Bestimmung der optimalen Array-Apertur für die Ultraschallprüfung von faserverstärkten Kunststoffen

Master thesis German OPEN
Kurras, Martin (2017)
  • Subject: Kohlenstofffaserverbundwerkstoff (CFK) | phased array

Für die zerstörungsfreie Prüfung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (CFK) wird häufig die Ultraschallprüfung verwendet. Neben dem klassischen Ultraschallverfahren findet dabei auch die Phased Array Technologie Anwendung. Hierbei wird zwischen zwei Verfahren unterschieden: dem handelsüblichen Phased Array oder Conventional Phased Array (CPA) und dem tomographischen Sampling Phased Array (SPA). Der Einsatz von Phased Arrays im Zusammenhang mit Linear-Scan-Technik und das sich daraus ergebende Prüfergebnis hängen stark von den Parametern des Arrays und vom Werkstoff ab. Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Einflüsse verschiedener Arrayparameter (z. B. Frequenz, Pitch) auf das Prüfergebnis und hat als Ziel die Ermittlung der optimalen Aperturgröße (Anzahl der verwendeten Arrayelemente) für beide Phased Array Verfahren. Die beschriebenen experimentellen Untersuchungen an ausgewählten Testkörpern mit bekannten Fehlern dienen der Ermittlung einer optimalen Apertur. Die experimentelle Forschung wurde durch Simulationen der Schallausbreitung unterstützt. Ziel der Simulationen war die Bedeutung der verschiedenen Arrayparameter für das sich ergebende Schallfeld zu ermitteln. Als Bewertungsgrundlage für die optimale Apertur dienen hier der Signalrauschabstand (SNR) sowie die ermittelte Fehlerausdehnung im Vergleich zu den Sollwerten der Testfehler. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen komplexe Zusammenhänge zwischen den Parametern und dem Werkstoff, so dass unterschiedliche Aperturen gleichwertige Ergebnisse liefern. Obwohl sich eine allgemeine, parameterübergreifende Aussage zur optimalen Apertur aus den Untersuchungen noch nicht ergibt, werden abhängig von den Parametern der verwendeten Phased Array Sensoren Aperturen definiert, mit denen sich das beste Prüfergebnis erzielen ließ. Ultrasonic inspection is often used for non-destructive testing of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). In addition to the classical ultrasonic method, phased array technology is also used. In case of phased array, a distinction has to be made between two methods: the commercial phased array or conventional phased array (CPA) and the tomographic sampling phased array (SPA). The use of phased array in conjunction with linear scanning technique and the test result depend strongly on the parameters of the array and the analyzed material. This thesis describes how the influence of different array parameters (e. g. frequency, pitch) on the test result is examined. The objective is to determine the optimal aperture size (number of array elements) for both phased array methods. The described experiments on selected test blocks with known defects serve to determine an optimal aperture. Experimental research was supported by simulating the sound propagation. The aim of the simulations was to determine the importance of the different array parameters for the resulting sound field. The signal to noise ratio (SNR) as well as the determined flaw expansion, in comparison to the nominal values of the test flaws, are used as a basis for the evaluation of the optimum aperture. The results obtained, show complex relationships between the parameters and the material so that different apertures provide equivalent results. Although a general, parameter-independent statement about the optimum aperture is not yet obtained from the studies, apertures with which the best test result can be obtained are defined. The apertures are depending on the parameters of the phased array sensors used in this study.
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