Керовані хвилі в структурах пластин та їх взаємодія з елементами конструкції та дефектами

НДТ у дослідженнях, розробці та застосуванні

Керовані хвилі в структурах пластин та їх взаємодія з елементами конструкції та дефектами

Резюме

1. Вступ

2. Методи вивчення поширення хвилі в структурах пластин

3. Експериментальний: Будова пластин CFRP та методи хвильового збудження

Квазіізотропні волокнисті композитні панелі часто представляють інтерес як будівельні матеріали в авіабудуванні. Кілька шарів з різними шарами волокна укладаються один на одного. Можливі різні варіанти конструкції. 1 показує загальновживані орієнтації волокон, що складаються щонайменше з 8 шарів. Позначення (0/45/-45/90) 2S означає послідовність орієнтацій волокон, де S2 означає, що зазначена послідовність повторюється дзеркально на нижній поверхні пластини. Потім пластина товщиною 1 мм із 8 шарами. Більш товсті панелі виготовляються шляхом укладання декількох таких послідовностей. Симетричність системи щодо обертань навколо нормалі пластини (напрямок z) представляє інтерес для поширення хвилі. Обидва варіанти демонструють (як і всі волокнисті композити) симетрію при повороті на 180 °. Однак симетрія щодо обертання на 90 ° вже в значній мірі порушена. Зокрема, жорсткість при згинанні навколо осі х значно відрізнятиметься від жорсткості навколо осі у. Тому можна припустити, що хвильові моди із значною часткою вигинів мають певну анізотропію.

пластин
Рис. 1: Два типові варіанти конструкції панелей CFRP з 8 шарами волокна. Варіант 1: (0/45/-45/90) 2S, варіант 2: (0/45/90/-45) 2S. Використовувана плита (d = 2 мм) має 16 шарів волокна.

пластин
Рис. 2: Три можливі варіанти збудження пластинчастих хвиль, а) нормальні зонди для ультразвукового тестування, що складаються з п'єзодиска та демпфуючого тіла (ДК), б) скріплені п'єзодиски та в) зонди зсувних хвиль для ультразвукового тестування.

Сканування розповсюдження хвилі здійснюється за допомогою системи LASUS. Ця власна розробка базується на комерційному скануючому лазерному віброметрі. Для покращення оптичних властивостей зворотного розсіювання застосовували світловідбивну фольгу. За бажанням, управління дзеркалом та збір даних може здійснюватися за допомогою самої системи віброметра або - особливо для більш високих частот - за допомогою зовнішнього управління та збору даних. Оцінка в основному проводиться за допомогою програмного забезпечення, запрограмованого під LabView. У всіх наступних вимірах віброметр розташовувався вертикально перед вимірювальною поверхнею. Це має ту перевагу, що зображення можна легко інтерпретувати. Симетричні хвильові режими низького порядку показані лише дуже слабо, оскільки основні компоненти коливань лежать у площині пластини. Однак, як правило, симетричні хвильові режими все ще можна зробити видимими, щоб зробити висновки про їх дисперсію та спрямованість.

4. Поширення хвилі в не порушених плитах CFRP

Усі отримані результати вимірювань можна інтерпретувати як набір миттєвих значень (переміщення частинок або швидкості переміщення) в тривимірному просторі. Цей простір охоплюється двома координатами положення вимірювальної поверхні та часом. Виявляється вигідним візуалізувати такі набори даних, роблячи розрізи уздовж різних площин. На малюнку 3 показані такі розрізи для вимірювання на непорушеній пластині. Щоб видимі були також слабкі хвильові режими, було обрано масштабування, яке сильно перекриває інші області зображення.

Рис. 3: Поширення хвилі в не порушеному CFRP пластині, часовий відрізок при t = 50 мкс (внизу ліворуч), представлення місця та часу для вертикального перерізу (y = 235 мм, вгорі зліва) і горизонтального перерізу (x = 330 мм, внизу праворуч ), Сигнал часу в центрі ультразвукового джерела (перевантажений вгорі праворуч).

Рис. 4: Знімок розповсюдження хвилі через 160 мкс (праворуч) з чіткими характеристиками хвилі qA0 та відповідними часовими сигналами для двох вимірювальних точок, вісь часу в мкс та миттєві значення в будь-яких (однакових для обох сигналів) одиницях.

На малюнку 4, знову вибирається одиничний знімок часу. Форми сигналів (A-зображення) призначаються двом точкам з однаковим фазовим положенням хвилі qA0. Як вже вказувалося на знімку часу, амплітуда значно збільшується по горизонтальній осі. Відповідний коефіцієнт можна прочитати з A-скану, щоб він становив 2,1.

