22442

شبيه سازي عددي انتشار امواج لمب براي تشخيص تورق در كامپوزيت هاي فلز-الياف (FML)

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي - مكانيك جامدات

1396

1399/3/31

دكتر محمود مهرداد شكريه

دكتر سياوش كاظمي راد

مكانيك

كاربرد امواج هدايت‌شونده در پايش سلامت سازه‌ها و تشخيص آسيب در آن‌ها بخصوص سازه‌هاي ورقي رو به گسترش است. علت اين امر، ميرايي كم و امكان استفاده در فركانس‌هاي بالا و در نتيجه قدرت تشخيص بالاي اين امواج هست. در ساليان اخير نيز روش‌هاي شناسايي آسيب مبتني بر مشخصه¬يابي خواص به محبوبيت بالايي بين محققان رسيده است. هدف از اين پژوهش شبيه سازي روش غير مخرب مبتني بر گسترش امواج لمب، جهت مشخصه يابي خواص الاستيك و تشخيص آسيب تورق در كامپوزيت‌هاي لايه اي فلز-الياف (FML) است. تورق به عنوان مهم ترين آسيب در كامپوزيت‌هاي فلز-الياف شناخته مي‌شود. در ابتدا در اين پژوهش به شبيه سازي عددي انتشار امواج لمب براي مشخصه يابي خواص مادي در كامپوزيت FML (آلومينيوم و الياف شيشه/اپوكسي) سالم با استفاده از روش اجزاي محدود (FEM) پرداخته شده است. مدل FEM شامل يك نمونه FML با لايه چيني [Al/90/Al/90/Al]، يك محرك و چند سنسور است. با استفاده از محرك، امواج لمب نامتقارن با فركانس هاي مختلف از 50 تا 400 كيلوهرتز بر روي نمونه پخش شد. سپس از سنسورها براي به دست آوردن ويژگي هاي موج از جمله فاز و دامنه در نقاط مختلف در امتداد جهت انتشار استفاده شد. سرعت موج لمب با استفاده از خصوصيات موج در نقاط مختلف اندازه گيري شد. سرانجام، با استفاده از سرعتهاي اندازه گيري شد و تئوري امواج لمب در سازه هاي ورقي، مدول الاستيك استخراج شده است و با نتايج آزمايشگاهي ارائه شده در مقاله هاي گذشته و ﺗﺌﻮري ﮐﺎﻣﭙﻮزﯾﺖ ﻻﯾﻪاي ﮐﻼﺳﯿﮏ (CLT) مقايسه شده است. مشاهده شد كه مقدار مدول الاستيك در فركانس هاي پايين دقت بهتري داشت اما در فركانس هاي بالا مقدار خطا زياد افزايش يافت. سپس به شبيه سازي عددي انتشار امواج لمب براي تشخيص آسيب تورق در كامپوزيت لايه اي فلز-الياف داراي آسيب تورق در لايه-هاي مختلف و با قطرهاي 10، 15، 20 و 25 ميلي متر پرداخته شده است. با استفاده از محرك يك بار امواج لمب نامتقارن با فركانس 70 كيلوهرتز و بار ديگر امواج لمب متقارن با فركانس 400 كيلوهرتز بر روي نمونه پخش شد. سپس با استفاده از سنسورها و به دست آوردن ويژگي-هاي موج، سرعت موج لمب اندازه گيري شد. در مود S_0 نسبت به A_0، تغييرات سرعت در ناحيه آسيب نسبت به ناحيه سالم بيشتر ديده شد. مي توان نتيجه گرفت مود S_0 نسبت به مود A_0، قدرت و حساسيت بيشتري براي تشخيص آسيب تورق در اين نوع كامپوزيت¬ها داشته و كارايي بالاتري براي اين منظور دارد. واژه‌هاي كليدي: كامپوزيت لايه اي فلز-الياف (FML)، ارزيابي غيرمخرب، سرعت موج لمب، مشخصه يابي مواد، تشخيص آسيب تورق.

1399/06/19

Computational Study for Delamination Detection in Fiber-Metal Laminates Using Lamb Wave Propagation

6/20/2020 12:00:00 AM

Application of guided waves in structural health monitoring and damage detection especially in sheet structures (known as Lamb waves), is steadily increasing. The reason for this is the low attenuation and applicability at high frequencies, resulting in high detection power of these waves. In recent years, damage detection methods based on the material characterization has been increasingly investigated by many researchers. The purpose of this study was to simulate a non-destructive evaluation method based on the propagation of Lamb waves for the characterization of elastic properties and the detection of delamination in fiber-metal laminates (FMLs). Delamination is known as the most important damage in FMLs among other damages. In this study, the computational characterization of FMLs using the Lamb wave propagation mathod through finite element method (FEM) simulations was conducted first. The developed FEM model consisted of an FML sample with [Al/90/Al/90/Al] layup, an actuator and several sensors. Antisymmetric Lamb waves with different frequencies ranging from 50 to 400 kHz were propagated on the sample using the actuator. The sensors were then used to obtain the induced wave characteristics, including the displacement phase and amplitude at different locations along the propagation direction. The Lamb wave velocity was obtained using the measured wave characteristics. Then the corresponding inverse Lamb wave propagation problem was solved and the elastic modulus of the FML sample was estimated. The measured elastic modulus values were compared with the results reported in an experimental prior research work and obtained using the classical lamination theory (CLT). It was observed that the estimated elastic modulus was more accurate at low frequencies with an error smaller than 7%, whearas the error increased at high frequencies. Afterwards, the computational study for the detection of delamination was conducted in the FML sample using the first symmetric and antisymmetric Lamb wave modes with different excitation frequencies (S_0 and A_0). The variation of Lamb wave velocity in the delamination region was more signifacnt for the S_0 mode compared with the A_0 mode. It was concluded that the S_0 mode is more sensitive to delamination than the A_0 mode in FMLs and is more efficient for delamination detection purposes. Keywords: Fiber-metal laminates (FMLs), Non-destructive evaluation, Lamb wave velocity, Material characterization, Delamination defect detection.