Numerical Simulations in Ultrasonic Guided Waves Analysis for the Design of SHM Systems – Benchmark Study based on the Open Guided Waves Online Platform Dataset

Instead of checking structures at regular intervals during a maintenance, future structures will be equipped with online monitoring systems. Many technologies are applicable for this purpose. For thin walled structures, ultrasonic guided waves are very promising. A wide variety of damages with different sizes have been located with this technology in experiments as well as field tests. To bring it into a real-world application a statement of performance is necessary. Meaning at which probability a damage with a specific size can be located at a specific location. To generate such statistical models for an arbitrary structure brings experimental methods to its limits. Validated numerical analysis tools have to be used. In this lecture a benchmark between two numerical methods will be presented

Towards Interpretable Machine Learning for Automated Damage Detection Based on Ultrasonic Guided Waves

Data-driven analysis for damage assessment has a large potential in structural health monitoring (SHM) systems, where sensors are permanently attached to the structure, enabling continuous and frequent measurements. In this contribution, we propose a machine learning (ML) approach for automated damage detection, based on an ML toolbox for industrial condition monitoring. The toolbox combines multiple complementary algorithms for feature extraction and selection and automatically chooses the best combination of methods for the dataset at hand. Here, this toolbox is applied to a guided wave-based SHM dataset for varying temperatures and damage locations, which is freely available on the Open Guided Waves platform. A classification rate of 96.2% is achieved, demonstrating reliable and automated damage detection. Moreover, the ability of the ML model to identify a damaged structure at untrained damage locations and temperatures is demonstrated

Performance Assessment for a Guided Wave-Based SHM System Applied to a Stiffened Composite Structure

To assess the ability of structural health monitoring (SHM) systems, a variety of prerequisites and contributing factors have to be taken into account. Within this publication, this variety is analyzed for actively introduced guided wave-based SHM systems. For these systems, it is not possible to analyze their performance without taking into account their structure and their applied system parameters. Therefore, interdependencies of performance assessment are displayed in an SHM pyramid based on the structure and its monitoring requirements. Factors influencing the quality, capability and reliability of the monitoring system are given and put into relation with state-of-the-art performance analysis in a non-destructive evaluation. While some aspects are similar and can be treated in similar ways, others, such as location, environmental condition and structural dependency, demand novel solutions. Using an open-access data set from the Open Guided Waves platform, a detailed method description and analysis of path-based performance assessment is presented. The adopted approach clearly begs the question about the decision framework, as the threshold affects the reliability of the system. In addition, the findings show the effect of the propagation path according to the damage position. Indeed, the distance of damage directly affects the system performance. Otherwise, the propagation direction does not alter the potentiality of the detection approach despite the anisotropy of composites. Nonetheless, the finite waveguide makes it necessary to look at the whole paths, as singular phenomena associated with the reflections may appear. Numerical investigation helps to clarify the centrality of wave mechanics and the necessity to take sensor position into account as an influencing factor. Starting from the findings achieved, all the issues are discussed, and potential future steps are outlined

Dataset on full ultrasonic guided wavefield measurements of a CFRP plate with fully bonded and partially debonded omega stringer

The fourth dataset dedicated to the Open Guided Waves platform [1] presented in this work aims at a carbon fiber composite plate with an additional omega stringer at constant temperature conditions. The dataset provides full ultrasonic guided wavefields. A chirp signal in the frequency range 20-500 kHz and Hann windowed tone-burst signal with 5 cycles and carrier frequencies of 16:5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz and 300 kHz are used to excite guided waves. The piezoceramic actuator used for this purpose is attached to the center of the stringer side surface of the core plate. Three scenarios are provided with this setup: (1) wavefield measurements without damage, (2) wavefield measurements with a local stringer debond and (3) wavefield measurements with a large stringer debond. The defects were caused by impacts performed from the backside of the plate. As result, the stringer feet debonds locally which was verified with conventional ultrasound measurements

Anpassung des EFIT-Algorithmus zur Anwendung rechnergestützter POD-Methoden im SHM-Bereich