5. Поширення хвилі в пластині CFRP після внесення пошкоджень від удару

На малюнку 5 показані знімки поширення хвилі в пластині. У обраному тут поданні результати вимірювань накладаються на фотографію вимірювальної поверхні, так що пробій видно у вигляді розриву світловідбивної фольги (1). Вплив 2 проявляється лише у хвильових полях.
Обидва удари демонструють два різні ефекти на хвильовому полі. З одного боку, передане хвильове поле затримується. З іншого боку, генеруються блукаючі хвилі. Примітно, що вплив 3 Дж на хвильове поле є принаймні таким самим великим або більшим, як вплив пробою. Це стосується, зокрема, бічного простору області, в якій первинна хвиля затримується. Раніше неперевірене, але очевидне припущення призводить до цього до асиметрії ступеня пошкодження, спричиненого орієнтацією самого заднього шару волокна від напрямку удару. Ультразвукові обстеження показують для цього співвідношення сторін близько 3.

Рис. 5: Хвильове поле хвилі qA0 у різний час; 1: прохід (енергія 10 Дж); 2: Положення удару при 3,5 Дж (пошкодження ледь помітно візуально).

6. Висновки та подальша робота

Лазерні віброметричні вимірювання поведінки розповсюдження пластинчастих хвиль дають важливі знання, які необхідно враховувати при проектуванні та подальшому використанні систем контролю стану здоров’я на основі хвиль Агнця. Поширення хвилі не є ні ізотропним, ні дисперсійним. У цьому випадку немає навіть симетрії щодо обертання на 90 °. Для хвилі qA0, яку можна розглядати як гнучку хвилю для дуже низьких частот, це також видно зі структури (див. Рис. 1).
Пошкодження від удару спричиняє значну затримку щодо прямо переданої хвилі qA0. Розсіяні хвильові компоненти настільки слабкі, що їх важко відокремити від нерозсіяних хвиль без подальших «фокусів». Поточна власна робота [6] стосується включення подальших хвильових режимів та поділу хвильових режимів під час передачі та прийому за допомогою концепцій перетворювача.

Література:

  1. Б. Келер, М. Келенбах, Р. Білграм, "Оптичне вимірювання та візуалізація перехідних полів ультразвукової хвилі", в: Acoustical Imaging, том 27, Під редакцією В. Арнольда та С. Гірсекорна, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Дордрехт & Нью-Йорк, 2004, с. 315-322, у друці.
  2. М. Келенбах, Б. Келер, X. Цао, Х. Ханселка, "Чисельне та експериментальне дослідження взаємодії хвилі ягняти з розривами", Матеріали 4-го міжнародного семінару з моніторингу структурного стану здоров'я, Стенфордський університет, Стенфорд, Каліфорнія, 15 вересня - 17, 2003.
  3. Б. Колер, Ф. Шуберт, Б. Франкенштейн, "Чисельне та експериментальне дослідження збудження, поширення та виявлення хвилі Ягняти для ШМ", ​​Proc. 2-ї Європейської конференції з моніторингу структурного здоров'я, Мюнхен/Німеччина, 7-9 липня 2004 р.
  4. К. Ф. Графф, "Хвильовий рух у пружних твердих тілах", Clarendon Press, Оксфорд, 1975, с. 431-435
  5. Б. Колер, Ф. Шуберт, "Оптичне виявлення еластодинамічних полів ультразвукових перетворювачів", Ультразвук, 40 (2002) с. 741-74
  6. Б. Келер, Ф. Франкенштейн, Ф. Шуберт, М. Гурка, Д. Спорн, "Моніторинг стану здоров’я компонентів, виготовлених із композитних матеріалів (CFRP, GFRP) за допомогою інтегрованого збудження, поширення та виявлення пластинчастих хвиль п’єзоволоконного перетворювача", 7-й Експертний день 2003, "Windenergieanlagen" збитки та заходи виправлення, 10-11 листопада 2003, Ісманінг

День Подяки:

Ми щиро дякуємо Dr. Бертольда з IMA Dresden GmbH за нанесення збитків від удару та пана Біттріха та пані Ноак за проведення вимірювань. Особлива подяка Deutsche Forschungsgemeinschaft за фінансування проектів KO 1386-1 та KO 1386-5 (підпроект дослідницької групи FOR384), в контексті яких можуть відбутися основні методологічні та вимірювальні розробки системи LASUS, яка використовується тут.