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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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 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 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 6
Volume- data
Animations
Signal Analysis
Imaging
Phased Array
Echo Technique
SHM Signal-processing
Kombination von bildgebender US-Technik und SHM
Air-coupledultrasonics
Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
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.
Leitprojekt CFK Rumpf NG 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 9
Testkörper: Stringerversteiftes CFK-Panel85
0
605
180
34
33172,
2
Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
Ultraschallprüftechnik: C-Bilder des CFK-Panels
Zwischenecho Rückwandecho
Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
Lamb-Wellen B-Bilder
Intakter Stringer
Partiell abgelöster Stringer
Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
Ergebnis: Detektion von Stringerablösungen
Beschreibung Schallweg Lamb-Wellen A-Bild Pegel
Schallweg über einen abgelösten Stringer
Schallweg über einen intakten Stringer
Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
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
Leitprojekt CFK Rumpf NG 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 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
Assembly1 mm skin15 mm Nomex honeycomb0.5 mm skinAdditional mash for lightning protection
Length: 3.49 mWidth: 0.57m
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Snap-Shots without and with 10J-Impact
Before impacting
After impacting with 10J
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Modenkonversion im Tailboom
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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
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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 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
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ForschungsteamSignalverarbeitungArtur SzewieczekTel.: 0531/[email protected]
Monomodale AktuatorenDaniel SchmidtTel.: 0531/[email protected]
UltraschallprüftechnikBernd FriederichsTel.: 0531/[email protected]
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit