LT7073B - Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates - Google Patents
Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates Download PDFInfo
- Publication number
- LT7073B LT7073B LT2022553A LT2022553A LT7073B LT 7073 B LT7073 B LT 7073B LT 2022553 A LT2022553 A LT 2022553A LT 2022553 A LT2022553 A LT 2022553A LT 7073 B LT7073 B LT 7073B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- ultrasonic
- measurement
- parameters
- quantitative parameters
- database
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 94
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 118
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 26
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 6
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 5
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 3
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 235000019687 Lamb Nutrition 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 239000002279 physical standard Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000275 quality assurance Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD
Išradimas priklauso transporto ir energetikos diagnostinės įrangos sričiai, konkrečiau, atskleidžia anizotropinių kompozitinių objektų elastinių savybių ultragarsinį matavimo būdą ir sistemą.The invention belongs to the field of transport and energy diagnostic equipment, more specifically, it discloses a method and system for ultrasonic measurement of elastic properties of anisotropic composite objects.
TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART
Kompozitinės medžiagos pasižymi geru santykiu stiprumas/svoris, todėl jų taikymas mažina energetines sąnaudas, nesvarbu ar tai būtų lėktuvai, automobiliai, traukiniai, vėjo jėgainės ar kitokie objektai. Tačiau gamyba iš šių medžiagų turi ir problemų. Viena iš jų yra sunkiau, lyginant su metalais, kontroliuojamos medžiagos elastinės savybės. Dėl gamybos technologijos, kuri dalyje atvejų yra net rankinė, galimi įvairūs nukrypimai, dėl kurių gaminyje atsiranda netolygus savybių pasiskirstymas. Todėl elastinių savybių matavimas yra vienas iš svarbesnių kokybės užtikrinimo faktorių.Composite materials have a good strength-to-weight ratio, so their application reduces energy costs, whether in airplanes, cars, trains, wind turbines or other objects. However, production from these materials also has problems. One of them is that it is more difficult, compared to metals, to control the elastic properties of the material. Due to the production technology, which in some cases is even manual, various deviations are possible, which leads to an uneven distribution of properties in the product. Therefore, the measurement of elastic properties is one of the more important factors in quality assurance.
Elastinės medžiagų savybės gali būti matuojamos naudojant ultragarsines nukreiptąsias bangas (angį. k. „ultrasonic guided waves“). Plokščių struktūrų atveju, jų sklidimo greitis yra apsprendžiamas medžiagos elastinėmis konstantomis, tankiu ir bandinio storiu. Tuo būdu, matuojant sklidimo greitį, esant žinomiems medžiagos tankiui ir bandinio storiui elastinės savybės galėtų būti nustatytos. Tačiau problema yra tame, kad anizotropinių medžiagų atveju elastinės savybės bendru atveju yra nusakomos 21 nepriklausomomis konstantomis. Šį uždavinį kiek paprastina tai, kad kompozitinių plokštėms daugeliu atveju galima taikyti ortotropinių medžiagų modelį. Tada yra tik 9-ios nepriklausomos konstantos: 3 Jungo modulio (Ei, E2, E3), 3 šlyties modulio (G12, G13, G23) ir 3 Puasono santykio (1/12, vi3, V23) komponentės.Elastic properties of materials can be measured using ultrasonic guided waves. In the case of flat structures, their propagation speed is determined by the elastic constants of the material, the density and the thickness of the specimen. In this way, the elastic properties could be determined by measuring the propagation velocity, given the known density of the material and the thickness of the specimen. However, the problem is that for anisotropic materials, the elastic properties are generally described by 21 independent constants. This task is somewhat simplified by the fact that the orthotropic material model can be applied to composite panels in many cases. Then there are only 9 independent constants: 3 Young's modulus (Ei, E2, E3), 3 shear modulus (G12, G13, G23) and 3 Poisson's ratio (1/12, vi3, V23) components.
Yra žinoma keletas patentinių dokumentų skirtų elastinių konstantų matavimui, naudojant nukreiptąsias ultragarsines bangas.Several patent documents are known for the measurement of elastic constants using guided ultrasonic waves.
JAV patente Nr. US5408882 yra aprašytas neardomųjų bandymų būdas, skirtas nustatyti pluošto netolygumą polimerinėse kompozitinėse medžiagose. Būdas pagrįstas ultragarsinių išilginių bangų žadinimu vienu keitikliu ir jų priėmimu kitu, esančiu tam tikru atstumu nuo pirmojo. Matavimai atliekami keliais kampais ir jų pagrindu gaunama kampinė ultragarso greičio priklausomybė, kurios pagrindu atkuriama standumo tenzorius djki. Šio tenzoriaus pagrindu yra suskaičiuojamos Jungo ir šlyties modulių bei Puasono santykio komponentės. Tačiau siūlomas būdas pagrįstas tūrinių ultragarsinių išilginių bangų sklidimu, o tai atitinka tik santykinai storų kompozitinių objektų atvejį. Kompozitinių plokščių atveju (kas ženkliai plačiau paplitę) yra sužadinamos ne tūrinės, o nukreiptosios ultragarsinės bangos, kurių sklidimo dėsningumas yra ženkliai sudėtingesnis ir siūlomas būdas tiesiogiai negali būti taikomas.US Pat. No. US5408882 describes a non-destructive testing method for determining fiber discontinuity in polymer composite materials. The method is based on the excitation of ultrasonic longitudinal waves by one transducer and their reception by another located at a certain distance from the first. Measurements are performed at several angles and based on them, the angular dependence of the ultrasound speed is obtained, on the basis of which the stiffness tensor djki is restored. On the basis of this tensor, components of Jung's and shear moduli and Poisson's ratio are calculated. However, the proposed method is based on the propagation of bulk ultrasonic longitudinal waves, which is only suitable for the case of relatively thick composite objects. In the case of composite plates (which are much more common), directed ultrasonic waves are excited, not bulk, and the regularity of propagation is much more complicated, and the proposed method cannot be applied directly.
JAV patente Nr. US6575036 yra aprašytas kompozitinių plokščių elastinių savybių matavimo būdas. Būdas grįstas ištekančių Lambo bangų greičio matavimu, matuojama atliekant skirtingai žadinimo ir priėmimo kampais imersinėje aplinkoje. Šio būdo pagrindinis trūkumas yra tame, kad bandinys turi būti panardintas į matavimo baseiną, t.y. matavimai atliekami laboratorinėmis sąlygomis. Tai yra pagrindinis patente siūlomo būdo trūkumas, nes ženkliai apriboja galimo tirti objekto gabaritus ir neįgalina tyrimus atlikti in situ sąlygose.US Pat. No. US6575036 describes a method for measuring the elastic properties of composite panels. The method is based on the measurement of the speed of outgoing Lamb waves, measured by different excitation and reception angles in an immersive environment. The main disadvantage of this method is that the sample must be immersed in the measuring pool, i.e. measurements are performed under laboratory conditions. This is the main drawback of the method proposed in the patent, as it significantly limits the dimensions of the object that can be studied and does not enable research to be carried out in situ.
JAV patente Nr. US6092421 yra aprašytas neardomųjų bandymų įtaisas skirtas matuoti plokščių objektų Jungo modulį. Įtaisas yra tinkamas matuoti ir in situ sąlygose. Būdas pagrįstas S0 Lambo bangų modos sklidimo greičio matavimu. Bangų generavimui ir priėmimui naudojami du kontaktiniai keitikliai. Būdo trūkumas yra tame kad matuojant šios vienos modos greitį galima nustatyti tik Jungo modulį atitinkama kryptimi. Kitos elastines savybes nusakančios konstantos nėra išmatuojamos, t.y. pilnas standumo tenzorius ajki nėra atstatomas. Be to kaip teigia patento autoriai būdas tinkamas tik izotropinėms ar kvazi-izotropinėms medžiagoms tirti.US Pat. No. US6092421 describes a non-destructive testing device for measuring the Jungian modulus of flat objects. The device is also suitable for measuring in situ conditions. The method is based on the measurement of the propagation speed of the S0 Lamb wave mode. Two contact transducers are used for wave generation and reception. The disadvantage of the method is that when measuring the speed of this single mode, only the Jung's modulus in the corresponding direction can be determined. Other constants defining elastic properties are not measurable, i.e. the full stiffness tensor ajki is not recoverable. In addition, according to the authors of the patent, the method is only suitable for studying isotropic or quasi-isotropic materials.
