Vedené vlny v doskových štruktúrach a ich interakcia s konštrukčnými prvkami a poruchami

NDT vo výskume, vývoji a aplikácii

Vedené vlny v doskových štruktúrach a ich interakcia s konštrukčnými prvkami a poruchami

Zhrnutie

1. Úvod

2. Metódy štúdia šírenia vĺn v doskových štruktúrach

3. Experimentálne: Štruktúra platní CFRP a metódy excitácie vĺn

Kompozitné panely z kvázi-izotropického vlákna sú často zaujímavé ako stavebné materiály pri stavbe lietadiel. Niekoľko vrstiev s rôznymi vrstvami vlákien je naskladaných na seba. Sú možné rôzne varianty konštrukcie. Obrázok 1 zobrazuje bežne používané orientácie vlákien pozostávajúce z najmenej 8 vrstiev. Označenie (0/45/-45/90) 2S znamená postupnosť orientácií vlákien, kde S2 znamená, že vyššie uvedená postupnosť sa opakuje zrkadlovo na spodnej ploche platne. Doska je potom hrubá 1 mm s 8 vrstvami. Hrubšie panely sa vyrábajú skladaním niekoľkých takýchto sekvencií. Symetria systému vo vzťahu k rotáciám okolo normály dosky (smer z) je zaujímavá pre šírenie vĺn. Oba varianty ukazujú (rovnako ako všetky vláknové kompozity) symetriu pri otočení o 180 °. Symetria vzhľadom na rotáciu o 90 ° je však už značne narušená. Najmä tuhosť pri ohýbaní okolo osi x sa bude výrazne líšiť od tuhosti okolo osi y. Dá sa teda predpokladať, že vlnové režimy s podstatným podielom ohybov majú určitú anizotropiu.

vlny
Obrázok 1: Dva bežné konštrukčné varianty panelov CFRP s 8 vrstvami vlákien. Variant 1: (0/45/-45/90) 2S, variant 2: (0/45/90/-45) 2S. Použitá doska (d = 2 mm) má 16 vrstiev vlákien.

vedené
Obrázok 2: Tri možné varianty budenia doskových vĺn, a) normálne sondy na ultrazvukové testovanie pozostávajúce z piezoelektrického disku a tlmiaceho telesa (DK), b) spojené piezoelektrické disky a c) sondy šmykových vĺn na ultrazvukové testovanie.

Skenovanie šírenia vĺn sa vykonáva systémom LASUS. Tento vlastný vývoj je založený na komerčnom skenovacom laserovom vibrometri. Na zlepšenie optických vlastností spätného rozptylu bola použitá retroreflexná fólia. Ovládanie zrkadla a zber dát sa môžu voliteľne uskutočniť pomocou samotného systému vibrometrov alebo - najmä pre vyššie frekvencie - pomocou externého riadenia a zberu údajov. Vyhodnocovanie sa zväčša vykonáva pomocou softvéru naprogramovaného pod LabView. Pri všetkých nasledujúcich meraniach bol vibrometer umiestnený vertikálne pred meraciu plochu. To má výhodu v tom, že obrázky sa dajú ľahko interpretovať. Symetrické vlnové režimy nízkeho rádu sú však zobrazené iba veľmi slabo, pretože hlavné komponenty oscilácie ležia v rovine dosky. Spravidla však možno symetrické vlnové režimy stále zviditeľniť, aby bolo možné urobiť závery o ich disperzii a smerovom rozdelení.

4. Šírenie vĺn v nerušených doskách CFRP

Všetky získané výsledky merania je možné interpretovať ako množinu okamžitých hodnôt (posuny častíc alebo rýchlosti posunu) v trojrozmernom priestore. Tento priestor je rozpätý dvoma polohovými súradnicami meracieho povrchu a času. Ukazuje sa, že je užitočné vizualizovať takéto súbory údajov vytváraním rezov pozdĺž rôznych rovín. Obrázok 3 zobrazuje také rezy na meranie na nerušenej doske. Aby boli viditeľné aj režimy slabých vĺn, bolo zvolené nastavenie mierky, ktoré silno prepíše ostatné oblasti obrazu.

Obrázok 3: Šírenie vln v nenarušenej doske z CFRP, časový úsek v t = 50 µs (vľavo dole), znázornenie časovej polohy pre zvislý úsek (y = 235 mm, vľavo hore) a vodorovný úsek (x = 330 mm, vpravo dole) ), Časový signál v strede zdroja ultrazvuku (vpravo hore preťažený).

Obrázok 4: Snímka šírenia vlny po 160 µs (vpravo) s jasnými charakteristikami vlny qA0 a súvisiacimi časovými signálmi pre dva meracie body, časová os je v µs a okamžité hodnoty v ľubovoľných (rovnakých pre oba signály) jednotiek.

