Определение оптимальных параметров возбуждения бегущих волн при бесконтактном ультразвуковом контроле анизотропных композитных пластин

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В рамках полуаналитической компьютерной модели, базирующейся на решении пространственной краевой задачи о взаимодействии поля воздушно-связного ультразвукового преобразователя с композитной пластиной из волоконно-армированных слоев-препрегов, исследуется влияние анизотропии композита и угла наклона бесконтактного преобразователя на диаграммы направленности, амплитудно-частотные характеристики и дисперсионные свойства возбуждаемых в пластине бегущих волн. Волновое поле описывается решением связной задачи для системы источник — акустическая среда — композитная пластина, полученным в виде контурных интегралов обратного преобразования Фурье от матрицы Грина рассматриваемой волноводной структуры и параметров источника. Применение к ним техники теории вычетов и метода стационарной фазы дает явное физически наглядное представление для бегущих волн, бесконтактно возбуждаемых в композитной пластине. На этой основе определяются значения оптимальных углов наклона преобразователя для возбуждения волн требуемого типа на заданных центральных частотах. Приводятся численные результаты, иллюстрирующие зависимость амплитудно-частотных характеристик возбуждаемых волн и оптимального угла наклона преобразователя от упругих свойств и строения образцов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. А. Ермоленко

Кубанский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: o.ermolenko.a@gmail.com
Россия, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149

Е. В. Глушков

Кубанский государственный университет

Email: evg@math.kubsu.ru
Россия, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149

Н. В. Глушкова

Кубанский государственный университет

Email: nvg@math.kubsu.ru
Россия, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149

