Simulation und Optimierung der Ultraschallprüfung von Composite-Bauteilen Ein Anwendungsbeispiel. Martin Spies

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1 Simulation und Optimierung der Ultraschallprüfung von Composite-Bauteilen Ein Anwendungsbeispiel +composites SAAR Saarbrücken, 6. Mai 2014 Martin Spies Ultraschall-Imaging Abteilung Bildverarbeitung Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern 1

2 Simulation und Optimierung der Ultraschallprüfung von Composite-Bauteilen Ein Anwendungsbeispiel Motivation Einsatz kohlefaserverstärkter Kunststoffe (CFK) Grundlagen der Wellenausbreitung in CFK Vorteile der Modellierung Problem geneigter Oberflächen Lösung mit Vorlaufkörpern Reflexions- und Transmissionskoeffizienten Simulationsergebnisse für eine praxisnahe Applikation Fazit 2

3 Zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall - Prinzip Quelle: K.G. Hall, Materials Evaluation, 42, (1984) 3

4 Inspektionssystem für längsgeschweißte Großrohre 4

5 Vor-Ort-Inspektion eines Schiffspropellers 5

6 CFK-Bauteile Quelle: syntechnics GmbH, Oldenburg in Holstein 6

7 CFK-Bauteile Where Wood Ends " FiberSonixx, Cranbury, NJ 7

8 Einsatz und Prüfung von CFK wichtige Aspekte leichtgewichtige Strukturen hohe Festigkeit & Zähigkeit Konstruktion maßgeschneiderter Bauteile aber: anisotrope elastische Eigenschaften Schallfeldverzerrung Schallfeldablenkung ( beam skewing ) Cassidian Air Systems, Manching, Germany Praktisches Beispiel einer modernen CFK-Struktur bei Cassidian Air Systems Modelle und Simulationen zur Prüfoptimierung erforderlich 8

9 9 Modellierung und Simulation Einige Grundlagen und Validierung der Verfahren

10 Grundgleichungen der linearen Elastodynamik Newtonsche Bewegungsgleichung Hookesches Gesetz Konzept der effektiven Medien Wellenlänge größer als die mikrostrukturellen Dimensionen, hier der Kohlefaserdurchmesser CFK als makroskopisch homogenes Material mit effektiven elastischen Konstanten 10

11 Berechnung des Prüfkopf-Schallfeldes Gruppengeschwindigkeit in mm/µs = 0º, = 0º 8.0 aus: Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall, (Springer, Berlin) 0 Elementarwellen - anisotrop Integralgleichung zur Schallfeldberechnung Skewing-Winkel = 0º, = 0º 60 0 Generalisierte Punktquellensynthese

12 Prüfkopf-Schallfeld in CFK Fasern zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 12

13 Prüfkopf-Schallfeld in CFK Fasern zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 13

14 Prüfkopf-Schallfeld in CFK Fasern zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 14

15 Prüfkopf-Schallfeld in CFK Fasern zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 15

16 Prüfkopf-Schallfeld in CFK Fasern zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 16

17 Prüfkopf-Schallfeld Fasern unter 75 zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 17

18 Prüfkopf-Schallfeld Fasern unter 75 zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 18

19 Prüfkopf-Schallfeld Fasern unter 75 zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 19

20 Prüfkopf-Schallfeld Fasern unter 75 zur Oberfläche (MSW-QC 2.25 MHz, Ø 6.3 mm) 20

21 Validierung der Schallfeldberechnung Sender z Amplitude [w.e.] 100 y Scanlinie Faserorientierung 90º 50 Empfänger Senkrechtprüfkopf 2,25 MHz, Ø 6,3 mm y x 75º 45 GPSS-Simulation Experiment *Spies & Walte, Review of Progress in QNDE 14A, (1995)

22 Effekt der Schallschwächung durch Viskoelastizität Transiente Modellierung unidirektionales CFK viskoelastische Parameter aus: Hosten et al., JASA, 82, pp.1763 (1987) Prüfkopf GE-Tech. MSW- QC (6.3 mm, 2.25 MHz) 50 % Bandbreite Simulation der Wellenausbreitung => Dispersion => Amplitude & Frequenz ohne Schwächung mit Schwächung 22

