Водени вълни в структурите на плочите и тяхното взаимодействие със структурни елементи и дефекти

NDT в изследвания, разработка и приложение

Водени вълни в структурите на плочите и тяхното взаимодействие със структурни елементи и дефекти

Обобщение

1. Въведение

2. Методи за изследване на разпространението на вълните в пластинкови структури

3. Експериментално: Структура на CFRP плочите и методи за вълново възбуждане

Квазиизотропните композитни панели от влакна често представляват интерес като строителни материали в самолетостроенето. Няколко слоя с различни влакнести слоеве са подредени един върху друг. Възможни са различни варианти на конструкцията. Фигура 1 показва често използвани ориентации на влакна, състоящи се от най-малко 8 слоя. Обозначението (0/45/-45/90) 2S означава последователност от ориентации на влакната, където S2 означава, че горната последователност се повтаря, огледално на долната повърхност на плочата. Тогава плочата е с дебелина 1 мм с 8 слоя. По-дебелите панели се правят чрез подреждане на няколко такива последователности. Симетрията на системата по отношение на въртенията около нормалната плоча (посока z) представлява интерес за разпространението на вълната. И двата варианта показват (както всички влакнести композити) симетрия при завъртане на 180 °. Въпреки това симетрията по отношение на въртенето на 90 ° вече е до голяма степен нарушена. По-специално, твърдостта при огъване около оста x ще се различава значително от тази около оста y. Следователно трябва да се приеме, че вълновите режими със значителен дял на завои имат известна анизотропия.

плочите
Фигура 1: Два често срещани конструктивни варианта на CFRP панели с 8 влакнести слоя. Вариант 1: (0/45/-45/90) 2S, вариант 2: (0/45/90/-45) 2S. Използваната плоча (d = 2 mm) има 16 влакнести слоя.

плочите
Фигура 2: Три възможни варианта на възбуждане на плоските вълни, а) нормални сонди за ултразвуково изпитване, състоящи се от пиезодиск и амортисьорно тяло (DK), б) свързани пиезодискове и в) сонди за срязващи вълни за ултразвуково тестване.

Сканирането на разпространението на вълната се извършва със системата LASUS. Тази вътрешна разработка се основава на търговски сканиращ лазерен виброметър. За подобряване на оптичните свойства на обратното разпръскване беше приложено ретрорефлективно фолио. По желание огледалното управление и събирането на данни може да се извърши със самата система на виброметъра или - особено за по-високи честоти - с външен контрол и събиране на данни. Оценката се извършва до голяма степен със софтуер, програмиран под LabView. При всички следващи измервания виброметърът беше разположен вертикално пред измервателната повърхност. Това има предимството, че изображенията могат лесно да се интерпретират. Режимите на симетрични вълни от нисък ред обаче са показани само много слабо, тъй като основните вибрационни компоненти лежат в равнината на плочата. Като правило обаче симетричните вълнови режими все още могат да бъдат направени видими, така че да могат да се направят изводи за тяхното разпръскване и насочено разпределение.

4. Разпространение на вълните в ненарушени CFRP плочи

Всички получени резултати от измерванията могат да се разберат като набор от моментални стойности (преместване на частици или скорости на изместване) в триизмерно пространство. Това пространство се обхваща от двете координати на позицията на измервателната повърхност и времето. Оказва се полезно да се визуализират такива набори от данни, като се правят раздели по различни равнини. Фигура 3 показва такива секции за измерване върху ненарушената плоча. За да се виждат и режимите на слаба вълна, беше избрано мащабиране, което силно пренасочва други области на изображението.

Фиг. 3: Разпространение на вълната в ненарушената CFRP плоча, времеви участък при t = 50 µs (долу вляво), представяне на времево разположение за вертикален участък (y = 235 mm, горе вляво) и хоризонтален участък (x = 330 mm, долу вдясно ), Сигнал за време в центъра на ултразвуковия източник (overdriven горе вдясно).

Фиг. 4: Снимка на разпространението на вълната след 160 µs (вдясно) с ясни характеристики на вълната qA0 и свързани времеви сигнали за две точки за измерване, часовата ос е в µs и моментни стойности във всякакви (еднакви за двата сигнала) единици.

На Фигура 4 отново се избира единична моментна снимка. Формите на вълните (A-изображения) се присвояват на две точки с една и съща фазова позиция на вълната qA0. Както вече беше посочено в моментната снимка на времето, амплитудата се увеличава значително по хоризонталната ос. Съответният коефициент може да се прочете от A-сканиранията, за да бъде 2.1.