Na obrázku 4 je opäť vybraný jeden okamih. Krivky (obrazy A) sú priradené dvom bodom s rovnakou fázovou pozíciou vlny qA0. Ako už bolo naznačené na časovej snímke, pozdĺž vodorovnej osi sa amplitúda výrazne zvyšuje. Zodpovedajúci faktor je možné prečítať z A-skenov na hodnotu 2,1.

5. Šírenie vĺn v doske z CFRP po zavedení poškodenia nárazom

Obrázok 5 zobrazuje snímky šírenia vlny v doske. V tu vybranom znázornení sú výsledky merania superponované na fotografiu meracieho povrchu, takže rozpad je viditeľný ako trhlina na retroreflexnej fólii (1). Dopad 2 sa prejaví iba vo vlnových poliach.
Oba dopady ukazujú dva rôzne účinky na vlnové pole. Na jednej strane je prenášané vlnové pole oneskorené. Na druhej strane sa vytvárajú rozptýlené vlny. Je pozoruhodné, že vplyv nárazu 3 J na vlnové pole je minimálne taký veľký alebo väčší ako vplyv rozpadu. To platí najmä pre bočný rozsah oblasti, v ktorej je primárna vlna oneskorená. Predtým nekontrolovaný, ale zrejmý predpoklad, to vedie späť k asymetrii rozsahu poškodenia spôsobeného orientáciou najzadnejšej vrstvy vlákien od smeru nárazu. Ultrazvukové vyšetrenia ukazujú na to pomer strán okolo 3.

Obrázok 5: Vlnové pole vlny qA0 v rôznych časoch; 1: preškrtnutie (energia 10 J); 2: Poloha nárazu pri 3,5 J (zrakovo ťažko viditeľné poškodenie).

6. Závery a ďalšie práce

Laserové vibrometrické merania správania sa šírenia doskových vĺn poskytujú dôležité informácie, ktoré je potrebné zohľadniť pri navrhovaní a neskoršom používaní systémov na monitorovanie zdravia založených na jahňacích vlnách. Šírenie vĺn nie je ani izotropné, ani disperzné. V danom prípade neexistuje ani symetria, pokiaľ ide o rotáciu o 90 °. Pre vlnu qA0, ktorú pre veľmi nízke frekvencie možno považovať za flexibilnú vlnu, je to možné vidieť aj zo štruktúry (pozri obr. 1).
Poškodenie nárazom spôsobuje značné oneskorenie vo vzťahu k priamo prenášanej vlne qA0. Zložky rozptýlených vĺn sú také slabé, že je ťažké ich oddeliť od nerozptýlených vĺn bez ďalších „trikov“. Súčasné vlastné práce [6] sa zaoberajú zahrnutím ďalších vlnových režimov a oddelením vlnových režimov počas vysielania a príjmu pomocou konceptov prevodníka.

Literatúra:

  1. B. Köhler, M. Kehlenbach, R. Bilgram, „Optical Measurement and Visualization of Transient Ultrazvukové vlnové polia“, in: Acoustical Imaging, zv. 27, redakcia W. Arnold a S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, s. 315-322, v tlači.
  2. M. Kehlenbach, B. Köhler, X. Cao, H. Hanselka, „Numerické a experimentálne vyšetrovanie interakcie jahňacích vĺn s diskontinuitami“, zborník zo 4. medzinárodného seminára o monitorovaní štrukturálneho zdravia, Stanfordská univerzita, Stanford, CA, 15. septembra 17, 2003.
  3. B. Kohler, F. Schubert, B. Frankenstein, „Numerické a experimentálne skúmanie excitácie, šírenia a detekcie jahňacích vĺn pre SHM“, Proc. 2. Európskej konferencie o monitorovaní štrukturálneho zdravia, Mníchov/Nemecko, 7. - 9. júla 2004.
  4. K. F. Graff, „Wave Motion in Elastic Solids“, Clarendon Press, Oxford, 1975, s. 431-435
  5. B. Kohler, F. Schubert, „Optická detekcia elastodynamických polí ultrazvukových prevodníkov“, Ultrasonics, 40 (2002), str. 741-74
  6. B. Köhler, F. Frankenstein, F. Schubert, M. Gurka, D. Sporn, „Monitorovanie zdravotného stavu komponentov vyrobených z kompozitných materiálov (CFRP, GFRP) pomocou excitácie, šírenia a detekcie doštičkových vĺn integrovaného piezofibrového prevodníka“, 7. odborné dni AZT 2003, „Poškodenie a nápravné opatrenia“, „Veterná energia“, 10. - 11. novembra 2003, Ismaning

Deň vďakyvzdania:

Naše úprimné poďakovanie patrí Dr. Bertholdovi z IMA Dresden GmbH za spôsobenie poškodenia nárazom a pánovi Bittrichovi a pani Noackovej za vykonanie meraní. Špeciálne poďakovanie patrí Deutsche Forschungsgemeinschaft za financovanie projektov KO 1386-1 a KO 1386-5 (subprojekt výskumnej skupiny FOR384), v rámci ktorých by sa mohol uskutočniť zásadný metodický a merací vývoj tu použitého systému LASUS.