Damage detection in multi-layered plates using ultrasonic guided waves

Abstract

This thesis investigates ultrasonic guided waves (GW) in multi-layered plates with the focus on higher order modes. The aim is to develop techniques for hybrid structures such as of adhesive bonds and composite pressure vessels (COPV) which are widely used in automotive and aerospace industries and are still challenging to inspect non-destructively. To be able to analyse GW, numerical methods and precise material properties are required. For this purpose, an efficient semi-analytical approach, the Scaled Boundary Finite Element Method, is used. The material properties are inferred by a GW-based optimisation procedure and a sensitivity study is performed to demonstrate the influence of properties on GW. Then, an interesting feature, called mode repulsion, is investigated with respect to weak and strong adhesive bonds. The results show that the coupling between two layers influences the distance between coupled modes in a mode repulsion region, thus allowing for the characterisation of adhesive bonds. At next, wave-damage interaction is studied in the hybrid structure as of the COPV. Results show that the wave energy can be concentrated in a certain layer enabling damage localisation within different layers. Further investigations are carried out on the hybrid plate with an impact-induced damage. Two well-known wavenumber mapping techniques, which allow to quantify the damage in three dimensions, are implemented and their comparison is done for the first time.

In dieser Arbeit werden geführte Ultraschallwellen (GUW) in mehrschichtigen Platten untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Moden höherer Ordnung liegt. Ziel ist die Entwicklung von zerstörungsfreien Prüfmethoden für hybride Strukturen wie Klebeverbindungen und Komposit-Druckbehälter, die in Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sind und deren Prüfung immer noch eine Herausforderung darstellt. Für die GUW-Analyse werden numerische Methoden und präzise Materialeigenschaften benötigt. Hier wird die Scaled Boundary Finite Element Methode verwendet und die Materialeigenschaften werden durch ein GUW-basiertes Optimierungsverfahren hergeleitet. Um den Einfluss der Eigenschaften auf GUW zu analysieren wird eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anschließend wird vermiedene Kreuzung in Bezug auf schwache und starke Klebeverbindungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kopplungsstärke den Abstand zwischen gekoppelten Moden in einer vermiedenen Kreuzung beeinflusst und somit eine Charakterisierung von Klebeverbindungen ermöglicht. Als Nächstes wird dieWechselwirkung zwischen GUW und Schaden in einer Hybridstruktur wie beim Komposit-Druckbehälter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wellenenergie in einer bestimmten Schicht konzentriert werden kann. Damit wird die Schadenslokalisierung in dieser Schicht ermöglicht. Weiter wird die Quantifizierung der Impakt-Schäden in der Hybridplatte angestrebt, die durch Erstellung einer Wellenzahlkarte erfolgt.