Raddatz F. Lokalisierung der Interaktionsorte von Lambwellen in komplexen Faserverbundstrukturen: Diss. ... Dr.-Ing. / Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Braunschweig. - Köln: DLR, 2016. - XVI, 225, A46 S.: Ill. - Res. auch engl. - Literaturverz.: S.215-225. - (Forschungsbericht; 2016-56). - ISSN 1434-8454 Шифр: (Pr1120/N 2016-56) 02  Место хранения:   02 | Отделение ГПНТБ СО РАН | Новосибирск

Оглавление / Contents

Vorwort ......................................................... i Kurzfassung ................................................... iii Abstract ........................................................ v Inhaltsverzeichnis ............................................. vi Nomenklatur .................................................... xi 1 Einleitung ................................................. 1 2 Hypothesen und Struktur der Arbeit ......................... 5 3 Ausbreitung von Lambwellen ................................ 11 3.1 Darstellungsformen der Wellenausbreitung .................. 11 3.2 Grundlegende Prinzipien der Wellenausbreitung ............. 13 3.2.1 Huygenssches Prinzip ............................... 13 3.2.2 Fermatsches Prinzip ................................ 14 3.2.3 Snelluissches Brechungsgesetz ...................... 15 3.3 Mechanische Wellen in Festkörpern ......................... 15 3.4 Lambwellen in isotropen Medien ............................ 17 3.5 Lambwellen in anisotropen Medien .......................... 21 3.6 Interaktionen von Lambwellen .............................. 22 4 Strukturüberwachung und zerstörungsfreie Prüfung mit Lambwellen ............................................ 27 4.1 Anregung und Detektion von Lambwellen ..................... 27 4.2 Methoden zur Schadensdetektion ............................ 31 4.2.1 Subtrahierende Verfahren, Baseline-Vergleich ....... 31 4.2.2 Hauptkomponentenanalyse ............................ 32 4.2.3 Zeit-Frequenz-Analyse / Wavelet-Transformation ..... 32 4.2.4 Time-Reversal-Methoden ............................. 33 4.3 Methoden zur Schadenslokalisierung ........................ 34 4.3.1 Visuelle Auswertung hochaufgelöster Wellenfelder ....................................... 34 4.3.2 Triangulationsverfahren ............................ 35 4.3.3 Rekonstruktion per zeitlich verschobener Summierung ......................................... 36 4.4 Regelwerke ........................................... 37 5 3D-Erfassung von Lambwellen-Feldern ....................... 39 5.1 Anforderungen an ein Messsystem zur hochaufgelösten Erfassung von Lamb-wellen ................................. 39 5.2 Aufbau der Messplattform .................................. 42 5.3 Anwendung als 3D-Vibrometer ............................... 45 5.4 Modentrennung mit 3D-Messdaten ............................ 50 5.5 Experimentelle Validierung der 3D-Erfassung ............... 52 6 Signalverarbeitung und -bereitstellung für die Rekonstruktion ............................................ 63 6.1 Wahl des Anregungssignals ................................. 63 6.2 Filterung von Messdaten ................................... 67 6.3 Puls-Kompression durch Matching Pursuit-Algorithmus ....... 69 6.4 Modentrennung mit 1 D-Messdaten ........................... 88 6.5 Vereinfachte Pulskompression .............................. 89 7 Prinzip der laufzeitbasierten Rekonstruktion .............. 91 7.1 Abgrenzung und Analogien zu anderen Lokalisierungsverfahren ................................... 91 7.1.1 Rekonstruktionsverfahren in der konventionellen Ultraschallprüfung ................................. 92 7.1.2 Rekonstruktionsverfahren für Lambwellen ............ 93 7.1.3 Analogien in der Datenerfassung .................... 94 7.2 Grundlegende Struktur der Rekonstruktion .................. 95 7.3 Eingangssignale für die Rekonstruktion .............. 100 7.4 Experimentelle Validierung des Rekonstruktionsansatzes ... 105 7.5 Beobachtbarkeit von Interaktionsorten .................... 116 7.6 Rekonstruktion mit Transmissions- und Reflexionssignalen ....................................... 122 7.7 Ausprägung von Artefakten ................................ 127 7.8 Rekonstruktion mit variabler Gitterweite ................. 129 7.9 Rekonstruktion mit modengetrennten-Signalen .............. 