Apžvelgti elastinių savybių matavimo sprendimai pasižymi mažiausiai šiais trūkumais:The reviewed solutions for measuring elastic properties have at least the following disadvantages:
• Dalis būdų yra tinkami tik laboratoriniams tyrimams ir nėra tinkami matavimui in situ sąlygomis;• Some of the methods are only suitable for laboratory research and are not suitable for measuring in situ conditions;
• Kiti sprendimai yra orientuoti į tūrinių objektų tyrimus ir netinka plokščių objektų elastinių savybių nustatymui;• Other solutions are focused on studies of volumetric objects and are not suitable for determining the elastic properties of flat objects;
• Nei vienas iš išvardintų būdų neįgalina elastinių savybių matavimo anizotropinėse kompozitinėse plokštėse ir neatstato pilno standumo tenzoriaus.• None of the listed methods enables the measurement of elastic properties in anisotropic composite plates and does not restore the full stiffness tensor.
Technikos lygio dokumentuose atskleisti elastinių savybių tyrimo ir nustatymo būdai apima įvairaus tipo ultragarsinių bangų generavimo ir priėmimo konfigūracijas, tačiau suteikia ribotas, nepilnas standumo tenzoriaus matavimo funkcijas bei taikymo galimybes. Elastinių savybių vertinimas žinomais techniniais sprendimais yra nepakankamas, techniškai sudėtingas ar netinka matavimui in situ sąlygose.The techniques for testing and determining elastic properties disclosed in prior art documents include various types of ultrasonic wave generation and reception configurations, but provide limited, incomplete stiffness tensor measurement functions and application possibilities. The evaluation of elastic properties by known technical solutions is insufficient, technically difficult or not suitable for measurement in situ conditions.
Išradimas neturi aukščiau išvardintų trūkumų ir apima papildomus privalumus.The invention does not have the above disadvantages and includes additional advantages.
IŠRADIMO ESMĖESSENCE OF THE INVENTION
Išradimas yra anizotropinių kompozitinių plokščių elastinių konstantų matavimo būdas, ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo sistemą ir programinė įranga, naudojami būdui įgyvendinti. Techninis sprendimas pagrįstas kelių ultragarsinių nukreiptųjų bangų modų sklidimo laiko ir greičio matavimu.The invention is a method for measuring the elastic constants of anisotropic composite panels, an ultrasonic guided wave measurement system and software used to implement the method. The technical solution is based on the measurement of the propagation time and speed of several modes of ultrasonic guided waves.
Anizotropinių kompozitinių plokščių elastinių konstantų matavimo būdas apima:The method of measuring the elastic constants of anisotropic composite panels includes:
• ultragarsiniais keitikliais atliekamas keleto nukreiptųjų bangų modų žadinimas, • kiekybinių parametrų rinkinių, aprašančių ultragarsinio žadinimo sąlygas, sklidimą bei šių rinkinių duomenų bazę, • atliekamas skaitmeninis ultragarsinis modeliavimas ir realaus matavimo duomenų apdorojimas, bei pirminis signalų apdorojimas, signalų segmentų atitinkančių skirtingas modas išskyrimas ir matuojamas sklidimo laikas, • išrenkami kiekybiniai ultragarso nukreiptųjų bangų skirtingų modų parametrai, kur minėti parametrai yra gaunami matuojant skirtingomis keitiklių poromis, • atliekamas modeliavimas ir matavimo duomenų sugretinimas, nustatant reikimas elastinių savybių konstantas.• the excitation of several modes of guided waves is carried out by ultrasonic transducers, • the propagation of sets of quantitative parameters describing the conditions of ultrasonic excitation and the database of these sets, • digital ultrasonic modeling and processing of real measurement data, as well as primary signal processing, separation of signal segments corresponding to different modes and propagation time is measured, • quantitative parameters of different modes of ultrasound guided waves are selected, where the mentioned parameters are obtained by measuring with different pairs of transducers, • modeling and comparison of measurement data are performed, determining the required constants of elastic properties.
Signalų generavimui ir priėmimui naudojami keitikliai gebantys vienu metu žadinti ir priimti kelias, žinomas nukreiptųjų bangų modas. Būdo apimtyje vykdomas skaitinis modeliavimas sklidimo greičių palyginimui su išmatuotais ant tiriamo objekto. Būdas analizuoja ultragarsinius matavimo duomenis ir išskiria atskirų modų segmentus signaluose bei jų pagrindu nustato modų grupinius greičius. Analizuojant skirtingų modų sklidimo greičius atstatomi standumo tenzorių rezultatai, sugretinant su rezultatais, gautais modeliuojant.Transducers are used for generating and receiving signals, which are able to simultaneously excite and receive several, well-known modes of guided waves. In the scope of the method, numerical simulation is carried out to compare the propagation velocities with those measured on the object under study. The method analyzes the ultrasonic measurement data and separates the individual mode segments in the signals and determines the group velocities of the modes based on them. Analyzing the propagation velocities of different modes restores the results of the stiffness tensors, comparing them with the results obtained by simulation.
Būdui įgyvendinti skirta ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo sistema apima:An ultrasonic guided wave measurement system intended to implement the method includes:
• adaptyviai konfigūruojamas erdvėje paskirstytų ultragarsinių keitiklių poras, mažiausiai vieną porą, orientuotas nustatytais kampais, • ultragarsinių signalų generatorius, stiprintuvus, analoginius-skaitmeninius keitiklius, • kompiuterinį įrenginį su programine įranga, vykdančia ultragarsinių matavimo procesų valdymą, matavimo duomenų analizę ir elastinių konstantų skaičiavimą.• adaptively configurable pairs of space-distributed ultrasonic transducers, at least one pair oriented at set angles, • ultrasonic signal generators, amplifiers, analog-digital converters, • computer device with software for controlling ultrasonic measurement processes, analysis of measurement data and calculation of elastic constants.
Ultragarsinėje matavimo sistemoje pakanka minimalaus ultragarsinių keitiklių porų skaičiaus, t.y., izotropinių medžiagų atveju užtenka vienos poros, o ortotropinių medžiagų atveju užtenka trijų porų. Vienos poros konfigūraciją sudaro vienas siunčiantis ir vienas priimantis ultragarsiniai keitikliai, pridėti pasirinktoje tiriamo objekto vietoje. Sistema generuoja kelias nukreiptųjų bangų modas. Paprasčiausiu atveju tai yra fundamentinė simetrinė, asimetrinė ir skersinė (So, Ao, Sho). Sistema gali būti naudojama ir elastinių savybių kitimo stebėsenai, keitiklius pritvirtinant ilgalaikiam matavimui.In an ultrasonic measurement system, a minimum number of pairs of ultrasonic transducers is sufficient, i.e. one pair is sufficient for isotropic materials and three pairs is sufficient for orthotropic materials. A single-pair configuration consists of one transmitting and one receiving ultrasonic transducers attached at a selected location of the test object. The system generates several guided wave modes. In the simplest case, these are fundamental symmetrical, asymmetrical and transverse (So, Ao, Sho). The system can also be used for monitoring changes in elastic properties by attaching transducers for long-term measurement.