Список литературы

  1. Rubino F., Nisticó A., Tucci F., Carlone P. Marine Application of Fiber Reinforced Composites: A Review // J. Mar. Sci. Eng. 2020. V. 8 (1). Article number 26.
  2. Khan F., Hossain N., Mim J.J.,Rahman Sm.M., Iqbal Md.J., Billah M., Chowdhury M.A. Advances of composite materials in automobile applications — A review // Journal of Engineering Research. 2024. (In Press).
  3. Ince C., Peerzada M., Mathews L.D., Pai A.R., Al-qatatsheh A., Abbasi S., Yin Y., Hameed N., Duffy A.R., Lau A.K., Salim N.V. Overview of emerging hybrid and composite materials for space applications // Adv. Compos. Hybrid. Mater. 2023. V. 6. Article number 130.
  4. Raghavan A., Cesnik C.E.S. Review of Guided-Wave Structural Health Monitoring // The Shock and Vibration Digest. 2007. V. 39. P. 91—114.
  5. Giurgiutiu V. Structural health monitoring with piezoelectric wafer active sensors. Oxford, UK: Elsevier Academic Press, 2014. P. 1024.
  6. Farlow R., Kelly S.P., Hayward G. Advances in air coupled NDE for rapid scanning applications / 1994 Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium. 1994. V. 2. P. 1099—1102.
  7. Grandia W., Fortunko C. NDE applications of air-coupled ultrasonic transducers // IEEE Ultrasonic Symposium, Proceedings. 1995. V. 1. P. 697—709.
  8. Castaings M., Cawley P. The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air-coupled ultrasonic transducers // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. No. 5. P. 3070—3077.
  9. Safaeinili A., Lobkis O.I., Chimenti D.E. Quantitative materials characterization using air-coupled leaky Lamb waves // Ultrasonics. 1996. V. 34. P. 393—396.
  10. Дерусова Д.А., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю., Raut A.V. Применение импульсного газоразрядного электроакустического преобразователя для задач дефектоскопии // Дефектоскопия. 2024. № 12. С. 30—43.
  11. Derusova D.A., Vavilov V.P., Nekhoroshev V.O., Shpil’noi V.Yu. Characterizing air-coupled gas discharge acoustic transducers by using scanning laser Doppler refracto-vibrometry // Optics and Lasers in Engineering. 2024. V. 175. Article number 108043.
  12. Chimenti D.E. Review of air-coupled ultrasonic materials characterization // Ultrasonics. 2014. V. 54. No. 7. P. 1804—1816.
  13. Castaings M., Hosten B. Air-coupled measurement of plane wave, ultrasonic plate transmission for characterising anisotropic, viscoelastic materials // Ultrasonics. 2000. V. 38. P. 781—786.
  14. Hosten B., Castaings M., Tretout H., Voillaume H. Identification of composite materials elastic moduli from Lamb wave velocities measured with single sided, contactless ultrasonic method // AIP Conf. Proc. 2001. V. 557. P. 1023—1030.
  15. Dahmen S., Ketata H., Ben Ghozlen M.H., Hosten B. Elastic constants measurement of anisotropic Olivier wood plates using air-coupled transducers generated Lamb wave and ultrasonic bulk wave // Ultrasonics. 2010. V. 50. P. 502—507.
  16. Takahashi T., Lematre M., Fortineau J., Lethiecq M. Elastic parameters characterization of multilayered structures by air-coupled ultrasonic transmission and genetic algorithm // Ultrasonics. 2022. V. 119. Article number 106619.
  17. Zhang H., Liang D., Rui X., Wang Z. Noncontact damage topography reconstruction by wavenumber domain analysis based on air-coupled ultrasound and full-field laser vibrometer // Journal of Sensors. 2021. V. 21. Is. 2. P. 609.
  18. Lingyu Yu., Wenfeng X., Hanfei M., Giurgiutiu V. Delamination imaging in composites using cross-correlation method by non-contact air-coupled Lamb waves // Smart Materials and Structures. 2023. V. 32. Article number 105013.
  19. Kažys R., Demčenko A., Žukauskas E., Mazeika L. Air-coupled ultrasonic investigation of multi-layered composite materials // Ultrasonics. 2006. V. 44. Suppl. 1. P. e819—22.
  20. Wandowski T., Mindykowski D., Kudela P., Radzienski M. Analysis of Air-Coupled Transducer-Based Elastic Waves Generation in CFRP Plates // Sensors. 2021. V. 21. Article number 7134.
  21. Bartoli I., Marzani A., di Scalea F.L., Viola E. Modeling wave propagation in damped waveguides of arbitrary cross‐section // J. Sound Vib. 2006. V. 295. P. 685—707.
  22. Huber A. Non-destructive testing of future rocket boosters using air-coupled ultrasound / Proceeding of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT 2016). (Germany, Munich, 13—17 June 2016). 2016. P. 1—9.
  23. Adebahr W., Bernhardt Y., Kreutzbruck M. 3D-robotized air-coupled ultrasound measurements of large components / Proceeding of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT 2016). (Germany, Munich, 13—17 June 2016). 2016. P. 1—8.
  24. Bernhardt Y., Kreutzbruck M. Integrated defect sensor for the inspection of fiber-reinforced plastics using air-coupled ultrasound // J. Sens. Sens. Syst. 2020. V. 9. P. 127—132.
  25. Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Ермоленко О.А. Моделирование работы бесконтактного ультразвукового преобразователя в системах активного волнового мониторинга тонкостенных конструкций // Дефектоскопия. 2022. № 8. С. 12—24.
  26. Федоров Ф.И. Теория упругих волн в кристаллах. М.: Наука, 1965. 388 с.
  27. Петрашень Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. Л.: Наука, 1980. 280 с.
  28. Rokhlin S., Chimenti D., Nagy P. Physical Ultrasonics of Composites. New York, NY: Oxford University Press, 2011. 378 p.
  29. Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Мякишева О.А. Распределение энергии ультразвукового излучателя между бегущими волнами, возбуждаемыми в погруженном упругом волноводе // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 6. С. 723—735.
  30. Glushkov E.V., Glushkova N.V., Miakisheva O.A. Backward waves and energy fluxes excited in acoustic medium with an immersed plate // Ultrasonics. 2019. V. 92. P. 158—168.
  31. Glushkov E.V., Glushkova N.V., Eremin A.A., Miakisheva O.A. Ultrasonic inspection of anisotropic laminate plates immersed in acoustic medium // Materials Physics and Mechanics. 2019. V. 42. P. 491—501.
  32. Ermolenko O.A., Glushkov E.V., Glushkova N.V. Ultrasonic Inspection of Fluid-Loaded Anisotropic Laminate Plates / 2024 Days on Diffraction (DD) (St. Petersburg, 10—14 June 2024). 2024. P. 25—30.
  33. Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Кривонос А.С. Возбуждение и распространение упругих волн в многослойных анизотропных композитах // Прикл. математика и механика. 2010. № 74. С. 297—305.
  34. Glushkov E.V., Glushkova N.V., Eremin A.A. Forced wave propagation and energy distribution in anisotropic laminate composites // Journal of the Acoustical Society of America. 2011. V. 129. P. 2923—2934.
  35. Глушков Е.В., Глушкова Н.В., Варелджан М.В. Сравнительный анализ эффективности программной реализации полуаналитических методов расчета волновых полей в многослойных анизотропных композитах // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математическое моделирование и программировани» (Вестник ЮУрГУ ММП). 2022. Т. 15. № 2. С. 56—69
  36. Christensen R.M. Mechanics of Composite Materials. N.Y.: Wiley-Interscience, 1979.
  37. Меркулов Л.Г. Затухание нормальных волн в пластинах, находящихся в жидкости // Акуст. журн. 1964. Т. 10. № 2. С. 206—212.
  38. Rokhlin S.I., Chimenti D.E., Nayfeh A.H. On the topology of the complex wave spectrum in a fluid-coupled elastic layer // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 85. No. 3. P. 1074—1080.
  39. Shuvalov A.L., Poncelet O., Deschamps M. Analysis of the dispersion spectrum of fluid-loaded anisotropic plates: flexural-type branches and real-valued loops // Journal of Sound and Vibration. 2006. V. 290. P. 1175—1201.
  40. Shuvalov A.L., Poncelet O., Deschamps M. Analysis of the dispersion spectrum of fluid-loaded anisotropic plates: leaky-wave branches // Journal of Sound and Vibration. 2006. V. 296. P. 494—517.
  41. Sessarego J.-P., Sagéloli J., Gazanhes C., Überall H. Two Scholte-Stoneley waves on doubly fluid-loaded plates and shells // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 101. No. 1. P. 135—142.
  42. Miakisheva O.A., Glushkov E.V., Glushkova N.V. Air-coupled ultrasonic inspection of anisotropic composite plates / 2020 Days on Diffraction (DD) (St. Petersburg, 25—29 May 2020). 2020. P. 79—84.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зондирование бесконтактным преобразователем (а); геометрия задачи (б).

