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Simulation of lamb wave propagation and interaction with defects using commercially available software

Travaglini, Christophe (2015). Simulation of lamb wave propagation and interaction with defects using commercially available software. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Structural Health Monitoring (SHM) consists of the continuous process of damage detection in an engineering component using built-in transducers and any resultant intervention to preserve structural integrity. It is a multidisciplinary field in terms of the technology involved as well as the diverse applications. Good SHM systems are considered those that combine a high sensitivity to defects and a low density of sensors.

Ultrasonic guided waves have the ability to propagate long distances with minimal attenuation making them particularly interesting in SHM applications. Using the baseline subtraction approach, the signal from a defect free structure is compared to the actual monitoring signal in order to detect and characterize defects.

There are many scientific publications on low frequency guided waves for SHM purposes and the interaction between guided wave fundamental modes and defects is also well documented. There are, however, a very limited number of studies on high order modes. High frequency guided waves may enable the detection of smaller cracks relative to conventional low frequency guided waves systems. The main difficulty at high frequency is the co-existence of several modes with different velocities.

This study investigates the advantages of high frequency guided waves relative to low frequency to detect cracks at their initiation. Thus the scattering around a through-thickness hole is studied with a view to develop a highly sensitive SHM method.

2D and 3D finite element models of a 305 mm × 305 mm × 1.6 mm aluminum plate were used to determine the scattering of cracks on the circumference of a throughthickness hole in the middle of the plate. Crack properties such as orientation, length and depth were studied in order to characterize the crack using the received signals. A subset of the finite element simulations was validated against experimental results. The experimental setup comprised a classic contact piezoelectric transducer bonded on the side of the plate and a laser Doppler vibrometer for the detection. Input signals centered at 100 kHz and 4 MHz were used in simulations and experiments for low and high frequency studies respectively.

Titre traduit

Simulation de la propagation des ondes de lamb et de leurs intéractions avec des défauts en utilisant des logiciels commerciaux

Résumé traduit

La surveillance de l’intégrité structurale consiste en un processus de détection de dommages en continu dans une structure d’ingénierie en utilisant des transducteurs intégrés et les prises de décision résultantes pour la sauvegarder. Un tel système est performant s’il a une bonne sensibilité aux défauts tout en limitant la densité des transducteurs.

Les ondes guidées ultrasonores peuvent se propager sur de longues distances avec une atténuation minimale, cela les rend particulièrement attrayantes pour le contrôle de l’intégrité structurale. Communément, les défauts sont détectés et localisés en soustrayant un signal de base au signal de contrôle.

Les ondes guidées ultrasonores basses fréquences pour les systèmes de surveillance de l’intégrité structurale et les interactions entre les modes de Lamb fondamentaux et des défauts sont des sujets bien documentés dans la littérature scientifique. Cependant il y a un nombre limité d’études sur les modes d’ordres élevés ou à hautes fréquences. Ils pourraient permettre l’abaissement de la limite de détection des systèmes de surveillance structurale par rapport aux systèmes à basses fréquences. Cependant à hautes fréquences, plusieurs modes se propagent et se superposent, ce phénomène et l’atténuation constituent les principales difficultés rencontrées avec ces ondes guidées.

Cette étude examine les avantages des ondes guidées hautes fréquences par rapport aux basses fréquences afin de développer un système de surveillance de l’état des structures à haute sensibilité. La structure étudiée est une plaque d’aluminium de dimensions 305 mmx 305 mm x 1.6 mm avec un trou en son centre.

La structure étudiée a été modélisée par éléments finis pour déterminer le champ d’ondes réémises par une fissure sur la circonférence du trou. L’effet de la fissure sur les signaux est étudié par la variation de paramètres tels que son orientation, sa longueur et sa profondeur. Une partie des simulations a été validée par des expériences. Le protocole expérimental comprenait un transducteur piézoélectrique collé sur la tranche de la plaque et un vibromètre laser pour la détection. Des excitations à 100kHz et à 4MHz ont été utilisées pour les basses et hautes fréquences respectivement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in aerospace engineering". Bibliographie : pages 71-74.
Mots-clés libres: Détection de défaut (Ingénierie) Essais par ultrasons. Ondes de Lamb Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Surveillance de l'état des structures. ultrasons, ondes guidées, intégrité structurale, hautes fréquences
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bélanger, Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Viens, Martin
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 21 sept. 2016 20:09
Dernière modification: 21 déc. 2016 16:38
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1576

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