TRUMPAS BRĖŽINIO APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
Išradimo esminiai aspektai paaiškinti brėžinyje. Brėžinys yra išradimo aprašymo sudedamoji dalis ir pateikiamas kaip nuoroda į galimą išradimo įgyvendinimą ar vizualų paaiškinimą, bet neturi riboti išradimo apimties. Brėžinys yra schematinis ir principinis, jame pavaizduotų objektų dydžiai, proporcijos ir konkretūs realizacijos variantai gali skirtis išradimo apimtyje.The essential aspects of the invention are explained in the drawing. The drawing is an integral part of the description of the invention and is provided by way of reference to a possible implementation or visual explanation of the invention, but shall not limit the scope of the invention. The drawing is schematic and principled, the sizes, proportions and specific implementation options of the objects depicted in it may differ within the scope of the invention.
pav. Ultragarsinių keitiklių (T, 1“) išdėstymo tiriamajame objekte (2) schema. Minimalią keitiklių konfigūraciją atitinka vienas siunčiantis ultragarsinis keitiklis (T) ir vienas priimantis ultragarsinis keitiklis (1“). Ultragarsinių keitiklių (T, 1“) konfigūracija yra adaptyviai konfigūruojama, keičiant keitiklių padėtį erdvėje pasukant tam tikru kampu.Fig. Diagram of the arrangement of ultrasonic transducers (T, 1") in the research object (2). The minimum transducer configuration is one transmitting ultrasonic transducer (T) and one receiving ultrasonic transducer (1"). The configuration of the ultrasonic transducers (T, 1") is adaptively configured by changing the position of the transducers in space by turning a certain angle.
DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Turėtų būti suprantama, kad daugybė konkrečių detalių yra išdėstytos, siekiant pateikti pilną ir suprantamą išradimo pavyzdinio įgyvendinimo aprašymą. Tačiau srities specialistui bus aišku, kad išradimo įgyvendinimo pavyzdžių detalumas neapriboja išradimo įgyvendinimo, kuris gali būti įgyvendintas ir be tokių konkrečių nurodymų. Gerai žinomi būdai, procedūros ir sudedamosios dalys nebuvo detaliai aprašyti, kad išradimo įgyvendinimo pavyzdžiai nebūtų klaidinantys. Be to šis aprašymas neturi būti laikomas apribojančiu pateiktus įgyvendinimo pavyzdžius, o tik kaip jų įgyvendinimas.It should be understood that numerous specific details are set forth in order to provide a complete and comprehensible description of an exemplary embodiment of the invention. However, it will be clear to a person skilled in the art that the detail of the exemplary embodiments of the invention does not limit the implementation of the invention, which may be implemented without such specific instructions. Well-known methods, procedures, and components have not been described in detail in order not to confuse the exemplary embodiments of the invention. Furthermore, this description should not be construed as limiting the examples of implementation provided, but only as an implementation thereof.
Nors išradimo įgyvendinimo pavyzdžiai, ar jų aspektai, taip kaip parodyti ir aprašyti, apima daugybę komponentų, kurie yra pavaizduoti esantys tam tikroje bendroje erdvėje ar vietoje, kai kurie komponentai gali būti ir nutolę. Taip pat turėtų būti suprantama, kad pateikti pavyzdžiai neapsiriboja tik aprašytais komponentais ir apima ir kitus, jų funkcionavimui ir sąveikai su kitais komponentais, reikalingus elementus, kurių buvimas yra savaime suprantamas, todėl nedetalizuojamas.Although embodiments of the invention, or aspects thereof, as shown and described, include a number of components that are depicted as being in some common space or location, some components may also be remote. It should also be understood that the presented examples are not limited to the described components and include other elements necessary for their functioning and interaction with other components, the presence of which is self-evident and therefore not detailed.
Išradimas apima anizotropinių kompozitinių plokščių elastinių konstantų matavimo būdą, ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo sistemą ir programinę įrangą, skirtus įgyvendinti būdo žingsnius.The invention includes a method for measuring the elastic constants of anisotropic composite panels, a system for measuring ultrasonic guided waves, and software for implementing the steps of the method.
Anizotropinių kompozitinių plokščių elastinių konstantų matavimo būdas apima signalų ir duomenų apdorojimo žingsnius. Būdo žingsniai dalinai ar pilnai realizuojami kompiuteriniais algoritmais ir atitinkamais programiniais moduliais, realizuotais bet kokia programavimo kalba. Būdas pagal išradimą, apima šiuos žingsnius:The method for measuring the elastic constants of anisotropic composite panels involves signal and data processing steps. The steps of the method are partially or fully implemented by computer algorithms and corresponding software modules implemented in any programming language. The method according to the invention includes the following steps:
• atliekamas kiekybinių parametrų rinkinių, atitinkančių tiriamą objektą ir medžiagą, suformavimas;• the formation of quantitative parameter sets corresponding to the object and material under investigation is carried out;
• atliekamas skaitmeninių modelių suformavimas, apimantis:• the formation of digital models is carried out, which includes:
o sudaromas nukreiptųjų bangų dispersing kreivių skaičiavimo modelis, o parenkama ultragarsinių nukreiptųjų bangų modos ir dažnių diapazonas, o parenkami ultragarsinės matavimo sistemos parametrai, reikalingi numatytų nukreiptųjų bangų generavimui;o a model for calculating the dispersion curves of guided waves is created, and the range of modes and frequencies of ultrasonic guided waves is selected, and the parameters of the ultrasonic measurement system required for the generation of the intended guided waves are selected;
• matuojamas ultragarsas ir apdorojami signalai, apimant o apdorojamas pirminis signalas, o signale išskiriamos skirtingos modos ir o matuojamas išskirtų modų grupinis greitis matavimo;• ultrasound is measured and the signals are processed, including o the primary signal is processed, and different modes are distinguished in the signal, and o the group velocity of the distinguished modes is measured;
• palyginamos išmatuotos ir suskaičiuotos elastinės konstantos, sugretinant elastines savybes;• measured and calculated elastic constants are compared, comparing elastic properties;
• atliekama modelio parametrų korekcija;• correction of model parameters is performed;
• matuojamas ultragarsas tiriamame objekte (2), su parinktais kiekybiniais parametrais, apimant:• measured ultrasound in the object under investigation (2), with selected quantitative parameters, including:
o generuojamos nukreiptos ultragarsinės bangos ir registruojami ultragarso matavimo signalai;o directed ultrasonic waves are generated and ultrasonic measurement signals are recorded;
o registruotų ultragarsinių matavimo signalų pirminį apdorojimą, o atstatomos tiriamo objekto elastinės savybės iš ultragarso matavimo signalų.o the pre-processing of the registered ultrasonic measurement signals, and the elastic properties of the object under investigation are restored from the ultrasound measurement signals.
Ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo sistema pagal išradimą, skirta medžiagos elastinėms savybėms įvertinti tiriamame objekte (2), pavyzdžiui, kompozitinėje anglies ar stiklo pluošto medžiagoje, apima aparatinius-sisteminius komponentus:The ultrasonic guided wave measurement system according to the invention for evaluating the elastic properties of a material in a test object (2), for example, in a composite carbon or glass fiber material, includes hardware-system components:
• erdvėje paskirstytą ir ant tiriamo objekto (2) montuojamą ultragarsinių keitiklių rinkinį (1‘, 1“), ultragarsinių signalų generatorius (brėžinyje nepavaizduota), imtuvus-stiprintuvus (brėžinyje nepavaizduota), analoginius-skaitmeninius keitiklius (brėžinyje nepavaizduota);• a set of ultrasonic transducers (1', 1") distributed in space and mounted on the object under investigation (2), ultrasonic signal generator (not shown in the drawing), receiver-amplifiers (not shown in the drawing), analog-to-digital converters (not shown in the drawing);
• kompiuterį/kompiuterinį įrenginį (brėžinyje nepavaizduota), su bent vienu procesoriumi ir bent vienu atminties moduliu, kur o atminties modulyje yra talpinami parametrai, duomenų bazės, modeliai, matavimo rezultatai, užregistruoti signalai, PĮ moduliai, ir kiti duomenys, reikalingi įgyvendinti būdą pagal išradimą;• a computer/computer device (not shown in the drawing), with at least one processor and at least one memory module, where parameters, databases, models, measurement results, registered signals, PI modules, and other data necessary to implement the method are stored in the memory module invention;
o procesorius vykdo būdo žingsnius, valdo ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo procesus, apdoroja duomenis, vykdo modeliavimą, mašininį mokymą bei klasifikavimą, ir užtikrina vykdymą visų veiksmų, kurie būtini metodui įgyvendinti.and the processor executes the steps of the method, controls the ultrasonic guided wave measurement processes, processes the data, performs modeling, machine learning and classification, and ensures the execution of all steps necessary to implement the method.
Sistemoje nėra naudojamas tiriamo objekto (2) fizinis etalonas, kurio atžvilgiu būtų vertinamos tiriamo objekto (2) elastinės savybės. Fizinis etalonas yra pakeistas skaitmeniniu etalonu, saugomu ir modeliuojamu kompiuterio atmintyje, bei analitiškai aprašytu kiekybinių parametrų rinkiniu, saugomu duomenų bazėje.The system does not use a physical standard of the object under investigation (2) against which the elastic properties of the object under investigation (2) would be evaluated. The physical standard is replaced by a digital standard stored and modeled in the computer memory and an analytically described set of quantitative parameters stored in the database.
Ultragarsinių nukreiptųjų bangų matavimo sistemoje naudojami ultragarsiniai keitikliai (1', 1“) yra vienalemenčiai, formuojantys nukreiptąsias ultragarsines bangas. Vienalemenčių ultragarsinių keitiklių darbiniai dažniai ir generuojamų/priimamų signalų dažnių intervalas apima 30 kHz - 1 MHz.The ultrasonic transducers (1', 1") used in the ultrasonic guided wave measurement system are single-element, forming guided ultrasonic waves. The operating frequencies of single-blade ultrasonic transducers and the frequency range of generated/received signals include 30 kHz - 1 MHz.
Svarbi išradimo savybė yra tiriamo objekto (2) skenavimas/matavimas nukreiptosiomis ultragarsinėmis bangomis. Ultragarsiniai keitikliai (T, 1“) tvirtinami ant tiriamo objekto (2) ir žadinami taip, kad objekto (2) numatytame regione kurtų nukreiptąsias ultragarsines bangas, kaip pavaizduota 1 pav.An important feature of the invention is the scanning/measurement of the object under investigation (2) with guided ultrasonic waves. Ultrasonic transducers (T, 1") are mounted on the test object (2) and excited to generate directed ultrasonic waves in the intended region of the object (2), as shown in Figure 1.
Visais išradimo įgyvendinimo atvejais, ultragarsinių keitiklių (T, 1“), ar jų gardelių rinkinys, apima bent vieną siunčiantį (1') ir vieną priimantį (1“) ultragarsinius keitiklius, įrengtus ant tiriamo objekto (2), pozicionuojant juos vienas priešais kitą. Tokių porų skaičius nėra ribojamas. Siųstuvo ir imtuvo pora yra sukama tam tikru kampu, siekiant atkurti nukreiptųjų bangų greičio pasiskirstymą tiriamo objekto paviršiuje priklausomai nuo bangų sklidimo kampo. Matavimo pozicijų skaičius įvairiais kampais priklauso nuo siekiamo elastinių savybių atstatymo tikslumo. Svarbu, kad naudojami keitikliai ir ultragarsinė matavimo sistema galėtų žadinti visų trijų tipų - asimetrines, simetrines ir skersines nukreiptųjų bangų modas.In all cases of implementation of the invention, the set of ultrasonic transducers (T, 1"), or their grids, includes at least one transmitting (1') and one receiving (1") ultrasonic transducers installed on the object under investigation (2), positioning them opposite each other . The number of such pairs is not limited. The transmitter-receiver pair is rotated at a certain angle in order to reproduce the speed distribution of the guided waves on the surface of the object under study depending on the angle of propagation of the waves. The number of measurement positions at various angles depends on the accuracy of the recovery of the elastic properties. It is important that the used transducers and ultrasonic measurement system can excite all three types - asymmetric, symmetric and transverse guided wave modes.
Ultragarsinė matavimo sistema gali būti adaptyviai konfigūruojama erdvėje, konfigūruojant paskirstytą ultragarsinių keitiklių rinkinį, sudarytą iš siunčiančio ultragarsinio keitiklio (T) ir priimančio ultragarsinio keitiklio (1“).The ultrasonic measurement system can be adaptively configured in space by configuring a distributed set of ultrasonic transducers consisting of a transmitting ultrasonic transducer (T) and a receiving ultrasonic transducer (1”).
Būde pagal išradimą yra naudojami kiekybinių parametrų rinkiniai, talpinami duomenų bazėje, apimančioje daug skirtingų rinkinių. Šie parametrų rinkiniai, tai konstrukciniai (geometriniai-medžiaginiai) aprašai ir objektų teorinės elastinės konstantos.The method according to the invention uses sets of quantitative parameters stored in a database comprising many different sets. These sets of parameters are structural (geometric-material) descriptions and theoretical elastic constants of objects.
Parinkus iš duomenų bazės tinkamiausią kiekybinių parametrų rinkinį, po to, pagal šį parinktą parametrų rinkinį:After selecting the most appropriate set of quantitative parameters from the database, then, based on this selected set of parameters:
o sudaromas objekto dispersing kreivių modelis, kuriuo identifikuojamos objekte sklindančios nukreiptųjų bangų modos, jų poslinkiai, pasiskirstymai per objekto storį bei sklidimo nuostoliai;o a model of the object's dispersing curves is created, which identifies the modes of directed waves propagating in the object, their displacements, distributions through the object's thickness and propagation losses;
o nustatomi atitinkamų pasirinktų modų dažniai, faziniai ir grupiniai greičiai.and the frequencies, phase and group velocities of the corresponding selected modes are determined.
Jei pirmą kartą matuojamas nežinomas objektas, kuriam duomenų bazėje nėra tinkamo kiekybinių parametrų rinkinio, tada pradinis kiekybinių parametrų rinkinys gali būti sudaromas iš pirmojo ultragarsinio matavimo rezultatų, pagal juos įvertinus pradines kiekybinių parametrų reikšmes.If an unknown object is measured for the first time, for which there is no suitable set of quantitative parameters in the database, then the initial set of quantitative parameters can be formed from the results of the first ultrasound measurement, based on which the initial values of the quantitative parameters are estimated.
Kiekybinių parametrų rinkinys gali būti išrenkamas keliais būdais. Vienu atveju, į sistemą rankiniu būdu įvedamas konkretus medžiagos tipas: pagal šiuos parametrus, paieškos algoritmas duomenų bazėje suras artimiausią kiekybinių parametrų rinkinį. Kitu atveju, sistema atlieka pirmąjį ultragarsinį matavimą, suformuoja parametrų rinkinį, ir pagal minimalius matavimo ir duomenų bazės parametrų rinkinių skirtumus, išrenka iš duomenų bazės artimiausią kiekybinių parametrų rinkinį. Dar kitu atveju, kai duomenų bazėje nesama tinkamo kiekybinių parametrų rinkinio, sistema atlieka pirmąjį matavimą, ir automatiškai iš matavimo rezultatų suformuoja pradinį parametrų rinkinį, kurį įrašo į duomenų bazę.A set of quantitative parameters can be chosen in several ways. In one case, a specific type of material is manually entered into the system: according to these parameters, the search algorithm will find the closest set of quantitative parameters in the database. Otherwise, the system performs the first ultrasound measurement, forms a set of parameters, and based on the minimum differences between the measurement and database parameter sets, selects the closest set of quantitative parameters from the database. In another case, when the database does not contain a suitable set of quantitative parameters, the system performs the first measurement, and automatically forms an initial set of parameters from the measurement results, which is recorded in the database.
