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 zp@it.cas.cz Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i. Dolejškova 5, 182 00 Praha 8 www.it.cas.cz 1
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
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
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
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
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
DŮLEŢITÉ ASPEKTY (letecké konstrukce) 7
PŘIPRAVENOST INTEGRACE NDT METODY DO SHM SYSTÉMU "TECHNOLOGY READINESS LEVEL" (9 úrovní, 150 POŽADAVKŮ) 8
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
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
80 60 40 20 0-20 -40-60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 80 60 40 20 0-20 avg JOIN - 1; F1= 235k, F2 = 0k -40 0 0.5 1 1.5 2 2.5 80 60 40 20 0-20 avg JOIN - 3; F1= 235k, F2 = 0k 60 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 80 60 40 20-20 avg SUM - 1; F1= 235k, F2 = 0k 0 avg JOIN - 2; F1= 235k, F2 = 0k avg JOIN - 4; F1= 235k, F2 = 0k -40 0 0.5 1 1.5 2 2.5 NL UZ spektroskopie s časově-reversními zrcadly (NLTRM) 5 0 s1 1 0 s2-5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-4 2-1 5 0 trs1-5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2 x 10-3 1 0 trs2-1 5 0 s3-2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-4 10-5 -10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-4 3 2 1 0 s4-1 -2-3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-4 15 10 5-2 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 10 x 10-3 5 trs30-5 -10 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2 1 trs4 x 10-3 0-1 -2 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 x 10-3 trs1 + trs2 + trs3 + trs4 S2 S1 f1=235 khz S4 x 10 6 x 10 6 S3 x 10 6 x 10 6 0-5 -10 2f1 3f1 4f1 5f1 S1+S2+S3+S 4-40 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 6-15 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 x 10-3 11
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
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 E03 3 2 2 N 3 E E 3 03 13
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
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" (2004-2008) - 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
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
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 (32 000 123 808 cyklů) b) Multiplexovaná NWMS (f HIGH vysílána / mix signály přijímány) c) Multiplexovaná NLTRM ESAM procedura 17
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
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) 0 25 6) 90 105 2) 25 35 7) 105 115 3) 35 55 8) 115 125 4) 55 70 9) 125 135 5) 70 90 6 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
ZPŘESNĚNÁ LOKALIZACE ZDROJŮ AE POMOCÍ UMĚLÝCH NEURONOVÝCH SÍTÍ S ČASOVÝMI PROFILY NA VSTUPECH DEFINICE ČASOVÝCH PROFILŮ 20
ANN RŮZNÉ LOKALIZAČNÍ SÍTĚ Jedna společná síť Snímače # 1, 2, 3, 4, 5 4 5 3 2 1 2 oddělené sítě Snímače # 2, 3, 4, 9 Snímače # 1, 2, 5, 10 9 4 5 10 3 2 2 1 21
VÝSLEDKY : Porovnání NLTRM a AE Nelinearity (N 3 ) 2 lokalizované procedurou NLTRM-ESAM Lokalizované emisní události 2 3 4 5 6 1 82 248 49 138 30 2 0 147 125 157 75 3 0 0 262 87 13 4 0 0 0 134 80 5 0 0 0 0 59 22
2 nd LOADING PERIOD 25 000-35 000 cycles AE NLTRM 23
3 rd LOADING PERIOD 35 000-55 000 cycles AE sources Transducer configuratiom #1 Excitation amplitude 40 V Transducer configuration #2 Excitation amplitude 40 V 24
4 th LOADING PERIOD 55 000-70 000 cycles ±40V AE sources 55000-70000 loading cycles, used sensors: 1 2 3 4 5 100 200 300 400 ±60V 500 600 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 ±80V 25
5. ZATĚŢOVACÍ PERIODA 70 000-90 000 cyklů 70000-90000 loading cycles, used sensors: 2 3 4 9 70000-90000 loading cycles, used sensors: 1 2 3 5 50 50 100 100 150 150 AE 200 250 300 350 AE 200 250 300 350 400 400 450 450 500 500 NLTRM 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 NLTRM 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ±40V ±40V ±80V ±80V 26
6. 90 000-105 000 cyklů 90000-105000 loading cycles, used sensors: 2 3 4 9 90000-105000 loading cycles, used sensors: 1 2 5 10 50 50 100 100 150 150 200 200 250 250 300 300 350 350 400 400 450 450 500 500 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ZATĚŢOVACÍ PERIODY 6, 7, 8 7. 50 100 150 200 250 300 105 000-115 000 cyklů 105000-115000 loading cycles, used sensors: 2 3 4 9 50 100 150 200 250 105000-115000 loading cycles, used sensors: 1 2 5 10 300 350 350 400 400 450 450 500 500 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 8. 50 100 115 000-125 000 cyklů 115000-125000 loading cycles, used sensors: 2 3 4 9 50 100 115000-125000 loading cycles, used sensors: 1 2 5 10 150 150 200 200 250 250 300 300 350 350 400 400 450 450 500 500 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 550 100 200 300 400 500 600 700 800 900 27
AE levá síť 9. zatěţovací perioda 125 000-135 000 cyklů poškození otvoru zatěžovacího čepu AE pravá-síť? NLTRM konfig. 1 NLTRM konfig. 2 28
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
DĚKUJI ZA VAŠI POZORNOST 30
Prague - Pruhonice Congress Center 31
16 ICNEM PRAGUE, June 6-11, 2011 The 16th International Conference on Nonlinear Elasticity in Materials www.lanl.gov/orgs/ees/ees11/geophysics/nonlinear/conference/conf11.shtml 32