In vielen Industriesektoren werden automatisierte Methoden des Structural Health Monitorings (SHM) als Ergänzung zur klassischen zerstörungsfreien Prüfung angesehen, die den Wartungsaufwand im Betrieb einer technischen Anlage oder eines Fahrzeugs senken können. Eine große Anzahl an SHM-Methoden basiert auf der Änderung der Eigenschaften von Ultraschallwellen aufgrund von Strukturänderungen, welche mit permanent installierten Sensoren aufgezeichnet werden. Ein Problem für die breite Anwendung von SHM-Systemen ist ein Mangel an geeigneten Möglichkeiten, um die Leistungsfähigkeit der Systeme nachzuweisen. Die Bewertung der Leistungsfähigkeit bezieht sich in der Regel auf die Ermittlung der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (engl. Probability of Detection - POD) eines Prüfverfahrens. Da die Sensorik permanent auf einem Überwachungsobjekt installiert ist, wäre eine rein experimentelle Ermittlung der POD mit einem enormen Materialaufwand zur Probenerstellung verbunden. Eine Alternative dazu stellen rechnergestützte Untersuchungen dar. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Modellierung der Ausbreitung elastodynamischer Wellen in plattenförmigen oder krummlinigen Bauteilen. An einem Anwendungsbeispiel aus dem Automobilbau wird der Einsatz rechnergestützter POD-Methoden im SHM-Bereich für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen demonstriert. Das Konzept zur Erstellung einer POD-Karte wird vorgestellt und erläutert sowie anschließend fortführende Aspekte der rechnergestützten POD-Untersuchung von SHM-Systemen diskutiert

Entwicklung angepasster Simulationsmodelle für Methoden der Zustandsüberwachung basierend auf geführten Wellen: Paper präsentiert auf der DGZfP-Jahrestagung Zerstörungsfreie Materialprüfung, Leipzig, 7.-9.5.2018

Verfahren der Zustandsüberwachung durchdringen fortlaufend immer weitere Anwendungsfelder wie die Luftfahrt, den Automobilbau, die chemische Industrie, erneuerbare Energien oder das Bauwesen. Für viele Einsatzszenarien eignen sich insbesondere Methoden, die auf der Nutzung geführter Wellen, als Spezialform des Ultraschalls, basieren. Gekrümmte Bauteile und Strukturen oder heterogene und anisotrope Materialien, sowie das dispersive Verhalten geführter Wellen im Allgemeinen, erschweren die Auslegung und Konzeptionierung der Überwachungssysteme. In der Regel lässt sich der enorme Aufwand bei der Entwicklung und Anpassung nicht vollständig durch Laborversuche abdecken. Der Einsatz Modell-gestützter Methoden ist eine anerkannte Alternative zu Laborversuchen, bedarf allerdings geeigneter und angepasster Simulationsmodelle und –programme. Klassische Modellierungs- und Diskretisierungsverfahren, wie Finite Differenzen, Finite Volumen oder Finite Elemente Methoden, wurden und werden kontinuierlich an die Anforderungen der o.g. Anwendungsfelder angepasst. Insbesondere FEM-Modellierungen können eine hohe Güte bei der Approximation der Wellenfelder liefern, weisen jedoch auch einen enorm hohen Rechen- und Zeitaufwand auf. Angepasste Finite Differenzen Methoden, wie das FDTD-Verfahren, oder Finite Volumen Methoden, wie EFIT, können diesem Nachteil begegnen und werden seit vielen Jahren erfolgreich für die Zerstörungsfreie Prüfung und die Zustandsüberwachung eingesetzt. Auch diese Verfahren weisen jedoch Approximierungsfehler, insbesondere bei der Modellierung gekrümmter Strukturen, auf, die u.a. in der Literatur als „Staircase-Approximation“ bekannt sind. Weiterhin zeigen diese Methoden Nachteile bei der Modellierung mehrschichtiger Laminate, wie sie bei Faserverbundwerkstoffen auftreten, da dünnlagige Materialaufbauten eine sehr feine Diskretisierung erzwingen. Diesen Aspekten widmet sich der vorliegende Beitrag und zeigt Ansätze, Simulationsmodelle gezielt an Anforderungen von Methoden der Zustandsüberwachung basierend auf geführten Wellen anzupassen

On the Application of Actively and Passively Excited Guided Elastic Waves for the Monitoring of Fiber-Reinforced Plastics

Nowadays, fiber-reinforced plastics are found in numerous industrial applications, such as aerospace, automotive engineering, railway, and naval engineering. These materials have high tensile and flexural strengths and nevertheless a low density at the same time. The use of fiber-reinforced plastics is particularly relevant in areas where large masses have to be moved and accelerated. However, testing and monitoring these structures is still a challenge caused by the different damage behavior compared to metal structures. Non-visible structural changes, such as delaminations and fiber-fractures, may cause local degradation and finally the failure of the components. In this work, active and passive ultrasonic methods based on guided elastic waves are investigated for their applicability to carbon fiber-reinforced structures. Therefore, tensile tests with cyclically increasing load are carried out on specimens with different fiber orientations until complete failure. The acoustic emissions in the specimen during the load are recorded. As a second technique, actively excited guided waves are transmitted and received during the rest periods between the measuring ramps. Different parameters are extracted from the measured data, which allow the monitoring of the specimen’s degradation. A comparison of the results of the active and passive method follows. Finally, a combination of both methods is carried out addressing issues like its informative value and its sensitivity