Šiame išradime etalono funkciją atlieka virtualus skaitmeninis tiriamo objekto modelis. Tai yra, skaitmeninėje aplinkoje paruošiamas tiriamo objekto etalonas, pakankamai tiksliai aprašantis objekto konstrukcines (geometrines-medžiagines) savybes, ultragarsinių keitiklių (T, 1“) charakteristikas, ultragarsinių keitiklių (T, 1“) išdėstymą atžvilgiu objekto (2), modelį sudarančių baigtinių elementų tipus, ultragarsinių nukreiptųjų bangų sklidimo ir sąveikos su modeliu charakteristikas. Vykdant realaus objekto tyrimus, skaitmeninis modelis lyginamas su ultragarso signalų sklidimo charakteristikomis, išmatuotomis realiame tiriamame objekte.In this invention, the reference function is performed by a virtual digital model of the object under study. That is, a standard of the object under study is prepared in the digital environment, which sufficiently accurately describes the structural (geometrical-material) properties of the object, the characteristics of the ultrasonic transducers (T, 1"), the arrangement of the ultrasonic transducers (T, 1") in relation to the object (2), the finite elements that make up the model types of elements, characteristics of ultrasound guided wave propagation and interaction with the model. In real object research, the digital model is compared with the propagation characteristics of ultrasound signals measured in the real object under investigation.
Skaitmeninis modelis gali būti paruoštas ir pritaikytas, panaudojus specialias tokio modeliavimo priemones ir sistemas. Pavyzdžiui, gali būti naudojamas Baigtinių Elementų būdas (angį. Finite Element method), pusiau analitinis baigtinių elementų būdas (angį. Semi analytical finite element method), globalinės matricos būdas (angį. Global matrix method) bei juos realizuojančios modeliavimo sistemos. Išradimo apimtyje, būdai ir priemonės paruošti ir naudoti skaitmeninį modelį neribojamos.A digital model can be prepared and adapted using special modeling tools and systems. For example, the Finite Element method, the semi-analytical finite element method, the global matrix method and the modeling systems implementing them can be used. Within the scope of the invention, the methods and means for preparing and using the digital model are not limited.
Elastinių savybių įvertinimo būdas pagrįstas grupinio nukreiptų bangų modų greičio matavimu. Būdui reikalingas skirtingais kampais sklindančių simetrinių, asimetrinių ir skersinių modų greičio įvertinimas, kuris leidžia atkurti erdvinį grupinio greičio pasiskirstymą. Šis pasiskirstymas naudojamas elastinių savybių įvertinimo būde, kur pagal skirtingas grupinio greičio komponentas atstatomos medžiagos elastinės savybės. Atliekant periodinius matavimus šis būdas leidžia įvertinti elastinių savybių kitimą laike.The method of evaluating the elastic properties is based on the measurement of the velocity of the group modes of guided waves. The method requires velocity estimation of symmetric, asymmetric, and transverse modes propagating at different angles, which allows the spatial distribution of the group velocity to be reconstructed. This distribution is used in the elastic properties estimation method, where the elastic properties of the material are reconstructed according to the different group velocity components. During periodic measurements, this method allows to evaluate the change of elastic properties over time.
Įrengus ultragarsinius matavimo keitiklius (1‘, 1“) ant tiriamo objekto (2), sistemoje adaptyviai nustatomi matavimo parametrai: ultragarsinių keitiklių koordinatės, atstumai tarp keitiklių, ultragarso bangų sklidimo greičiai, slopinimai, ir kt. Adaptyviai konfigūruojamos sistemos erdvėje paskirstyti ultragarsiniai keitikliai (1', 1“) uždedami rankiniu būdu, reguliuojant jų tarpusavio padėties kampo vertę. Keitiklių poros (siųstuvo-imtuvo) kampinei padėčiai keisti gali būti naudojami specialūs skeneriai. Po to sistema žadina ultragarsines bangas ir apdoroja priimtus signalus.After installing the ultrasonic measuring transducers (1', 1") on the object under investigation (2), the measurement parameters are adaptively set in the system: coordinates of the ultrasonic transducers, distances between the transducers, propagation speeds of ultrasonic waves, attenuation, etc. The ultrasonic transducers (1', 1") distributed in the space of the adaptively configurable system are placed manually, adjusting the value of the angle of their mutual position. Special scanners can be used to change the angular position of the transducer pair (transmitter-receiver). After that, the system generates ultrasound waves and processes the received signals.
Išradimas taip pat apima programinę įrangą. Programinė įranga, realizuojanti būdą pagal išradimą, apima šiuos žingsnius:The invention also includes software. Software implementing the method according to the invention includes the following steps:
• iš kiekybinių parametrų išrenkamas parametrų rinkinys, atitinkantis tiriamą objektą ir medžiagą;• a set of parameters corresponding to the object and material under investigation is selected from the quantitative parameters;
• skaičiuojamas skaitmeninis modelis, apimant žingsnius:• a numerical model is calculated, including the steps:
o sudaromas nukreiptųjų bangų dispersing kreivių skaičiavimo skaitmeninis modelis, o parenkamos ultragarsinių nukreiptųjų bangų modos ir dažnių diapazonas, o ultragarsinėje sistemoje suderinami ir parenkami parametrai nukreiptųjų bangų generavimui;o a digital model for calculating the dispersion curves of guided waves is created, and the modes and frequency range of ultrasonic guided waves are selected, and the parameters for the generation of guided waves are adjusted and selected in the ultrasonic system;
• atliekamas ultragarsinis matavimas ir signalų apdorojimas, apimant žingsnius:• ultrasonic measurement and signal processing are performed, including steps:
o pirminis signalų apdorojimas, o skirtingų modų signale išskyrimas, o išskirtų modų grupinio greičio matavimas;o primary signal processing, o isolation of different modes in the signal, o measurement of the group velocity of the isolated modes;
• sugretinamos išmatuotos ir suskaičiuotos elastinės konstantos, • koreguojami modelio parametrai, • suskaičiuotos elastinės konstantos priimamos kaip atitinkančios tiriamos medžiagos savybes.• the measured and calculated elastic constants are compared, • the model parameters are adjusted, • the calculated elastic constants are accepted as corresponding to the properties of the material under study.
