Development and implementation of an alternative method for complete characterization of surface-breaking cracks using ultrasonic Rayleigh waves

Verma, Bhupesh (2024). Development and implementation of an alternative method for complete characterization of surface-breaking cracks using ultrasonic Rayleigh waves. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis focuses on developing a new method for characterizing surface cracks using Rayleigh waves, providing an alternative to current nondestructive testing (NDT) approaches. Surface cracks are common in many industries, and traditional methods like eddy current testing (ECT) for crack sizing have drawbacks, requiring a complex calibration and highly trained inspectors. ECT also faces challenges in large-area inspections, demanding additional scanning arrangements and having limited penetration depth, affecting detection range. Recent research interest has grown in the wedge technique-based Rayleigh wave crack sizing method due to its unidirectional excitability and capacity to scan large areas with few probe locations. However, challenges arise as Rayleigh wave features generated at crack tips are often weak and masked by noise and they mostly attenuate before reaching the receiving probe due to the couplant at the wedge-test specimen interface. Consequently, sizing the crack depth is difficult using a pulse-echo setup. Moreover, the flexibility to generate Rayleigh waves on different waveguides using the same wedge is limited, as the wedge angle depends on the Rayleigh wave wavelength. This thesis addresses these issues by introducing an alternative Rayleigh wave excitation method using a conventional phased array transducer, offering capabilities similar to the wedge technique but overcoming its limitations. This new method is then extended to innovate a surface crack sizing approach based on a specific mode-converted Rayleigh wave originating from the crack tip, relying solely on time-of-flight (TOF) information. Moreover, a novel method is introduced for acquiring Rayleigh wave full matrix capture (FMC), which is then utilized with the total focusing method (TFM) imaging algorithm to generate images of surface cracks. This comprehensive approach allows for the complete characterization of surface cracks, including length and depth estimation in a single measurement—a capability lacking in existing NDT methods. The performance of the proposed methods is demonstrated through finite element simulations and experiments. The findings of this thesis demonstrate accurate sizing of the crack length and depth within a 5% error margin. In conclusion, the study suggests that the presented surface crack characterization method has the potential to be a suitable alternative to current NDT methods.

Titre traduit

Développement et mise en oeuvre d’une méthode alternative pour la caractérisation complète des fissures de surface en utilisant les ondes ultrasonores de Rayleigh

Résumé traduit

Cette thèse se concentre sur le développement d’une nouvelle méthode pour caractériser les fissures de surface en utilisant des ondes de Rayleigh, offrant une alternative aux approches actuelles de contrôle non destructifs (CND). Les fissures de surface sont courantes dans de nombreuses industries, et les méthodes traditionnelles telles que le contrôle par courants de Foucault (CCF) présentent des inconvénients, nécessitant un étalonnage complexe et des inspecteurs hautement qualifiés. Le CCF rencontre également des défis dans les inspections de grandes surfaces, exigeant de nombreux balayages et ayant une profondeur de pénétration limitée, affectant la plage de détection. Un intérêt de recherche récent s’est développé autour de la méthode de dimensionnement des fissures avec les ondes de Rayleigh excitées avec un sabot en raison de son excitabilité unidirectionnelle et de sa capacite a balayer de grandes surfaces avec quelques emplacements de sonde. Cependant, des défis surviennent car les caractéristiques d’ondes de Rayleigh générées par les extrémités de fissure sont souvent faibles et masquées par le bruit et elles s’atténuent souvent avant d’atteindre la sonde réceptrice en raison du couplant a l’interface entre le sabot et la pièce. Par conséquent, dimensionner la profondeur de fissures est difficile en utilisant une configuration d’écho-impulsion si un sabot est utilisé. De plus, la flexibilité pour générer des ondes de Rayleigh sur différents guides d’ondes en utilisant le même sabot est limitée, car l’angle du sabot dépend de la longueur d’onde des ondes de Rayleigh. Cette thèse aborde ces problèmes en introduisant une méthode alternative d’excitation des ondes de Rayleigh en utilisant un transducteur multiélément conventionnel, offrant des capacités similaires a la technique de sabot mais surmontant ses limitations. Cette nouvelle méthode est ensuite étendue pour innover une approche de dimensionnement des fissures de surface basée sur un mode spécifique d’onde de Rayleigh converti provenant de la pointe d’une fissure, reposant uniquement sur les informations de temps de vol (TOF). De plus, une nouvelle méthode est introduite pour acquérir la capture complète de la matrice des ondes de Rayleigh (FMC), qui est ensuite utilisée avec l’algorithme d’imagerie de la méthode de focalisation totale (TFM) pour générer des images de fissures de surface. Cette approche complète permet la caractérisation complète des fissures de surface, y compris l’estimation de la longueur et de la profondeur en une seule mesure, une capacite absente dans les méthodes de CND existantes. Les performances des méthodes proposées sont démontrées par des simulations par éléments finis et des expériences. Les résultats de cette étude montrent un dimensionnement précis de la longueur et de la profondeur de la fissure avec une marge d’erreur de 5%. En conclusion, la thèse suggère que la méthode de caractérisation des fissures de surface présentée a le potentiel d’être une alternative appropriée aux méthodes actuelles de CND.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 123-133).
Mots-clés libres:	imagerie des ondes de Rayleigh, réseau phasé, méthode d’excitation, dimensionnement des fissures de surface, FMC-TFM
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2024 13:41
Dernière modification:	24 juill. 2024 13:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3468

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