Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung anisotroper, inhomogener und/oder schallschwächender Werkstoffe

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung anisotroper, inhomogener und/oder schallschwächender Werkstoffe"

Jürgen Messner
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Seminar des FA Ultraschallprüfung Vortrag 12 Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung anisotroper, inhomogener und/oder schallschwächender Werkstoffe Martin SPIES 1, Dascha DOBROVOLSKIJ 2, Sigrun HIRSEKORN 3 1 Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP Campus E3 1, Saarbrücken 2 Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken; gefördert im Rahmen des DGZfP-Stipendiaten-Programms 3 Rehbachstraße 126, Saarbrücken Kurzfassung Faser- und partikelverstärkte Verbundmaterialien, Gusswerkstoffe und Werkstoffe mit Schweißverbindungen zählen aufgrund ihrer für den Ultraschall ungünstigen Eigenschaften zu den schwerprüfbaren Werkstoffen. Die Streuung elastischer Wellen an Korn- und/oder Phasengrenzen in Guss- und grobkörnigen polykristallinen Werkstoffen führt zu einer mitunter beträchtlichen Schallschwächung und damit zu einem geringen Nutzsignal bei der Ultraschallprüfung. In kohlefaserverstärkten Kunststoffen wirkt sich neben der Streuung an den Fasern und der durch die Faserorientierung bedingten Anisotropie auch die Viskoelastizität der Epoxidharzmatrix nachteilig aus. Durch die Simulation auf der Basis physikalischer Modelle gelingt es, diese Effekte quantitativ zu erfassen. Dies erlaubt, konventionelle Prüfverfahren zu optimieren, aber auch neue Ansätze zu entwickeln. In diesem Beitrag berichten wir über halb-analytische Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung, deren Funktionalitäten durch die Einbindung neuer theoretischer Grundlagen und die Verwendung mathematischer Modelle zur Mikrostrukturbeschreibung geeignet erweitert werden können. Lizenz: 1

2 Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung anisotroper, inhomogener und/oder schallschwächender Werkstoffe Seminar des FA Ultraschallprüfung Saarbrücken, November 2015 Martin Spies 1, Dascha Dobrovolskij 1,2 Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Campus E3 1, Saarbrücken Sigrun Hirsekorn Saarbrücken 1 Teile der vorgestellten Ergebnisse entstanden am Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern 2 gefördert im Rahmens des DGZfP-Stipendiaten-Programms Simulationsverfahren für die Ultraschallprüfung anisotroper, inhomogener und/oder schallschwächender Werkstoffe Werkstoffe klassisch Stähle (Ferrit, Austenit) Gusswerkstoffe Werkstoffe modern Faserverbundwerkstoffe faserverstärkte Betone Anisotropie transversal-isotrop, orthotrop, Schallschwächung Kornstruktur, Viskoelastizität Simulationsverfahren und Anwendungen Ausblick 2

Anisotropie - Faserverbundwerkstoffe Vielfältiger Einsatz von anisotropen Leichtbauwerkstoffen CFK und GFK BMW i3 (Quelle: www.bmw.

und Raumfahrt Windenergieanlagen aber: komplexe Materialeigenschaften Herausforderungen an die Prüftechnik Fehlerprüfung und bewertung

3 Anisotropie - Faserverbundwerkstoffe Vielfältiger Einsatz von anisotropen Leichtbauwerkstoffen CFK und GFK BMW i3 (Quelle: leichtgewichtige Strukturen hohe Festigkeit & Zähigkeit Konstruktion maßgeschneiderter Bauteile zum Beispiel in: Automobilbau Luft- und Raumfahrt Windenergieanlagen aber: komplexe Materialeigenschaften Herausforderungen an die Prüftechnik Fehlerprüfung und bewertung mittels Ultraschall schwierig Analogien zur Prüfung konventioneller, isotroper Materialien erwünscht Fahrzeugunterboden (Quelle: Röchling Automotive) 3

4 Unterschiede zur UT an isotropen Materialien Zwei Beispiele Transmissionskoeffizienten bei Winkeleinschallung 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 4