Išradimo įgyvendinimo pavyzdžiai:Examples of implementation of the invention:
Anizotropinių kompozitinių plokščių elastinių konstantų matavimo būdas skirtas įvertinti medžiagos elastines savybes objekte (2), būdas apima ultragarsinės matavimo sistemos panaudojimą, kur ultragarsinė matavimo sistema apima:The method of measuring the elastic constants of anisotropic composite panels is intended to evaluate the elastic properties of the material in the object (2), the method includes the use of an ultrasonic measuring system, where the ultrasonic measuring system includes:
• erdvėje paskirstytus ir ant tiriamo objekto (2) paviršiaus sumontuotus ultragarsinius keitiklius (1‘, 1“), ultragarsinių signalų generatorius, imtuvusstiprintuvus, analoginius-skaitmeninius keitiklius;• ultrasonic transducers (1', 1") distributed in space and installed on the surface of the object under investigation (2), ultrasonic signal generators, receiver amplifiers, analog-digital converters;
• kompiuterinį įrenginį, su bent vienu procesoriumi ir bent vienu atminties moduliu, kur o atminties modulyje talpinami parametrai, duomenų bazės, modeliai, matavimo rezultatai, užregistruoti signalai, PĮ moduliai, ir kiti duomenys, reikalingi įgyvendinti metodą, o procesorius vykdo būdo žingsnius, valdo ultragarsinio matavimo procesus, apdoroja duomenis, vykdo modeliavimą, mašininį mokymą bei klasifikavimą, ir užtikrina vykdymą visų veiksmų, kurie būtini metodui įgyvendinti, o kompiuterio atmintyje saugomas ir modeliuojamas skaitmeninis etalonas, bei duomenų bazėje saugomas analitiškai aprašytas kiekybinių parametrų rinkinys, o ultragarsinio matavimo sistemos siunčiantysis (1‘) ir priimantysis (1“) vienalemenčiai ultragarsiniai keitikliai panaudojami ultragarsinio matavimo sistemoje nukreiptųjų ultragarsinių bangų formavimui, kur vienalemenčių ultragarsinių keitiklių darbiniai dažniai ir generuojamų/priimamų signalų dažnių intervalas apima 30 kHz - 1 MHz.• computer device, with at least one processor and at least one memory module, where the memory module stores parameters, databases, models, measurement results, registered signals, PI modules, and other data needed to implement the method, and the processor executes the steps of the method, controls processes of ultrasonic measurement, processes the data, performs simulation, machine learning and classification, and ensures the execution of all actions necessary to implement the method, and the digital standard is stored and simulated in the computer memory, and the analytically described set of quantitative parameters is stored in the database, and the sender of the ultrasonic measurement system (1') and receiving (1") single-element ultrasonic transducers are used in the ultrasonic measurement system for the formation of directed ultrasonic waves, where the operating frequencies of the single-element ultrasonic transducers and the frequency range of generated/received signals include 30 kHz - 1 MHz.
Siunčiantys (1‘) ir priimantys (1“) ultragarsiniai keitikliai yra pozicionuojami vienas priešais kitą, o siųstuvo ir imtuvo pora yra sukama tokiu kampu, kad atkurtų nukreiptųjų bangų greičio pasiskirstymą tiriamo objekto paviršiuje, priklausomai nuo bangų sklidimo kampo, kur ultragarsinė matavimo sistema žadina visų trijų tipų asimetrines, simetrines ir skersines nukreiptųjų bangų modas. Būdas taip pat apima žingsnius: siunčiantis ultragarsinis keitiklis (1‘) žadinimas generuojamais signalais, registruojami tiriamą objektą (2) perėję ultragarsiniai nukreiptųjų bangų signalai priimančiu ultragarsiniu keitikliu (1“); atliekamas registruotų ultragarsinių signalų pirminis apdorojimas ir signalų segmentų atitinkančių skirtingas modas išskyrimas, sklidimo laiko matavimas; išrenkami kiekybiniai ultragarsinių nukreiptųjų bangų skirtingų modų parametrai, gauti matuojant skirtingomis keitiklių poromis; atliekamas modeliavimo ir matavimo duomenų sugretinimas, nustatant reikiamas elastinių savybių konstantas.Transmitting (1') and receiving (1") ultrasonic transducers are positioned opposite each other, and the transmitter-receiver pair is rotated at such an angle as to reproduce the velocity distribution of the guided waves on the surface of the object under investigation, depending on the angle of propagation of the waves, where the ultrasonic measurement system excites all three types of asymmetric, symmetric and transverse modes of guided waves. The method also includes the steps: sending ultrasonic transducer (1') excitation with generated signals, recording the ultrasonic guided wave signals that have passed through the object under investigation (2) with the receiving ultrasonic transducer (1'); pre-processing of registered ultrasonic signals and separation of signal segments corresponding to different modes, propagation time measurement; quantitative parameters of different modes of ultrasonic guided waves, obtained by measuring with different pairs of transducers, are selected; a comparison of simulation and measurement data is performed, determining the required constants of elastic properties.
Kaip tiriamo objekto (2) etalonas yra naudojamas skaitmeninis etalonas, formuojamas kompiuteriniu modeliavimu iš kiekybinių parametrų rinkinio, apimančio objekto (2) konstrukcines charakteristikas, ultragarsinių signalų ir jų sklidimo objekte (2) charakteristikas. Skaitmeninio etalono palyginimo su ultragarsinių matavimų rezultatais žingsnyje suformuojamas daugiamatis duomenų modulis (DDM), apimantis skirtuminį tomografinį vaizdą ir jo kiekybinių parametrų rinkinį. Vykdomas skaitinis modeliavimas sklidimo greičių palyginimui su išmatuotais ant tiriamo objekto (2). Izotropinių medžiagų matavimams naudojama viena siųstuvo imtuvo pora, ortotropinių medžiagų atveju naudojamos trys siųstuvo imtuvo poros.A digital standard is used as a standard for the object (2) under investigation, which is formed by computer modeling from a set of quantitative parameters, including the structural characteristics of the object (2), the characteristics of ultrasonic signals and their propagation in the object (2). In the step of comparing the digital standard with the results of ultrasound measurements, a multidimensional data module (DDM) is formed, which includes the differential tomographic image and a set of its quantitative parameters. Numerical modeling is carried out to compare the propagation velocities with those measured on the object under study (2). One transmitter-receiver pair is used for measurements of isotropic materials, three transmitter-receiver pairs are used for orthotropic materials.
Kiekybinių parametrų rinkinys apima, bent:The set of quantitative parameters includes, at least:
• tiriamą objektą ir medžiagą;• object and material under investigation;
• sudarytą objekto dispersing kreivių modelį, kuriuo identifikuojamos objekte sklindančios nukreiptųjų bangų modos, jų poslinkiai, pasiskirstymai per objekto storį bei sklidimo nuostoliai;• the created model of the object's dispersing curves, which identifies the modes of directed waves propagating in the object, their displacements, distributions through the object's thickness and propagation losses;
• nustatytus atitinkamų pasirinktų modų dažnius, fazinius ir grupinius greičius;• determined frequencies, phase and group speeds of the corresponding selected modes;
• jei pirmą kartą matuojamas nežinomas objektas, kuriam duomenų bazėje nėra tinkamo kiekybinių parametrų rinkinio, tada pradinis kiekybinių parametrų rinkinys gali būti sudaromas iš pirmojo ultragarsinio matavimo rezultatų, pagal juos įvertinus pradines kiekybinių parametrų reikšmes.• if an unknown object is measured for the first time, for which there is no suitable set of quantitative parameters in the database, then the initial set of quantitative parameters can be made from the results of the first ultrasound measurement, based on which the initial values of the quantitative parameters are estimated.
Naudojama duomenų bazė, apimanti daugiau nei vieną kiekybinių parametrų rinkinį, tokį, kaip konstrukciniai (geometriniai-medžiaginiai) aprašai ir objektų teorinės elastinės konstantos.A database is used that includes more than one set of quantitative parameters, such as structural (geometric-material) descriptions and theoretical elastic constants of objects.