5. Разпространението на вълната в CFRP плочата след въвеждане на щетите

Фигура 5 показва моментни снимки на разпространението на вълната в плочата.В избраното тук представяне резултатите от измерванията се наслагват върху снимка на измервателната повърхност, така че разбивката се вижда като разкъсване на светлоотразителното фолио (1). Impact 2 се показва само във вълновите полета.
И двете въздействия показват два различни ефекта върху вълновото поле. От една страна, предаваното вълново поле се забавя. От друга страна се генерират разсеяни вълни. Забележително е, че влиянието на въздействието от 3 J върху вълновото поле е поне толкова голямо или по-голямо, колкото това на разбивката. Това важи по-специално за страничния обхват на зоната, в която се забавя първичната вълна. По-рано непроверено, но очевидно предположение води това обратно до асиметрията на степента на щетите, причинени от ориентацията на най-задния слой влакна от посоката на удара. Ултразвуковите изследвания показват съотношение на страните около 3 за това.

Фиг. 5: Вълново поле на вълната qA0 по различно време; 1: пробиване (енергия 10 J); 2: Положение на удара при 3,5 J (повреда, която не се вижда визуално).

6. Заключения и по-нататъшна работа

Лазерните виброметрични измервания на поведението на разпространение на плоските вълни предоставят важна информация, която трябва да се вземе предвид при проектирането и по-късно използване на системи за мониторинг на здравето, базирани на агнешки вълни. Разпространението на вълната не е нито изотропно, нито дисперсионно. В настоящия случай няма дори симетрия по отношение на въртенето на 90 °. За вълната qA0, която за много ниски честоти може да се разглежда като вълна на огъване, това може да се види и от структурата (вж. Фиг. 1).
Щетите от удара причиняват значително забавяне по отношение на директно предаваната вълна qA0. Разпръснатите вълнови компоненти са толкова слаби, че е трудно да се отделят от неразпръснатите вълни без допълнителни "трикове". Текущи собствени разработки [6] се занимават с включването на допълнителни вълнови режими и разделянето на вълновите режими по време на предаване и приемане чрез концепции на конвертора.

Литература:

  1. Б. Кьолер, М. Келенбах, Р. Билграм, „Оптично измерване и визуализация на преходни ултразвукови вълнови полета“, в: Acoustical Imaging, том 27, Под редакцията на W. Arnold и S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht И Ню Йорк, 2004, стр. 315-322, в печат.
  2. M. Kehlenbach, B. Köhler, X. Cao, H. Hanselka, "Числено и експериментално изследване на взаимодействието на агнешка вълна с прекъсвания", Сборник от четвъртия международен семинар за структурно наблюдение на здравето, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, 15 септември 17, 2003.
  3. Б. Кьолер, Ф. Шуберт, Б. Франкенщайн, "Числено и експериментално изследване на възбуждането, разпространението и откриването на агнешка вълна за SHM", Proc. на 2-ра европейска конференция за структурно наблюдение на здравето, Мюнхен/Германия, 7-9 юли 2004 г.
  4. K. F. Graff, "Wave Motion in Elastic Solids", Clarendon Press, Oxford, 1975, pp. 431-435
  5. Б. Колер, Ф. Шуберт, "Оптично откриване на еластодинамични полета на ултразвукови преобразуватели", ултразвук, 40 (2002) стр. 741-74
  6. Б. Кьолер, Ф. Франкенщайн, Ф. Шуберт, М. Гурка, Д. Спорн, „Здравен мониторинг на компоненти, изработени от композитни материали (CFRP, GFRP) посредством интегрирано възбуждане, размножаване и откриване на плочи вълни от пиезо влакнини“, 7-ми AZT експертни дни 2003 г., „Вятърни електроцентрали“ Щети и мерки за отстраняване, 10-11 ноември 2003 г., Исманинг

Денят на благодарността:

Нашите искрени благодарности отиват на Dr. Berthold от IMA Dresden GmbH за причиняване на щети от удара и г-н Bittrich и г-жа Noack за извършване на измерванията. Специални благодарности отправяме към Deutsche Forschungsgemeinschaft за финансирането на проектите KO 1386-1 и KO 1386-5 (подпроект на изследователската група FOR384), в контекста на които биха могли да се осъществят основни методически и измервателни разработки на системата LASUS, използвана тук.