KOMBINACE DVOU ULTRAZVUKOVÝCH NDT METOD PŘI TVORBĚ SHM SYSTÉMŮ CONJUNCTION OF TWO ULTRASONIC NDT METHODS IN SHM SYSTEMS

Transkript

1 KOMBINACE DVOU ULTRAZVUKOVÝCH NDT METOD PŘI TVORBĚ SHM SYSTÉMŮ CONJUNCTION OF TWO ULTRASONIC NDT METHODS IN SHM SYSTEMS Zdeněk PŘEVOROVSKÝ, Šárka VEJVODOVÁ, Milan CHLADA, Josef KROFTA Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i. Dolejškova 5, Praha 8 1

2 Práce na návrhu SHM systémů jsou podporovány dvěma projekty MPO ČR TIP : 'ENTIS FR-TI1/274 "Zhodnocení SHM metod a jejich integrace do údrţbového systému letadla" (Honeywell CZ, ÚT AV ČR, Aircraft Industries a.s. Kunovice, LÚ VUT v Brně, SVÚOM Praha, s.r.o.) 'STŘECHY FR-TI1/198 "Automatizovaná diagnostika extrémně zatíţených stavebních konstrukcí " (UNICA Technologies a.s., ÚT AV ČR, Stavební fakulta ČVUT Praha) 2

3 Definice SHM systému Systém schopný detekovat a interpretovat neţádoucí změny v monitorované konstrukci s cílem zvýšit její spolehlivost a bezpečnost a sníţit náklady vynaloţené během ţivota této konstrukce - Materiálové a konstrukční změny vlivem provozu, zatížení, stárnutí a dalších extrémních událostí lze spolehlivě diagnostikovat pomocí NDT - Závažným následkům případného kolapsu lze zabránit přístupem SHM "Structural Health Monitoring ", tedy průběžným sledováním okamžitého stavu konstrukce pomocí SHM systému - Filosofie SHM se začíná uplatňovat u moderních konstrukcí, nazývaných "smart" nebo "inteligentní", ale lze ji uplatnit i u starších objektů a prodloužit tak i jejich životnost, zvýšit bezpečnost, resp. snížit cenu údržby (není třeba opravovat či vyměňovat části, které nevykazují výrazné opotřebení či poškození) - SHM systémy jsou dnes postupně integrovány zejména do leteckých a stavebních konstrukcí 3

4 Obecné schéma SHM systému SHM SYSTÉM NENÍ POUZE DIAGNOSTIKA KONSTRUKCE! Ukládaná data slouţí k vyvozování diagnostických závěrů na základě porovnávání okamţité konstrukční odezvy s předchozími stavy a výpočtovým modelem. 4

5 NÁVRH SHM SYSTÉMU a) Nejdůležitějším úkolem při návrhu SHM systému je rozpoznat, které změny je nutné sledovat a jak se mají identifikovat. b) vývoj a pouţití vhodných senzorů pro NDT-NDE, ať jiţ přímo zabudovaných nebo dodatečně instalovaných na konstrukci. 5

6 POŢADAVKY NA SHM SYSTÉM Snímané veličiny musí ve vzájemné korelaci poskytovat dostatek podkladů pro posouzení okamţitého stavu či výrazných změn sledovaného objektu a také pro rozhodnutí zda vyhlásit varovný signál či nikoli. Autonomní provoz všech komponent musí být zcela automatizován bez nutnosti lidské obsluhy a častější nutnosti odborného zásahu. Pouţité technické prostředky musí zaručovat dlouhodobou spolehlivou funkci i v méně příznivých, či před-havarijních podmínkách. V diagnosticky důleţitých aplikacích (letectví, jaderné elektrárny) - spolehlivost diagnostických systémů musí být o řád vyšší neţ spolehlivost monitorované konstrukce. Rozsah výstupních datových souborů musí být optimalizován (minimalizován) s ohledem na dálkový přenos, moţnosti archivace, ale i výpočetní moţnosti zpracovávajících a vyhodnocovacích zařízení. Snadnost instalace, kalibrace a nastavování parametrů měření i mezních hodnot, signalizujících výskyt poruchy či blízkost havárie. Ekonomické ukazatele - cena komponent a celého monitorovacího systému nemůţe být pro vlastníka a uţivatele neúnosná, např. srovnatelná s významnější částí ceny hlídaného objektu. 6