Skaitmeniniai modeliai, apima:Digital models include:
o nukreiptųjų bangų dispersing kreivių skaičiavimo modelį, o ultragarsinių nukreiptųjų bangų modas ir dažnių diapazoną, o ultragarsinės matavimo sistemos parametrus, reikalingus numatytų nukreiptųjų bangų generavimui;o the model for calculating the dispersion curves of guided waves, o the mode and frequency range of ultrasonic guided waves, and the parameters of the ultrasonic measurement system required for the generation of the intended guided waves;
Būdas pagal išradimą tai pat apima ultragarsinį matavimą ir signalų apdorojimą, kuris susideda iš pirminio signalų apdorojimo, skirtingų modų signale išskyrimo ir išskirtų modų grupinio greičio matavimo; išmatuotų ir suskaičiuotų elastinių konstantų palyginimą sugretinant elastines savybes; modelio parametrų korekciją; ultragarsinį matavimą tiriamame objekte (2), su parinktais kiekybiniais parametrais:The method according to the invention also includes ultrasonic measurement and signal processing, which consists of pre-processing the signals, extracting different modes in the signal and measuring the group velocity of the extracted modes; comparison of measured and calculated elastic constants comparing elastic properties; correction of model parameters; ultrasonic measurement in the object under study (2), with selected quantitative parameters:
• generuojamos nukreiptos ultragarsinės bangos ir registruojami ultragarsiniai matavimo signalai;• directed ultrasonic waves are generated and ultrasonic measurement signals are recorded;
• atliekamas pirminis registruotų ultragarsinių matavimo signalų apdorojimas, • atstatomos tiriamo objekto elastinės savybės iš ultragarsinių matavimo signalų.• initial processing of the registered ultrasonic measurement signals is performed, • the elastic properties of the object under investigation are restored from the ultrasonic measurement signals.
Parinkus iš duomenų bazės tinkamiausią kiekybinių parametrų rinkinį, po to pagal šį parinktą parametrų rinkinį:After selecting the most appropriate set of quantitative parameters from the database, then according to this selected set of parameters:
• sudaromas objekto dispersing kreivių modelis, kuriuo identifikuojamos objekte sklindančios nukreiptųjų bangų modos, jų poslinkiai, pasiskirstymai per objekto storį bei sklidimo nuostoliai, o nustatomi atitinkamų pasirinktų modų dažniai, faziniai ir grupiniai greičiai.• a model of the object's dispersing curves is created, which identifies the modes of guided waves propagating in the object, their displacements, distributions through the object's thickness and propagation losses, and the frequencies, phase and group velocities of the corresponding selected modes are determined.
Jei pirmą kartą matuojamas nežinomas objektas, kuriam duomenų bazėje nėra tinkamo kiekybinių parametrų rinkinio, tada pradinis kiekybinių parametrų rinkinys gali būti sudaromas iš pirmojo ultragarsinių matavimo rezultatų, pagal juos įvertinus pradines kiekybinių parametrų reikšmes.If an unknown object is measured for the first time, for which there is no suitable set of quantitative parameters in the database, then the initial set of quantitative parameters can be created from the results of the first ultrasonic measurement, based on which the initial values of the quantitative parameters are estimated.
Kiekybinių parametrų rinkinys gali būti išrenkamas:A set of quantitative parameters can be selected:
• į sistemą rankiniu būdu įvedant konkretų medžiagos tipą, kur pagal šiuos parametrus, paieškos algoritmas duomenų bazėje suranda artimiausią kiekybinių parametrų rinkinį, arba • yra atliekamas pirmas ultragarsinis matavimas ultragarsinio matavimo sistema, suformuojamas parametrų rinkinys, ir pagal minimalius matavimo ir duomenų bazės parametrų rinkinių skirtumus, išrenkamas iš duomenų bazės artimiausias kiekybinių parametrų rinkinys, arba • kai duomenų bazėje nesama tinkamo kiekybinių parametrų rinkinio, sistema atlieka pirmąjį matavimą, ir automatiškai iš matavimo rezultatų suformuoja pradinį parametrų rinkinį, kurį įrašo į duomenų bazę.• by manually entering a specific type of material into the system, where according to these parameters, the search algorithm finds the closest set of quantitative parameters in the database, or • the first ultrasonic measurement is performed by an ultrasonic measurement system, a set of parameters is formed, and according to the minimum differences between the measurement and database parameter sets , the closest set of quantitative parameters is selected from the database, or • when there is no suitable set of quantitative parameters in the database, the system performs the first measurement, and automatically creates an initial set of parameters from the measurement results, which it records in the database.
Kiekybinių parametrų rinkiniai ir jų duomenų bazė yra formuojami bet kuriuo šių būdų ar jų kombinacija:Quantitative parameter sets and their database are formed by any or a combination of the following methods:
• rankiniu būdu įvedus ir koreguojant kiekybinių parametrų rinkinio vertes;• by manually entering and adjusting the values of a set of quantitative parameters;
• įvedus duomenis iš kitų eksperimentų, matavimų bei modeliavimo rezultatų;• after entering data from other experiments, measurements and modeling results;
• vykdant matavimus naujame nežinomame objekte ir kaupiant jo matavimo istorinius-statistinius duomenis.• performing measurements in a new unknown object and accumulating historical-statistical data of its measurement.
Objekto matavimui kiekybinių parametrų rinkinys išrenkamas bet kuriuo šių būdų ar jų kombinacija:For measuring an object, a set of quantitative parameters is selected by any of the following methods or a combination thereof:
• rankiniu būdu įvedus ir koreguojant kiekybinių parametrų rinkinio vertes, • atlikus kalibracinį objekto (2) ultragarsinį matavimą, suformavus matavimo parametrų rinkinį, ir pagal jo bei duomenų bazės rinkinių minimalius skirtumus, išrenkamas artimiausias kiekybinių parametrų rinkinys;• after manually entering and correcting the values of a set of quantitative parameters, • after performing a calibration ultrasonic measurement of the object (2), forming a set of measurement parameters, and according to the minimal differences between it and the database sets, the closest set of quantitative parameters is selected;
• atlikus kalibracinį objekto ultragarsinį matavimą, iš šio matavimo rezultatų suformuojamas kiekybinių parametrų rinkinys, kuris laikomas etaloniniu kiekybinių parametrų rinkiniu, įrašomu ir į duomenų bazę.• after performing the calibration ultrasonic measurement of the object, a set of quantitative parameters is formed from the results of this measurement, which is considered a reference set of quantitative parameters, which is also recorded in the database.
Skaitmeninis etalonas ir ultragarsinis signalų sklidimas jame yra modeliuojami:The digital reference and ultrasonic signal propagation are modeled in it:
• baigtinių elementų būdu, arba • pusiau analitiniu baigtinių elementų būdu, arba • globalinės matricos būdu.• by the finite element method, or • by the semi-analytical finite element method, or • by the global matrix method.
Būdas pagal išradimą taip papildomai apima ultragarsinių matavimų sistemos adaptavimo žingsnį, kuriuo, pagal ant tiriamo objekto (2) įrengtais ultragarsiniais keitikliais atliktus kalibracinius matavimus, koreguoja skaitmeninio modelio parametrus, minimizuodamas skirtumines paklaidas tarp matuojamo objekto (2) ir skaitmeninio modelio.The method according to the invention thus additionally includes the step of adapting the ultrasonic measurement system, which, according to the calibration measurements performed by the ultrasonic transducers installed on the object under investigation (2), corrects the parameters of the digital model, minimizing the differential errors between the object being measured (2) and the digital model.
Skaitmeninio modelio palyginimas su ultragarsinio matavimo rezultatu atliekamas prieš išmatuotų ir suskaičiuotų elastinių konstantų sugretinimą ir (arba) po jo.The comparison of the numerical model with the result of the ultrasonic measurement is performed before and/or after the comparison of the measured and calculated elastic constants.
Ultragarsinio matavimo sistema, skirta išmatuoti anizotropinių kompozitinių plokščių elastines konstantas būdu pagal išradimą apima:An ultrasonic measurement system for measuring the elastic constants of anisotropic composite panels according to the invention includes:
• bent vieną siunčiantį (1‘) ir bent vieną priimantį (1“) ultragarsinius keitiklius ar jų gardeles, įrengtus ant tiriamo objekto (2), • ultragarsinius generatorius, • stiprintuvus, • analoginius-skaitmeninius keitiklius, • kompiuterinį įrenginį, apimantį bent vieną procesorių ir bent vieną atminties modulį, duomenų bazes, ir vykdančius programiškai būdo žingsnius.• at least one transmitting (1') and at least one receiving (1") ultrasonic transducers or their grids installed on the object under investigation (2), • ultrasonic generators, • amplifiers, • analog-to-digital converters, • a computer device including at least one processor and at least one memory module, databases, and executing programmatically method steps.
