SHM mit Acousto Ultraschall zur Schadensdetektion in komplexen Strukturen

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1 SHM mit Acousto Ultraschall zur Schadensdetektion in komplexen Strukturen Wolfgang Hillger, Artur Szewieczek, Daniel Schmidt Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG Rilano Hotel Hamburg Leitprojekt CFK Rumpf NG

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Kombination von US-Technik mit SHM 3. Ergebnisse 4. Zusammenfassung 5. Ausblick Leitprojekt CFK Rumpf NG 2

3 Structural Health Monitoring (SHM) mit Lamb- Wellen Lamb- Wellen können über applizierte Piezoelemente gesendet und wieder empfangen werden Sie breiten sich über große Bereiche aus Interaktion mit Fehlstellen Kein zeitaufwendiges Abrastern erforderlich Prüfung komplexer Bauteile möglich Jedoch: 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 Ein PZT dient als Aktuator und sendet Lamb-Wellen, die mit benachbarten Sensoren empfangen werden Leitprojekt CFK Rumpf NG 3

4 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 4

5 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 5

6 Kombination von bildgebender US-Technik und SHM Echo Technique Signal Analysis SHM Volumedata Signalprocessing Animations Phased Array Air-coupled ultrasonics Imaging Leitprojekt CFK Rumpf NG 6

7 Aufnahme eines Lamb-Wellen Volumendatensatzes Anregung mit einem applizierten PZT Mäanderförmiges Abrastern (Raster typisch 2x2 mm) Aufnahme des Lamb- Wellensignals an jedem Rasterpunkt Wasser oder Luft als Koppelmittel Volumendatensatz (x-y-t) Größe typisch 2-40 Gbyte Scan-Dauer für 600*800 mm: ca. 30 bis 40 min. Leitprojekt CFK Rumpf NG 7

8 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 8

9 Testkörper: Stringerversteiftes CFK-Panel , Leitprojekt CFK Rumpf NG 9

10 Ultraschallprüftechnik: C-Bilder des CFK-Panels Zwischenecho Rückwandecho Leitprojekt CFK Rumpf NG 10

11 Lamb-Wellen B-Bilder Intakter Stringer Partiell abgelöster Stringer Leitprojekt CFK Rumpf NG 11

12 Ergebnis: Detektion von Stringerablösungen Beschreibung Schallweg Lamb-Wellen A-Bild Pegel Schallweg über einen intakten Stringer Schallweg über einen abgelösten Stringer Leitprojekt CFK Rumpf NG 12

13 Weiteres Ergebnis: Patentanmeldung Virtuelle Sensoren Idee: Die einzelnen Messpunkte des Wellenfeldes lassen sich zu virtuellen Sensoren zusammenfassen und das Empfangssignal berechnen. Optimierung von Sensorgeometrien und Positionierung Leitprojekt CFK Rumpf NG 13

14 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 14

15 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 Length: 3.49 m Width: 0.57m Assembly 1 mm skin 15 mm Nomex honeycomb 0.5 mm skin Additional mash for lightning protection Leitprojekt CFK Rumpf NG 15

16 Snap-Shots without and with 10J-Impact Before impacting After impacting with 10J Leitprojekt CFK Rumpf NG 16

17 Modenkonversion im Tailboom Leitprojekt CFK Rumpf NG 17

18 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 18

19 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 19

20 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 Leitprojekt CFK Rumpf NG 20

21 Forschungsteam Signalverarbeitung Artur Szewieczek Tel.: 0531/ Monomodale Aktuatoren Daniel Schmidt Tel.: 0531/ Ultraschallprüftechnik Bernd Friederichs Tel.: 0531/ Leitprojekt CFK Rumpf NG 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Leitprojekt CFK Rumpf NG 22

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