Simulatie van een next-generation phased array based Ultrasone Polaire Scan systeem voor de karakterisatie van visco-elastische materialen

Er wordt op dit moment veel onderzoek verricht naar het gebruik van composietmaterialen zoals Carbon Fibre Reinforced Plastics (CFRP). De verwerking van koolstofvezels in een licht polymeer resulteert namelijk in een materiaal met een hoge sterkte-tot-gewicht ratio die nuttig is in applicaties waar een hoge performantie essentieel is. Voordat composieten efficiënt kunnen geïntegreerd worden in specifieke componenten moeten uiteraard bepaalde mechanische eigenschappen gekend zijn zoals de sterkte, stijfheid en viscositeit van het materiaal. Composieten zijn echter typisch anisotropisch, wat betekend dat de eigenschappen afhankelijk zijn van de oriëntatie. Daarnaast zijn composieten gevoeliger aan defecten zoals delaminaties die de mechanische eigenschappen beïnvloeden. Om met deze moeilijkheden om te kunnen gaan, moeten hoogefficiënte Niet-Destructieve Testtechnieken ontwikkeld worden.

In dit manuscript wordt het onderzoek naar de verdere ontwikkeling van de Ultrasone Polaire Scan (UPS) besproken. In deze techniek wordt ultrageluid gebruikt om composieten te exciteren vanuit verschillende invalshoeken Psi(theta,phi). Hierna kunnen de reflecteerde of getransmiteerde signalen opgemeten worden. Deze data resulteren in een "fingerprint' van het materiaal dat kan verwerkt worden met een inversiealgoritme zodat de visco-elastische C-tensor van het materiaal kan bepaald worden. In een gecontroleerde omgeving zijn reeds excellente resultaten geboekt met deze techniek, maar het meetsysteem is niet handig om in een industriële context te gebruiken. Het doel van deze thesis is dan ook om het gehele meetproces te evalueren en om een nieuw, geminiaturiseerd UPS toestel te ontwikkelen.

Het basisidee is om phased array technologie te gebruiken om de functionaliteit van de UPS te verbeteren. Zo is een optimalisatiealgoritme ontwikkeld om de beamforming capaciteiten van de phased array te exploreren voor harmonische signalen. Met dit algoritme kunnen apodizatie gewichten en fases gevonden worden waarmee een quasi-plane wave gevormd wordt die bounded beam effecten moeten tegengaan die aanwezig zijn in het originele systeem. Bovendien kunnen deze frequentie afhankelijke resultaten gebruikt worden om een puls mee te coderen zodat het quasi-plane wave karakter ook in deze pulse aanwezig is. In een volgende stap is het nieuwe beamprofiel gebruikt in een 2D Finite Elements (FE) simulatie van UPS experimenten. Uit deze simulaties is echter gebleken dat de quasi-plane wave niet voldoende is om bounded beam effecten weg te filteren. Wel is het mogelijk om een nagenoeg perfecte reconstructie van de reflectie coefficient te bekomen door de data te verwerken met de synthetic plane wave technique in de veronderstelling dat excitatiefrequentie hoog genoeg is. Door alle frequentie afhankelijke informatie te combineren, kunnen reflectie landschappen gevormd worden waarbij de valleien overeenstemmen met de Lamb wave dispersierelaties zolang dat de interactie tussen de plaat en de omliggende vloeistof niet te sterk is.

Op basis van de voorgaande resultaten, werd een alternatief UPS design voorgesteld die de phased array enkel nog gebruikt om de reflecteerde signalen op te vangen. De excitatie van de plaat gebeurt door cylindrisch gefocuste transducers. Het 2D model werd vervangen door een analytisch 3D model waarmee volledige UPS experimenten kunnen nagebootst worden. Aan de hand van dit model zijn drie parameterstudies uitgevoerd om het belang van enkele designparameters te evalueren. De eerste studie toont aan dat de straal van het systeem groot genoeg moet zijn. De tweede studie suggereert dat het nuttig is om zowel langer ontvangers als uitzenders te gebruiken. Hierbij blijkt voornamelijk de lengte van de uitzender van belang. De derde studie toont aan dat de pitch van de array klein genoeg moet zijn om aliasing te voorkomen. Echter, het probleem kan ook gedeeltelijk verholpen worden door meerdere uitzenders te gebruiken met een kleiner angulair bereik. Op basis van deze studies is een lijst van aanvaardbare parameters opgesteld waarmee het systeem verder numeriek gevalideerd werd.

Tot nu toe werd steeds gebruikgemaakt van geïdealiseerde array elementen. Daarom is het voorgaande model uitgebreid met een FE routine die de array realistischer benaderd. Hiervoor is eerst een specifiek design voor de array uitgewerkt waarbij het belang van de materialen voor de verschillende onderdelen is onderzocht. Uit deze preliminaire simulatiestudies blijkt dat het mogelijk moet zijn om adequate schattingen van de plane wave reflectiecoëfficiënten te bekomen langs de symmetrieassen van het materiaal. In het geval van aluminium bleek dat de lagere datakwaliteit geen probleem wordt voor het bepalen van de C-tensor.

Uit de resultaten neergeschreven in dit manuscript blijkt dat een UPS systeem op basis van een phased array een nuttig alternatief is voor het huidige systeem. Niet alleen is dit alternatief makkelijker te gebruiken en draagbaar, de kwaliteit van de data is verbeterd, wat nuttig leidt tot betere schattingen van de materiaaleigenschappen.