Integrierte Strukturüberwachung sicherheitsrelevanter Fahrzeugkomponenten aus kohlefaserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen

Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen im Automobil ist für bestimmte Bauteile, insbesondere strukturrelevante, hochattraktiv. Fragen hinsichtlich der Betriebssicherheit sind indes noch ungeklärt. Faserverbundwerkstoffe weisen ein anderes Schadensverhalten als traditionelle Werkstoffe auf. Viele Defekte können durch visuelle Inspektion nicht identifiziert werden. Bei typischen Bauteilen, wie dem Mitteltunnel, sind auch konventionelle Prüfverfahren nicht anwendbar. Daher wird im Rahmen des BMBF-Projekts CarbonSafe eine integrierte Lösung entwickelt, die die strukturelle Integrität von Faserverbundbauteilen überprüfen kann. Das aktive SHM-Verfahren basiert auf geführten Wellen. Das Messsystem ist dabei in das Bauteil integriert. In Laboruntersuchungen wurden verschiedene piezoelektrische Wandler hinsichtlich ihrer Eignung für automobiltypische Strukturen untersucht. Die Funktionsfähigkeit des SHM-Verfahrens wurde sowohl simulationsgestützt als auch durch Laborversuche nachgewiesen. Die Bewertung der Struktur erfolgt über ein extern angeschlossenes Diagnosegerät, welches in den Werkstattbetrieb integriert werden soll. Zusätzlich wird eine Selbstdiagnose der Piezokeramiken durchgeführt. Dabei werden beschädigte Sensoren identifiziert und von der Strukturbewertung ausgenommen. Die Erprobung des Systems wird im Weiteren durch umfangreiche Feld- und Laborversuche ergänzt. Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung fertigungsgerechter Integrationsmethoden dieser Sensornetzwerke

Determination of defect sizes with the help of structural-health-monitoring methods based on guided waves

Numerous industrial areas request the permanently monitoring for damage of components with the least possible number of sensors. These industrial areas are construction engineering (e.g. bridge monitoring), renewable energies (e.g. monitoring of wind turbine rotor blades), chemical industry (e.g. monitoring of pipelines and storage tanks), mechanical engineering, vehicle manufacturing, aerospace industry (e.g. monitoring of lightweight structures) and others more. The diagnosis of components for internal failures can be carried out with different NDE methods depending on the material and the defect size. Examples of such methods are X-ray, the pulse-echo-ultrasonic method, for certain kinds of materials magnetic processes, eddy current methods, as well as radar and Terahertz methods. However, these methods are of limited suitability for permanent monitoring because of their limited range within the material to be monitored. For permanent monitoring of components guided acoustic waves (also called Lamb waves) are most useful because of their large range within solid materials. Changes inside the material have great influences on the propagation conditions of the guided waves. Acoustic sensors are able to monitor large components even at a great distance from each other. Sensors and devices for the measurement of guided waves are already available. However, precise instructions for the use of these systems and the description of substitute defects are missing. The aim of the government-funded research project QuantSHM is now to overcome these constraints of monitoring systems in order to allow the monitoring methods to be widely accepted. Basically, research results of two fields of application will be presented. In particular these are acousto ultrasonic methods for isotropic materials (e.g. steel, pipelines) and acoustic emission methods for anisotropic materials (e.g. composites, rotor blades). Defect sizes can be clearly correlated with the defect size for isotropic materials whereas damaged areas are clearly addressed by acoustic emission for anisotropic materials

Dataset on full ultrasonic guided wavefield measurements of a CFRP plate with fully bonded and partially debonded omega stringer

The fourth dataset dedicated to the Open Guided Waves platform presented in this work aims at a carbon fiber composite plate with an additional omega stringer at constant temperature conditions. The dataset provides full ultrasonic guided wavefields. A chirp signal in the frequency range 20-500 kHz and Hann windowed tone-burst signal with 5 cycles and carrier frequencies of 16.5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz and 300kHz are used to excite the wave. The piezoceramic actuator used for this purpose is attached to the center of the stringer side surface of the core plate. Three scenarios are provided with this setup: (1) wavefield measurements without damage, (2) wavefield measurements with a local stringer debond and (3) wavefield measurements with a large stringer debond. The defects were caused by impacts performed from the backside of the plate. As result, the stringer feet debonds locally which was verified with conventional ultrasound measurements. The dataset can be used for benchmarking purposes of various signal processing methods for damage imaging