23 Effekt der Schallschwächung durch Viskoelastizität Berechnete Spektren ohne Schwächung mit Schwächung 23

24 Simulation der Fehlerprüfung Halb-analytisches Berechnungsverfahren, analog zur Schallfeldberechnung Berücksichtigung der jeweiligen Wellenphänomene Integralgleichung zur Fehlersignalberechnung (Kirchhoffsche Näherung) 24

25 Validierung Dicke CFK-Probe mit Modellfehlern 25

26 ca. 50 mm CT-Abbildung der CFK-Probe mit Modellfehlern ca. 200 mm 26

27 SAFT-Abbildung der CFK-Probe mit Modellfehlern 27

28 Validierung des Modellierungsverfahrens 5 mm Flachbodenbohrung Amplitudenortskurve Probe No. 1 - Fasern unter 15 Probe No. 2 - Fasern unter 75 28

29 Inspektion von CFK mit geneigten Oberflächen Praktisches Beispiel einer modernen CFK-Struktur bei Cassidian Air Systems 29

30 Schwächung des Rückwandsignals aufgrund der Neigung Cassidian Air Systems, Manching 30

31 Bauteilgeometrie - Beispiel Cassidian Air Systems, Manching 31

32 Vorlaufkörper zur Anpassung der Einschallrichtung Problem: Richtungsabhängige Schallgeschwindigkeiten Cassidian Air Systems, Manching 32

33 Bestimmung des optimalen Keilwinkels Modellierungsschritte auf Fehler/Rückwand auftreffendes Schallfeld = Schallfeld des Prüfkopfs mit Vorlaufkörper 1 gestreutes Wellenfeld mittels Kirchhoffscher Näherung 2 im Impuls-Echo-Betrieb empfangenes Fehler-/Rückwandsignal mittels Auldschem Reziprozitätstheorem Berechnung unter Berücksichtigung der anisotropen elastischen Materialeigenschaften 33

34 Reflexions- und Transmissionskoeffizienten Vorlaufkeil (isotrop) Stahl (isotrop) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s 1. kritischer Winkel 2. kritischer Winkel Stahl V long = 5900 m/s V trans = 3200 m/s 34

35 Reflexions- und Transmissionskoeffizienten Vorlaufkeil (isotrop) CFK (anisotrop) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s 1. kritischer Winkel CFK ( Fasern) V long = 3072 m/s V trans = 1458 m/s 35

36 Reflexions- und Transmissionskoeffizienten Vorlaufkeil (isotrop) CFK (anisotrop) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s 1. kritischer Winkel CFK ( Fasern) V long = 8856 m/s V trans = 2016 m/s 36

37 Reflexions- und Transmissionskoeffizient Vorlaufkeil (isotrop) CFK (anisotrop) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s Keilwinkel 5 CFK ( Fasern) V long = 3072 m/s V trans = 1458 m/s 37

38 Variable Geometrie und Einschallparameter Keilwinkel 1 Einschallwinkel 2 Faserwinkel Neigungswinkel der Rückwand 38

39 Verwendete Inspektionsparameter Faserwinkel = 0 Prüfkopf 5 MHz, ¼ Variation des Keilwinkels von -10 bis mm Einschallwinkel 2 9 mm Reflektor: 5 mm FBH Neigung der Rückwand = 12 Scanlänge 30 mm 39

40 Berechnete Amplitudenortskurve als Funktion des Keilwinkels Frequenz 4 MHz Maximalamplitude bei 1 = 6 40

41 Berechnete Schallfelder Keilwinkel 0 und 6 Frequenz 4 MHz 1 = 0 1 = 6 41

42 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen von Cassidian Air Systems Schalllaufzeiten Cassidian Air Systems, Manching, Germany 42

43 16 Element-Linear-Array Elementabstand 0.6 mm, Schnittbreite 0.1 mm aktive Fläche 9.5 mm x 6 mm, Frequenz 4 MHz Schwenkwinkel 17 - Apertureinfluss unfokussiert Fokustiefe 12 mm 43

44 Fazit Ultraschallprüfung von komplexeren CFK-Bauteilen schwierig Komplexe Wellenausbreitungsphänomene Modellierung und Simulation helfen beim Verständnis und bei der Optimierung der Prüfkonfiguration Unterschiede zwischen den Simulationsvorhersagen und den experimentellen Ergebnissen bedingt durch: unbekannte elastische Konstanten der untersuchten Bauteile unbekannte spektrale Charakteristiken der Empfangssignale monchromatische anstelle von breitbandigen Berechnungen Einsatz von Phased-Arrays erfordert Simulation 44