7 DŮLEŢITÉ ASPEKTY (letecké konstrukce) 7

8 PŘIPRAVENOST INTEGRACE NDT METODY DO SHM SYSTÉMU "TECHNOLOGY READINESS LEVEL" (9 úrovní, 150 POŽADAVKŮ) 8

9 Příklad návrhu SHM 6 fyzikálních veličin: A) NDT metody: Akustická emise (AE) Nelineární ultrazvuková spektroskopie (NEWS) Vibroakustika resp. vibrodiagnostika B) Mechanické a tepelné charakteristiky Posuvy ve zvolených místech konstrukce Lokální deformac v určených kritických místech Teplota konstrukce 9

10 AE a NEWS Současné nasazení obou těchto NDT metod je z technických i ekonomických hledisek velmi výhodné: NEWS procedury mohou využívat snímače i přístrojové vybavení pro aplikaci AE V obou metodách jsou pouţity tytéţ - piezoelektrické snímače - předzesilovače, zesilovače i kabeláţ V NEWS je navíc zapotřebí : - reléový přepínač - signálový generátor - výkonový zesilovač 10

11 avg JOIN - 1; F1= 235k, F2 = 0k avg JOIN - 3; F1= 235k, F2 = 0k avg SUM - 1; F1= 235k, F2 = 0k 0 avg JOIN - 2; F1= 235k, F2 = 0k avg JOIN - 4; F1= 235k, F2 = 0k NL UZ spektroskopie s časově-reversními zrcadly (NLTRM) 5 0 s1 1 0 s x trs x trs s x x s x x trs trs4 x x 10-3 trs1 + trs2 + trs3 + trs4 S2 S1 f1=235 khz S4 x 10 6 x 10 6 S3 x 10 6 x f1 3f1 4f1 5f1 S1+S2+S3+S x x

12 ESAM Procedura ESAM Excitation Symmetry Analysis Method Based on symmetrical analysis (properties of point group C 3 ) Permits extraction of a nonlinear parameter coefficient N 3 from the nonlinear response y to the excitation x. The response is considered to be a 3 rd order polynomial function of variable x: y( t) N1x( t) N2x ( t) N3x ( t) 3 Excitations corresponding to the irreducible representations of point group C 3 are used for nonlinear part extraction : x E ( t) x( t) 3 x ( t) x( t e 3 x ( t) x( t) e Response y is measured at each excitation x : 2 2i y E (t) y (t) y ( ) * t 3 * ) 2 i 12

13 Nonlinearity parameter extraction 3 rd order nonlinear term is extracted from the measured responses according to the formula: s ( t) ( t) Suppression of the original excitation x is performed by the energy calculation: ( t) Nonlinear parameter N 3 is obtained as: 3 3 N 2 3 x 3 y E y ( t) 3 y * ( t) E03 x ( t) dt E3 N3x ( t) dt N3 E N 3 E E

14 ESAM zjednodušený experiment Instead of multiplication basic excitation x(t) by complex coefficients a simple time shifts can be realized: x E x x ( t) x( t) ( t) x( t) *( t) x( t) e e 2i 3 2i 3 x x x E ( t) x( t) ( t) x( t t ( t) x( t *) * t ) The resulting nonlinear term s 3 is therefore not pure 3 rd order term, but a mixture of nonlinear terms with suppressed linear part, but the parameter N 3 may still be used as a nonlinearity indicator 14

15 Příklad : Únavové zkoušky na "populární" součástce LANDING GEAR STEERING ACTUATOR BRACKET (SAB) L410 commuter - Typical commuter for 17 or 19 passengers - Two 560kW Motorlet M 601 turboprops - five blade Avia propellers - Weight empty 3920 to 4020kg - Wing span over tip tanks 19.98m - Wing area 34.9m2 - length 14.43m - height 5.83m - "BRACKET" byl testován různými NEWS metodami v rámci projektu EU-FP6 "AERONEWS" ( ) - Velmi komplexní geometrie, obtíţné 3D modelování Almost 1100 L 410s of all variants built, with over 400 in service and more than 40 on order. - Proměnlivá tloušťka, mnoho odrazů (otvory), dispersní vlny 15

