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Leitprojekt CFK Rumpf NG

SHM mit Acousto Ultraschall zur Schadensdetektion in komplexen Strukturen

Wolfgang Hillger, Artur Szewieczek, Daniel Schmidt

Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG

15.02.2011 Rilano Hotel Hamburg

Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

Inhalt

1. Einleitung2. Kombination von US-Technik mit SHM 3. Ergebnisse4. Zusammenfassung5. Ausblick


Lamb- Wellen können über applizierte Piezo- elemente gesendet und wieder empfangen werden Sie breiten sich über große Bereiche aus Interaktion mit Fehlstellen Kein zeitaufwendiges Abrastern erforderlich Prüfung komplexer Bauteile möglichJedoch:

Zu jeder Frequenz gibt es mindestens zwei Wellenmoden Jeder Mode ist dispersiv

Die Interaktion zwischen Lamb-Wellen und Schäden ist komplex und schwer vorauszusagen

Die Auswertung der komplexen Empfangssignale erfordert ein großes Potential an Forschung und Entwicklung

CFK-Bauteil mit applizierten Piezo- Elementen zur Anregung und zum Empfang von Lamb-Wellen

Structural Health Monitoring (SHM) mit Lamb- Wellen

Ein PZT dient als Aktuator und sendet Lamb-Wellen, die mit benachbarten Sensoren empfangen werden


Aktives SHM-System

Definition der Prüfaufgabe

Auswahl von Sensoren/Aktuatoren

Applikation an/in das Bauteil

Sensoranordnung (wo, wie viele)

Haltbarkeit der Sensoren/Ankopplung

Auswahl von Wellenmoden

Anregung

Empfänger Hardware

Signalverarbeitung

Temperaturkompensation

Analyse

Prognose

Systemdiagnose

Integration in das Boardsystem

Reparaturkonzept

Recycling

Sensor- Network

„Black Box“

Quelle: Airbus Bremen


Ultrasonic System USPC 5000 for Lamb-Wave Testing

• Both Guided Waves (Lamb-waves) and ultrasonic imaging techniques

• 8 transmitters and 8 receivers generate 64 cycles

• The data logger provides automatic on-line testing


Volume- data

Animations

Signal Analysis

Imaging

Phased Array

Echo Technique

SHM Signal-processing

Kombination von bildgebender US-Technik und SHM

Air-coupledultrasonics


Aufnahme eines Lamb-Wellen Volumendatensatzes

Anregung mit einem applizierten PZT

Mäanderförmiges Abrastern (Raster typisch 2x2 mm)

Aufnahme des Lamb- Wellensignals an jedem RasterpunktWasser oder Luft als Koppelmittel

Volumendatensatz (x-y-t) Größe typisch 2-40 Gbyte

Scan-Dauer für 600*800 mm: ca. 30 bis 40 min.


Auswertung der Volumendatensätze

Der Volumendatensatz enthält die komplette Information des Wellenfeldes. Hieraus lassen sich berechnen:

A-Bilder B-Bilder C-Bilder D-Bilder

Video-Animationen


Testkörper: Stringerversteiftes CFK-Panel85

0

605

180

34

33172,

2


Ultraschallprüftechnik: C-Bilder des CFK-Panels

Zwischenecho Rückwandecho


Lamb-Wellen B-Bilder

Intakter Stringer

Partiell abgelöster Stringer


Ergebnis: Detektion von Stringerablösungen

Beschreibung Schallweg Lamb-Wellen A-Bild Pegel

Schallweg über einen abgelösten Stringer

Schallweg über einen intakten Stringer


Weiteres Ergebnis: Patentanmeldung Virtuelle SensorenIdee: Die einzelnen Messpunkte des Wellenfeldes lassen sich zu virtuellen Sensoren zusammenfassen und das Empfangssignal berechnen.

Optimierung von Sensorgeometrien und Positionierung


DFG-Projekt

Titel:Integrierte Bauteilüberwachung in Faserverbunden durch Analyse von Lambwellen nach deren gezielter Anregung durch piezokeramische Flächenaktuatoren

Partner:Helmut-Schmidt Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU)Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OvGU)

DLR-Part: Monomodale Sensoren und Aktuatoren


EU-Projekt AISHA II

Full-scale test of the EC 135 tail boom

Detection of >5Joule impacts using Lamb waves

Selection of Lamb wave modes for impact detection

Signal processing and evaluation

Complementary ultrasonic imaging technique

Assembly1 mm skin15 mm Nomex honeycomb0.5 mm skinAdditional mash for lightning protection

Length: 3.49 mWidth: 0.57m


Snap-Shots without and with 10J-Impact

Before impacting

After impacting with 10J


Modenkonversion im Tailboom


Concept for Tail Boom Lamb Wave Inspection System

Inspection of the honeycomb part

Three actuators at the edges and at the core separation

Long-range propagation of S-mode

64 air-coupled sensors sensitive for A-mode

One multiplexer for actuators

8 Arrays each with 8 sensors and 8:1 multiplexers with LNAs

One additional array multiplexer

Only one VGA-cable to the interface box


4. Zusammenfassung

SHM mit Lamb-Wellen:

Automatisches globales Inspektionssystem mit geführten Wellen

Piezoelektrische Elemente permanent mit der Struktur verbunden

Jedoch bei einer Frequenz mehrere, dispersive Wellenmoden

Komplexe Interaktion an Fehlsten

Modenkonversion auch an Sensoren

Ergebnisse:

Die Visualisierungen der Lamb-Wellenausbreitung kann erfolgreich mit bildgebender Ultraschallprüftechnik durchgeführt werden.

Stringerablösungen lassen sich mit LW detektieren

Patentanmeldung: Virtuellen Sensoren zur Systemoptimierung

Monomodale Aktuatoren und Sensoren

Schadensdetektion durch Modenkonversionen


Ausblick

Demonstrator für Fehlstellendetektion mit Modenkonversion

MRO-Antrag NDT/SHM Hamburg: Berührungslose US-Technik mit Lamb-Wellen und SHM System

ZLP-Augsburg – geplanter Projektantrag LuFo IV: Produktionsintegrierte zerstörungsfreie Prüfung für die automatisierte CFK-Fertigung

EU-Antrag Saristu


ForschungsteamSignalverarbeitungArtur SzewieczekTel.: 0531/[email protected]

Monomodale AktuatorenDaniel SchmidtTel.: 0531/[email protected]

UltraschallprüftechnikBernd FriederichsTel.: 0531/[email protected]

mailto:[email protected]




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