5 Transmissionskoeffizienten bei Winkeleinschallung Vorlaufkeil (isotrop) CFK (anisotrop, unidirektional) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s 1. kritischer Winkel CFK ( Fasern) V long = 3072 m/s V trans = 1458 m/s Transmissionskoeffizienten bei Winkeleinschallung Vorlaufkeil (isotrop) CFK (anisotrop, unidirektional) Vorlaufkeil V long = 2319 m/s 1. kritischer Winkel CFK ( Fasern) V long = 8856 m/s V trans = 2016 m/s 5

6 Grundlagen Ultraschallsimulation für anisotrope Werkstoffe 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 6

Elastische Konstanten orthotrope Anisotropie OT H C ( aa, ) = 1324 1342 (C - 2C ) II + C [( II) + ( II) ] 33 44 44 + + + + + + [C 11 + C 33-2(C 13 + 2C 55 )] aaaa [C + C - 2(C + 2C )] 22 33 23 44

7 Elastische Konstanten orthotrope Anisotropie OT H C ( aa, ) = (C - 2C ) II + C [( II) + ( II) ] [C 11 + C 33-2(C C 55 )] aaaa [C + C - 2(C + 2C )] aaaa (C + 2C - C ) ( Iaa + aai) H H H H H H H H (C + 2C - C ) ( I aa + aai) (C - C ) [( Iaa) + ( aai) + ( Iaa) + ( aai) ] (C - C ) ( aa H aa H + a H aa H a + aa H a H a + a H aaa H ) a,a H Einheitsvektoren in Symmetrierichtungen Elementarwellen im anisotropen Medium [0 3 /90] geschichtetes Komposit C11 C 22 C33 = 94.0 GPa = 13.0 GPa = 34.0 GPa C 44 C55 C 66 C 12 C 23 = = = = = 3.6 GPa 7.2 GPa 4.2 GPa 7.4 GPa 8.2 GPa C = 9.1 GPa 13 Gruppengeschwindigkeit in mm/μs = 0º, = 0º Skewing-Winkel = 0º, = 0º 60 0 qp qs1 qs2-60 7

Generalisierte Punktquellensynthese GPSS Quelle: Krautkrämer & Krautkrämer Werkstoffprüfung mit

8 Elementarwellen in anisotropen Medien - gemessen from: J.P. Wolfe Imaging Phonons (Cambridge University Press, 1998) Validiertes Simulationsverfahren Generalisierte Punktquellensynthese GPSS Quelle: Krautkrämer & Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall, (Springer, Berlin) Integralgleichung zur Schallfeldberechnung Integralgleichung zur Reflektorsignalberechnung (Kirchhoff-Näherung) 8

Validierung der Schallfeldberechnung Sender z Scanlinie

0-60 100 45 50 GPSS-Simulation Experiment 0-60 Quelle:

9 Validierung der Schallfeldberechnung Sender z Scanlinie Amplitude [w.e.] 100 Faserorientierung 90º 50 y Empfänger Senkrechtprüfkopf 2,25 MHz, Ø 6,3 mm y x º GPSS-Simulation Experiment 0-60 Quelle: Spies & Walte, Review of Progress in QNDE 14A, (1995) Implementierung in MATLAB Beispiel 1 9

10 Implementierung in MATLAB Beispiel 2 Implementierung in MATLAB Beispiel 3 10

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.

11 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 Effekt der Schallschwächung durch Viskoelastizität berechnete Spektren ohne Schwächung mit Schwächung 11

CuNiAl Gefügeinhomogenität, abhängig von der Bauteildicke Schallschwächung => geringes Signal-Rausch-Verhältnis

12 Stark schallschwächende Werkstoffe Ultraschallstreuung Hintergrund Beispiel Bronzeguss-Komponenten komplexe Formen: Vielzahl von Krümmungen, abhängig vom Bauteiltyp Schalleigenschaften des Propeller-Materials Grobkörnigkeit bei CuNiAl Gefügeinhomogenität, abhängig von der Bauteildicke Schallschwächung => geringes Signal-Rausch-Verhältnis Variierende Zuverlässigkeit der Prüfverfahren viele Einflussparameter Notwendigkeit für validierte Simulationsverfahren 12