16 1 ST SAB FATIGUE TESTS WITH AE AND NWMS ě-frekvenční mixing NWMS: f LOW = 51 khz, f HIGH = 389 khz 6 piezoelectrických měničů multiplexovaných jako vysílače resp. přijímače 280 mm 4 5 6b 6 3 3a 2 6a 1 16

17 2-frequency NWMS of landing gear SAB with 2.1 mm hair crack 6 multiplexed transducers (f HIGH ) + 1 fix transducer (f LOW ) s4 s5 FATIGUE CRACK detail AE during fatigue tests s3 s2 s1 s6 a) AE během únavových zkoušek ( cyklů) b) Multiplexovaná NWMS (f HIGH vysílána / mix signály přijímány) c) Multiplexovaná NLTRM ESAM procedura 17

18 VÝSLEDKY: NWMS pseudo-tomografické určení poškozené zóny ba SAB porovnáním růstu postranních pásem (2f HIGH ± f LOW ) okolo 778 khz (2f HIGH ) mezi poškozeným a nepoškozeným stavem tělesa: p damaged / p intact Hodnotící parametr: p = Log [da(2f HIGH ± f LOW ) / da(f LOW )] A amplituda spektrální čáry 18

19 CYCLING PROGRAM: 2. SAB - ÚNAVOVÉ ZKOUŠKY S AE a NLTRM - ESAM 9 únavových etap s AE monitorováním & NLTRM-ESAM po každé periodě tisíce cyklů 1) ) ) ) ) ) ) ) ) multiplexovaných snímačů; 4 amplitudy (celkem 9 snímačů v různých konfiguracích) Direct excitation x(t): sine pulse train f = 500kHz (15 period) AE : 10 kanállů, 70 db zesílení, 4 MHz vzorkování 19

20 ZPŘESNĚNÁ LOKALIZACE ZDROJŮ AE POMOCÍ UMĚLÝCH NEURONOVÝCH SÍTÍ S ČASOVÝMI PROFILY NA VSTUPECH DEFINICE ČASOVÝCH PROFILŮ 20

21 ANN RŮZNÉ LOKALIZAČNÍ SÍTĚ Jedna společná síť Snímače # 1, 2, 3, 4, oddělené sítě Snímače # 2, 3, 4, 9 Snímače # 1, 2, 5,

22 VÝSLEDKY : Porovnání NLTRM a AE Nelinearity (N 3 ) 2 lokalizované procedurou NLTRM-ESAM Lokalizované emisní události

23 2 nd LOADING PERIOD cycles AE NLTRM 23

24 3 rd LOADING PERIOD cycles AE sources Transducer configuratiom #1 Excitation amplitude 40 V Transducer configuration #2 Excitation amplitude 40 V 24

25 4 th LOADING PERIOD cycles ±40V AE sources loading cycles, used sensors: ±60V ±80V 25

26 5. ZATĚŢOVACÍ PERIODA cyklů loading cycles, used sensors: loading cycles, used sensors: AE AE NLTRM NLTRM ±40V ±40V ±80V ±80V 26

27 cyklů loading cycles, used sensors: loading cycles, used sensors: ZATĚŢOVACÍ PERIODY 6, 7, cyklů loading cycles, used sensors: loading cycles, used sensors: cyklů loading cycles, used sensors: loading cycles, used sensors:

28 AE levá síť 9. zatěţovací perioda cyklů poškození otvoru zatěžovacího čepu AE pravá-síť? NLTRM konfig. 1 NLTRM konfig. 2 28

29 ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY NDT a NDE jsou pouze souřčásti komplexních SHM systémů Při tvorbě SHM systému je výhodné kombinovat aktivní a pasívní metody jako je např. AE a NEWS, které pouţívají stejné snímače a zařízení Metody AE (pasívní) a NEWS NLTRM (aktivní) umoţňují lokalizaci poruch a vzájemně se vhodně doplňují; se stejnými piezoelektrickými měniči i zařízeními lze aplikovat i další AKUSTO ULTRAZVUKOVÉ (AU) metody. 29

30 DĚKUJI ZA VAŠI POZORNOST 30

31 Prague - Pruhonice Congress Center 31

32 16 ICNEM PRAGUE, June 6-11, 2011 The 16th International Conference on Nonlinear Elasticity in Materials 32