Sistemoje matavimo etaloną realizuoja skaitmeninis etalonas, suformuotas kompiuteriniu modeliavimu atmintyje iš kiekybinių parametrų rinkinio. Ultragarsiniai keitikliai (1', 1“) yra išdėstyti ant tiriamo objekto (2) ir sukonfigūruoti taip, kad tiriamo objekto (2) numatytame regione generuotų nukreiptąsias ultragarsines bangas, sklindančias numatytomis kryptimis.In the system, the measurement standard is realized by a digital standard, formed by computer simulation in memory from a set of quantitative parameters. The ultrasonic transducers (1', 1") are placed on the test object (2) and configured to generate directed ultrasonic waves propagating in the intended directions in the intended region of the test object (2).
Ultragarsinių keitiklių arba jų gardelių ir ultragarsinių bangų dažnių efektyvus diapazonas apima nuo 30 kHz iki 1 MHz.The effective frequency range of ultrasonic transducers or gratings and ultrasonic waves is from 30 kHz to 1 MHz.
Vieno siunčiančio ir priimančio ultragarsinių keitiklių konfigūracijoje, siunčiantis ultragarsinis keitiklis (1') ir (arba) priimantis ultragarsinis keitiklis (1“) yra adaptyviai konfigūruojami, keičiant keitiklių padėtį erdvėje, pasukant tam tikru kampu ir užregistruojant sklindančių ultragarsinių bangų signalus.In the configuration of one transmitting and receiving ultrasonic transducers, the transmitting ultrasonic transducer (1') and/or the receiving ultrasonic transducer (1") are adaptively configured by changing the position of the transducers in space, rotating at a certain angle and registering the signals of the propagating ultrasonic waves.
Programinė įranga, skirta realizuoti būdą pagal išradimą, naudojant sistemą, skirtą įgyvendinti būdui pagal išradimą, apimanti kompiuterinius algoritmus ir programinius modulius, apima žingsnius:Software for implementing the method according to the invention using a system for implementing the method according to the invention, comprising computer algorithms and software modules, includes the steps of:
• iš kiekybinių parametrų išrenkamas parametrų rinkinys, atitinkantis tiriamą objektą ir medžiagą;• a set of parameters corresponding to the object and material under investigation is selected from the quantitative parameters;
• skaičiuojamas skaitmeninis modelis:• a numerical model is calculated:
o sudaromas nukreiptųjų bangų dispersing kreivių skaičiavimo skaitmeninis modelis, o parenkamos ultragarsinių nukreiptųjų bangų modos ir dažnių diapazonas, o ultragarsinėje sistemoje suderinami ir parenkami parametrai nukreiptųjų bangų generavimui;o a digital model for calculating the dispersion curves of guided waves is created, and the modes and frequency range of ultrasonic guided waves are selected, and the parameters for the generation of guided waves are adjusted and selected in the ultrasonic system;
• atliekamas ultragarsinis matavimas ir signalų apdorojimas:• ultrasonic measurement and signal processing are performed:
- pirminis signalų apdorojimas,- initial signal processing,
- skirtingų modų signale išskyrimas,- separation of different modes in the signal,
- išskirtų modų grupinio greičio matavimas;- measurement of the group velocity of isolated modes;
• sugretinamos išmatuotos ir suskaičiuotos elastinės konstantos;• measured and calculated elastic constants are compared;
• koreguojami modelio parametrai, • suskaičiuotos elastinės konstantos priimamos kaip atitinkančios tiriamos medžiagos savybes.• the parameters of the model are adjusted, • the calculated elastic constants are accepted as corresponding to the properties of the material under study.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2022553A LT7073B (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2022553A LT7073B (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2022553A LT2022553A (en) | 2024-06-25 |
| LT7073B true LT7073B (en) | 2024-07-25 |
Family
ID=91581202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2022553A LT7073B (en) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT7073B (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5408882A (en) | 1991-06-24 | 1995-04-25 | General Electric Company | Ultrasonic device and method for non-destructive evaluation of polymer composites |
| US6092421A (en) | 1998-08-28 | 2000-07-25 | California Institute Of Technology | Ultrasonic system for automatic determination of material stiffness constants |
| US6575036B1 (en) | 2000-06-22 | 2003-06-10 | The Boeing Company | Method for in-situ nondestructive measurement of Young's modulus of plate structures |
-
2022
- 2022-12-15 LT LT2022553A patent/LT7073B/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5408882A (en) | 1991-06-24 | 1995-04-25 | General Electric Company | Ultrasonic device and method for non-destructive evaluation of polymer composites |
| US6092421A (en) | 1998-08-28 | 2000-07-25 | California Institute Of Technology | Ultrasonic system for automatic determination of material stiffness constants |
| US6575036B1 (en) | 2000-06-22 | 2003-06-10 | The Boeing Company | Method for in-situ nondestructive measurement of Young's modulus of plate structures |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2022553A (en) | 2024-06-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sharif-Khodaei et al. | Assessment of delay-and-sum algorithms for damage detection in aluminium and composite plates | |
| CN110412130A (en) | Damage Imaging Method for Composite Materials Based on Energy Spectrum and Lamb Wave Tomography | |
| Liu et al. | Locating and imaging contact delamination based on chaotic detection of nonlinear Lamb waves | |
| CN102759487B (en) | Non-destructive testing system and testing method for composite materials based on local stiffness method | |
| CN114235962B (en) | Anisotropic structure-oriented ultrasonic guided wave imaging method and system | |
| Huthwaite | Improving accuracy through density correction in guided wave tomography | |
| Wang et al. | A cross-scanning crack damage quantitative monitoring and imaging method | |
| CN105572229B (en) | Method for verifying the calibration of a non-destructive testing system for components and assembly | |
| CN119335157A (en) | Metal material defect identification and analysis method and system based on multiple detection technology | |
| Monaco et al. | Methodologies for guided wave-based SHM system implementation on composite wing panels: results and perspectives from SARISTU scenario 5 | |
| US20240013044A1 (en) | Method for characterizing a part through non-destructive inspection | |
| Ren et al. | Review of damage detection techniques in vibration-based structural health monitoring | |
| Liu et al. | Application and challenges of signal processing techniques for Lamb waves structural integrity evaluation: Part B—Defects imaging and recognition techniques | |
| Zhao et al. | Early fatigue crack damage identification by multi-classification support-vector machine based on lamb wave and temperature compensation | |
| CN107045003A (en) | A kind of aluminium alloy structure corrosion damage monitoring method based on synchronous iteration algorithm for reconstructing | |
| LT7073B (en) | Method, system and software for measuring elastic constants of anisotropic composite plates | |
| Kundu et al. | An improved technique for locating the point of impact from the acoustic emission data | |
| CN114460175B (en) | A method for detecting damage to thin-walled structures | |
| CN114594160B (en) | Aircraft thin-wall structure simulation detection system and detection method thereof | |
| Schmerr, Jr et al. | Ultrasonic flaw sizing-an overview | |
| Ambrozinski et al. | Damage detection in plate-like structures based on mode-conversion sensing with 3D laser vibrometer | |
| Malyarenko | Lamb wave diffraction tomography | |
| CN119846069B (en) | Lamb wave excitation and reception optimization method for nondestructive testing positioning of hyperbolic glass curtain walls | |
| Balasubramaniam et al. | A study of electromechanical impedance and guided wave techniques for the sensitivity of sensors network in damage detection | |
| Lares et al. | Image Reconstruction using RAPID Algorithm with Time-Frequency Analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20240625 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20240725 |