A Structural Health Monitoring Concept on Ultrasonic Based Assessment of Aged Structures with Isotropic and Anisotropic Material Properties

Abstract

Ultrasound is a technique widely applied in classical NDT where a lot of progress has been made in terms of signal processing, resolution, visualisation, and possibly more. With the introduction of the phased array technique, advanced computation and sensor signal processing also the characterisation of anisotropic materials has been facilitated. In par-allel SHM has emerged as a field of research very much looking into the automation of NDT in view of taking enhanced advantage of an engineering structure’s damage toler-ance and hence light weight potential. Ultrasonic guided waves are a field very much explored currently within the context of SHM and as such it is worth to determine what of the guided wave related techniques developed in NDT may be inheritable for SHM applications. Reverse Phase Matching (RPM) referred to anisotropic material properties and ray tracing are an interesting combination to be pursued in terms of finding an opti-mum sensor configuration for SHM through numerical simulation based on FEM, allowing to take better advantage of a polymer based composite materials potential such as CFRP by taking advantage of those materials’ inherent non-linear responses. The approach to be taken is illustrated with respect to an example, explaining on how to assess an ageing CFRP component in terms of its damage condition and an SHM system to be configured in the end. Finally a systematic is presented on how knowledge generated in NDT can be linked into a ‘SHM-toolbox’ to be used for the advancement of SHM systems to be de-veloped in the longer term.

Ultraschall ist eine in der klassischen zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) weit verbreitete Technik, bei der vielfältig Fortschritte hinsichtlich Signalverarbeitung, Auflösungsvermö-gen, Visualisierung und vermutlich weiterer Dinge erzielt wurden. Mit der Einführung des Phased Array sowie fortgeschrittener Rechner- und Signalverarbeitungstechnik ist auch die Charakterisierung anisotroper Werkstoffe erleichtert worden. Parallel dazu hat sich das Gebiet der Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring (SHM)) als For-schungsfeld entwickelt, dies im Hinblick auf die Automatisierung der ZfP und der erwei-terten Nutzung des Potenzials der Schadenstoleranz bzw. des Leichtbaus von Bauteilen. Geführte Wellen auf der Basis des Ultraschalls sind im Bereich des SHM ein derzeit breit untersuchtes Forschungsfeld und es ist somit wert zu ermitteln, inwieweit sich auf ge-führte Wellen beziehende Techniken aus der ZfP auf SHM-Anwendungen übertragen werden können. Reverse Phase Matching (RPM) in Verbindung mit anisotropen Werk-stoffeigenschaften und Ray Tracing sind eine in diesem Sinne interessante, sich fügende und verfolgungswerte Kombination, um möglicherweise über die Betrachtung inhärenter nicht-linearer Werkstoffantworten auf der Basis einer numerischen Simulation (FEM) ein optimales Sensornetzwerk für SHM zu bestimmen, womit das Potenzial eines Faserver-bundwerkstoffs wie CFK besser genutzt werden kann. Ein hierzu gewählter Ansatz wird am Beispiel einer gealterten CFK-Struktur im Hinblick auf deren Schädigungszustand er-läutert, für den dann diesbezüglich am Ende ein SHM-System konfiguriert werden kann. Abschließend wird eine Systematik vorgestellt, über die in der ZfP generiertes Wissen mit einem ‘SHM-Werkzeugkasten’ so verknüpft wird, dass längerfristig eine Weiterentwick-lung von SHM-Systemen ermöglicht wird.