Simulation der Ultraschallausbreitung Methode: Generalisierte

Field Simulation Tool in MATLAB Materialien derzeit homogen (transversal)

Lösung der elastodynamischen Bewegungsgleichung Herleitung mittels

Energieflußdichten Streuwellen-Amplituden richtungsabhängig

13 Simulation der Ultraschallausbreitung Methode: Generalisierte Punktquellensysnthese (GPSS) auch für Fehlerwechselwirkung anwendbar Beam Field Simulation Tool in MATLAB Materialien derzeit homogen (transversal) isotrop Huygenssches Prinzip GUI Beam Field Simulation Tool Streutheorie Lösung der elastodynamischen Bewegungsgleichung Herleitung mittels unendlicher Born-Reihe Auswertung für einphasige Polykristalle Energieflußdichten Streuwellen-Amplituden richtungsabhängig Korngrößen-abhängig abhängig von den elastischen Konstanten Polycrystalline material (VT22) Modell für die auslaufenden Streuwellen 13

Studie mit simulierten Kugelpackungen steigende Kugelanzahl (von 100 bis 30 000) unterschiedliche Kugeldurchmesser

14 Anwendung eines geometrischen Mikrostruktur-Modells Modell basiert auf einem Force-Biased Algorithmus irreguläre, dichte Packung von festen Kugeln Input-Parameter: Kugelradius, Anzahl der Kugeln Realisierungsraum: Einheitswürfel Untersuchung der Rückstreuung Studie mit simulierten Kugelpackungen steigende Kugelanzahl (von 100 bis ) unterschiedliche Kugeldurchmesser Energiefluß-Koeffizient pro Kugel Richtwirkung abhängig von der Wellenausbreitung 250 Kugeln (Radius ~ 3.8 mm) 1000 Kugeln (Radius ~ 2.5 mm) 14

Untersuchung der Rückstreuung Rückstreukoeffizienten größer

Rückstreukoeffizienten für 250 Kugeln (Radius ~ 3.

5 mm) für senkrecht eingeschallte Long-Welle (2.

Energiefluß für die Rückstreuung Schwarz kennzeichnet den

15 Untersuchung der Rückstreuung Rückstreukoeffizienten größer für steigende Korngrößen abhängig von der Wellenart Berechnete Rückstreukoeffizienten für 250 Kugeln (Radius ~ 3.8 mm) und 1000 Kugeln (Radius ~ 2.5 mm) für senkrecht eingeschallte Long-Welle (2.25 MHz, Prüfkopfposition in rot gekennzeichnet). Energiefluß für die Rückstreuung Schwarz kennzeichnet den höchsten Energieverlust Energieverlust durch Rückstreuung für 250 Kugeln und 1000 Kugeln für senkrecht eingeschallte Long-Welle (2.25 MHz). 15

Ausblick Verfeinerung des Modells Laguerre-Delaunay-Tessellation als Modell für polykristalline Kornstruktur Zellen werden aus der Kugelpackung generiert

Materialparameter (elastische Konstanten, Faserrichtung, etc.) Berechnung der Gruppengeschwindigkeiten, Richtwirkungen, etc.

16 Ausblick Verfeinerung des Modells Laguerre-Delaunay-Tessellation als Modell für polykristalline Kornstruktur Zellen werden aus der Kugelpackung generiert Log-Normal-Verteilung der Radien (-> Literatur) 500 Zellen Zellen Zusammenfassung und Ausblick Simulationsverfahren validiert; Eingangsgrößen: Materialparameter (elastische Konstanten, Faserrichtung, etc.) Berechnung der Gruppengeschwindigkeiten, Richtwirkungen, etc. Einflüsse von: Materialinhomogenität, Schallschwächung, Einsatz entsprechender Modelle und Simulationsverfahren weitere Arbeiten im Gange Rückfragen/Interesse? => 16

Ähnliche Dokumente

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

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