Скачать (167KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые медленностей для изотропного образца I: (а) — Resn(f); (б) — Imsn(f).

Скачать (199KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кривые медленностей для однородного анизотропного образца II при γ = 0, π/4 и π/2; верхняя строка — Resn(f), нижняя строка — Imsn(f).

Скачать (438KB)
Метаданные
5. Рис. 4. То же, что на рис. 3, но для поперечно-армированного образца III.

Скачать (428KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Угловые диаграммы |az(φ)| вертикальной компоненты амплитуды бегущих волн, возбуждаемых горизонтальным источником (θ = 0°) на частотах f = 0,2 МГц (вверху) и f = 0,4 МГц (внизу).

Скачать (684KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Угловые диаграммы |az(φ)| на частоте f = 0,2 МГц при θ = 5°.

Скачать (320KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Амплитудный множитель ω2|az| для фундаментальной моды A0 для образцов I—III в зависимости от частоты f и угла наклона источника θ в направлении φ = 0; сплошная линия — значение критического угла для возбуждения моды A0.

Скачать (233KB)
Метаданные
9. Рис. 8. То же, что на рис. 7, но в направлении φ = π/4 при повороте АСТ вокруг оси z на такой же угол ψ = π/4.

Скачать (238KB)
Метаданные
10. Рис. 9. То же, что и на рис. 7, но для фундаментальной моды S0; сплошная линия — значение критического угла для возбуждения моды S0.

Скачать (175KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Угловая диаграмма |az| на частоте f = 0,2 МГц: а — θI; б — θII; в — θIII.

Скачать (285KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025