131 7.10 Zusammenfassung .......................................... 134 8 Berechnung von Schalllaufzeiten in komplexen Strukturen .. 135 8.1 Anforderungen an die Laufzeitberechnung .................. 135 8.2 Algorithmen zur Laufzeitberechnung ....................... 137 8.2.1 Raytracing ........................................ 138 8.2.2 Dijkstra-Algorithmus .............................. 139 8.2.3 Pfadberechnung in segmentierten Gebieten .......... 140 8.2.4 Bellman-Ford-Algorithmus .......................... 140 8.2.5 Floyd-Warshall Algorithmus ........................ 141 8.2.6 Front Propagation-Algorithmen ..................... 141 8.3 Laufzeitberechnung von Lambwellen in komplexen Strukturen ............................................... 142 8.3.1 Diskretisierung des Ausbreitungsbereiches ......... 142 8.3.2 Vorbetrachtungen zum Algorithmus zur Laufzeitberechnung ................................ 146 8.3.3 Algorithmus zur Laufzeitberechnung ................ 148 8.4 Präzision der Laufzeitberechnung .................... 150 8.4.1 Art der Diskretisierung ........................... 150 8.4.2 Anisotrope Geschwindigkeitsverteilungen innerhalb der Elemente ............................ 157 8.5 Bestimmung schnellster Pfade in Laufzeitkarten ........... 160 8.6 Beispiele für Laufzeiten in komplexen Strukturen .... 161 8.7 Detaillierungsgrad von Strukturelementen ................. 166 8.8 Experimentelle Validierung ............................... 170 8.9 Bestimmung der Strukturabdeckung eines Sensornetzwerkes mit Laufzeitkarten ....................................... 186 9 Demonstration der Lokalisierung von Interaktionsorten in einer komplexen Struktur .............................. 191 10 Zusammenfassung und Ausblick ............................. 199 10.1 Zusammenfassung .......................................... 199 10.2 Ausblick ................................................. 200 Abbildungsverzeichnis ......................................... 203 Tabellenverzeichnis ........................................... 213 Literaturverzeichnis .......................................... 215 A Anhang ...................................................... А1 А.1 Momentaufnahme einer hochaufgelösten Vibrometriemessung ........................................ AI A.2 Materialkennwerte ......................................... AI A.3 Proben .................................................... А2 А.3.1 Aluminiumplatte mit 025 mm Aktuator ................ А2 А.3.2 Positionen des Punktkontaktwandlers auf Aluminiumplatte mit Piezosensor .................... A3 A.3.3 Aluminiumplatte für Modentrennung mit 1D-Messdaten ....................................... A4 A.3.4 Aluminiumplatte mit Magnetenpaar ................... А5 А.3.5 Quasiisotrope CFK-Platte mit Wandlernetzwerk ...... А7 А.3.6 Aluminiumplatte mit Aussparung ..................... А9 A.3.7 CFK-Platten 880 mm × 580 mm ....................... А10 A.4 Teilrekonstruktionen mit Punktkontaktwandler ............. А13 A.5 Rekonstruktionsergebnisse mit vollständiger Farbskala ................................................ А17 А.6 Bestimmung von Geschwindigkeiten aus B-Bild durch Korrelation mit Referenz-B-Bild .......................... А21 A.7 Geschwindigkeitsdiagramme für die CFK-Probeplatten CFK01, CFK02, CFK03, CFK04 und CFK10 ..................... А22 А.7.1 Aus Dispersionsdiagrammen ermittelte Geschwindigkeiten ................................. А22 А.7.2 Gegenüberstellung berechneter und gemessener Geschwindigkeiten für den A-Mode ....... А25 А.7.3 Gegenüberstellung berechneter und gemessener Geschwindigkeiten für den S-Mode ....... А27 A.8 Anmerkungen zu Effekten in der Amplitude ................. А29 A.9 Laufzeitkarten ........................................... A31 A.10 Bildung kumulierter Momentaufnahmen ...................... А33 A.ll Laufzeitabweichungen bei Abstrahierung von Rampen durch einen Sprung ............................................. А34 А.12 Laufzeitabweichungen bei Abstrahierung von Rampen durch mittlere Geschwindigkeit ................................. A41 A.13 Gitter zur Laufzeitberechnung in der Platte CFK09 ........ А44 А.14 Maximale out-of-plane-Geschwindigkeit in der Platte CFK09 .................................................... А45