFRP netulburată, secțiunea de timp la t = 50 µs (stânga jos), reprezentarea locației timpului pentru o secțiune verticală (y = 235 mm, stânga sus) și o secțiune orizontală (x = 330 mm, dreapta jos) ), Semnal de timp în centrul sursei cu ultrasunete (suprasolicitat în dreapta sus).

Fig. 4: Instantaneu al propagării undei după 160 µs (dreapta) cu expresie clară a undei qA0 și semnale de timp asociate pentru două puncte de măsurare, axa timpului este în µs și valori instantanee în oricare (aceeași pentru ambele semnale) unități.

În Figura 4, este selectat din nou un singur instantaneu. Formele de undă (imagini A) sunt atribuite la două puncte cu aceeași poziție de fază a undei qA0. După cum sa indicat deja în instantaneul de timp, amplitudinea este crescută semnificativ de-a lungul axei orizontale. Factorul corespunzător poate fi citit din scanările A pentru a fi 2.1.

5. Propagarea undei în placa CFRP după ce a fost introdusă deteriorarea prin impact

Figura 5 prezintă instantanee ale propagării undei în placă. În reprezentarea selectată aici, rezultatele măsurătorilor sunt suprapuse pe o fotografie a suprafeței de măsurare, astfel încât defalcarea să fie vizibilă ca o ruptură pe folia retroreflectantă (1). Impactul 2 apare doar în câmpurile unde.
Ambele impacturi arată două efecte diferite asupra câmpului de unde. Pe de o parte, câmpul de undă transmis este întârziat. Pe de altă parte, se generează unde rătăcite. Este de remarcat faptul că influența impactului 3 J asupra câmpului de undă este cel puțin la fel de mare sau mai mare ca cea a defalcării. Acest lucru se aplică în special extinderii laterale a zonei în care unda primară este întârziată. O ipoteză necontrolată, dar evidentă, duce înapoi la asimetria amplorii daunelor, cauzată de orientarea celui mai din spate strat de fibră din direcția impactului. Examinările cu ultrasunete arată un raport de aspect de aproximativ 3 pentru acest lucru.

Fig 5: Câmpul undei undei qA0 în momente diferite; 1: lovit (energie 10 J); 2: Poziția impactului la 3,5 J (daune greu vizibile vizual).

6. Concluzii și lucrări ulterioare

Măsurătorile vibrometrice cu laser ale comportamentului de propagare a undelor plăcii oferă informații importante care trebuie luate în considerare la proiectarea și ulterior utilizarea sistemelor de monitorizare a sănătății bazate pe undele Lamb. Propagarea undelor nu este nici izotropă, nici liberă de dispersie. În cazul de față, nu există nici măcar o simetrie în ceea ce privește rotația prin 90 °. Pentru unda qA0, care poate fi privită ca o undă flexibilă pentru frecvențe foarte joase, aceasta poate fi văzută și din structură (vezi Fig. 1).
Deteriorarea prin impact cauzează o întârziere semnificativă în raport cu unda qA0 transmisă direct. Componentele de unde împrăștiate sunt atât de slabe încât este dificil să le separăm de undele neîmprăștiate fără alte „trucuri”. Lucrările proprii actuale [6] se referă la includerea altor moduri de undă și separarea modurilor de undă la trimiterea și recepționarea prin intermediul conceptelor de convertor.

Literatură:

  1. B. Köhler, M. Kehlenbach, R. Bilgram, "Optical Measurement and Visualization of Transient Ultrasonic Wave Fields", în: Acoustical Imaging, Vol. 27, editat de W. Arnold și S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp. 315-322, tipărit.
  2. M. Kehlenbach, B. Köhler, X. Cao, H. Hanselka, „Investigație numerică și experimentală a interacțiunii undelor de miel cu discontinuități”, lucrările celui de-al 4-lea atelier internațional privind monitorizarea sănătății structurale, Universitatea Stanford, Stanford, CA, 15 septembrie 17, 2003.
  3. B. Koehler, F. Schubert, B. Frankenstein, "Investigație numerică și experimentală a excitației, propagării și detectării undelor de miel pentru SHM", Proc. a celei de-a doua conferințe europene privind monitorizarea sănătății structurale, München/Germania, 7-9 iulie 2004.
  4. K. F. Graff, „Wave Motion in Elastic Solids”, Clarendon Press, Oxford, 1975, pp. 431-435
  5. B. Kohler, F. Schubert, "Detectarea optică a câmpurilor elastodinamice ale traductoarelor cu ultrasunete", Ultrasonics, 40 (2002) pp. 741-74
  6. B. Köhler, F. Frankenstein, F. Schubert, M. Gurka, D. Sporn, „Monitorizarea sănătății componentelor fabricate din materiale compozite (CFRP, GFRP) prin intermediul excitației, propagării și detectării transductorului de fibre piezo-integrate, propagarea și detectarea undelor plăcii”, a 7-a zi de experți AZT 2003, Măsuri de remediere a daunelor și plantelor "Energia Eoliană", 10-11 noiembrie 2003, Ismaning

Ziua Recunoștinței:

Mulțumirile noastre sincere merg dr. Berthold de la IMA Dresden GmbH pentru aducerea daunelor de impact și domnul Bittrich și doamna Noack pentru efectuarea măsurătorilor. Mulțumiri speciale se adresează Deutsche Forschungsgemeinschaft pentru finanțarea proiectelor KO 1386-1 și KO 1386-5 (subproiectul grupului de cercetare FOR384) în contextul căruia ar putea avea loc dezvoltări metodologice și de măsurare esențiale ale sistemului LASUS utilizat aici.