عنوان

مطالعه‌ی تئوری و تجربی رفتار نشر آکوستیکی در ورق های نازک دو لایه,‮‭Theoretical and Experimental Study of Acoustic Emission Behavior in Two Layered Thin Plates‬

‭۲۰۱۱۰پ‬

per

مطالعه‌ی تئوری و تجربی رفتار نشر آکوستیکی در ورق های نازک دو لایه

‮‭Theoretical and Experimental Study of Acoustic Emission Behavior in Two Layered Thin Plates‬

/سامان داودی

: فنی و مهندسی مکانیک

، ‮‭۱۳۹۷‬

، افشار

‮‭۱۲۲‬ص‬

چاپی - الکترونیکی

دکتری

مهندسی مکانیک گرایش ساخت و تولید

‮‭۱۳۹۷/۰۴/۱۹‬

تبریز

مانیتورینگ پیوسته سازههای تحت بارگذاری در نیروگاه‌های هسته‌ای، مجتمع‌های پتروشیمی، پالایشگاه و ... بسیار حائز اهمیت است .با گذشت زمان در اثر رشد ترک، فرسایش و یا خوردگی، احتمال ایجاد نشت و در نتیجه هدر رفت مقادیر قابل توجهی از انرژی وجود خواهد داشت .این سازه‌ها اغلب دارای یک لایه محافظ) چه بصورت عایق و چه بصورت رنگ (می‌باشند که صدمه دیدن پوشش محافظ آن‌ها، سبب خوردگی موضعی و نشت می‌شود .از اینرو بازرسی در حین کار این سازه‌ها بسیار مهم می‌باشد .روش‌های مختلفی برای مانیتورینگ سلامت سازه‌ها وجود دارد .روش آکوستیک امیژن به عنوان یکی از تکنیک‌های تست غیرمخرب در زمینه بازرسی سلامت سازه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است .یکی از مزایای اصلی این روش امکان مکان‌یابی ترک و یا نشت می‌باشد .در اثر رشد ترک و یا ایجاد ناپیوستگی، انرژی آزاد می‌شود که این انرژی بصورت امواج تنشی در سازه انتقال می‌یابد .این امواج در ورق جدار نازک به صورت ترکیبی از مودهای خمشی و کششی انتشار می‌یابند .امواج آکوستیکی سبب ایجاد جابجایی و ارتعاش در راستاهای مختلف می‌شوند که می‌توان با استفاده از سنسورهایی که بر روی سطح سازه نصب می‌شوند، آن‌ها را ثبت نمود .نحوه‌ی انتشار امواج آکوستیکی در ورق‌های دو لایه و میرا شدن آن‌ها از جمله پارامترهای اصلی در مکان‌یابی منبع آکوستیکی می‌باشند .لذا تحلیل تئوری رفتار آکوستیکی-ارتعاشی ورق‌ها به هنگام انتشار امواج آکوستیک، می‌تواند اطلاعات مهمی را در مورد نحوه‌ی ارتعاش سازه، حوزه‌ی فرکانس و سرعت انتشار مودهای آکوستیکی جهت مکان‌یابی ترک و محل نشتی فراهم کند که این امر می‌تواند مانع از هدر رفت مقدار قابل توجهی انرژی شود .در این رساله به تحلیل رفتار ارتعاشی-آکوستیکی ورق‌های مستطیل شکل‍ جدار نازک‍ دو لایه که تحت بارگذاری آکوستیکی قرار دارند، پرداخته شد .ورق مورد نظر از یک لایه‌ی اصلی الاستیک) آلومینیوم (و یک لایه‌ی متصل ویسکوالاستیک) پلی‌اتیلن (بعنوان لایه‌ی محافظ تشکیل شده است .ابعاد لایه‌ی آلومینیومی‮‭۳‬ ‌‮‭۷۰۰‬‌ ‮‭۷۰۰‬میلی‌متر مکعب می‌باشد .لایه‌ی پلی‌اتیلنی با ابعاد‮‭۲‬ ‌‮‭۵۰۰‬‌ ‮‭۷۰۰‬میلی‌متر مکعب بر روی آن به روش پوشش دهی گرم، پوشش داده شده است .با توجه به اینکه نسبت ضخامت به دو بعد دیگر ورق کمتر از ‮‭۰۱/۰‬ می‌باشد، ورق بعنوان جدار نازک در نظر گرفته می‌شود .برای پیش‌بینی رفتار ارتعاشی ورق مورد نظر، تئوری‌های ون-کارمن و کلوین-وویت مورد استفاده قرار گرفت .برای اعمال نیروی آکوستیکی، از شکستن نوک مداد، به عنوان منبع شبیه سازی شده، استفاده شد .با توجه به تشکیل مودهای کششی و خمشی به هنگام انتشار، نوع جابجایی آن‌ها سبب ارتعاش ورق در راستاهای مختلف می‌شود .برای محاسبه‌ی جابجایی ورق در راستاهای مختلف، معادلات حرکت با در نظر گرفتن ترم‌های خطی و غیرخطی در تانسور کرنش استخراج گردید .با توجه به غالب بودن مود خمشی و نوع جابجایی آن، معادله‌ی حرکت با استفاده از روش حل گالرکین در راستای محور ‮‭z‬ حل شد و سیستمی از معادلات غیر خطی با ‮‭۳‬ درجه‌ی آزادی به دست آمد .جهت حل این معادلات از ابزار ‮‭ODE‬ نرم‌افزار متلب استفاده شد .برای بررسی صحت مدل ارائه شده، آزمایش‌های آکوستیک امیژن با استفاده از منبع شبیه‌سازی شده‌ی شکستن نوک مداد انجام شد .برای این منظور نوک گرافیتی به قطر ‮‭۳/۰‬ و طول ‮‭۴/۴‬ میلی‌متر تحت زوایای‮‭۳۰‬ ، ‮‭۴۵‬ و ‮‭۶۰‬ درجه بر روی لایه‌ی پلی‌اتیلنی شکسته شد و امواج حاصل با استفاده از دو سنسور آکوستیکی ‮‭R۱۵a‬ که بر روی صفحه‌ی آلومینیومی نصب شده‌اند، ثبت گردید .نتایج حاصل از حوزه‌های فرکانسی بدست آمده از مدل ارائه شده و آزمایش‌های آکوستیکی مقایسه شد .بررسی‌های انجام یافته در این زمینه نشان داد، فرکانس‌هایی که به ازای آن‌ها امواج آکوستیک امیژن بیشترین مقدار انرژی را حمل می‌کنند، در هر دو حالت حدود ‮‭kHz ۱۲۰‬ بوده و بیشترین مقدار خطا در حدود ‮‭۷‬ درصد حاصل شد .در مرحله‌ی دوم با استفاده از معادلات حرکت استخراج شده و با توجه به خاصیت پراکندگی انتشار مودهای خمشی و کششی، سرعت‌های انتشار در ورق‌های جدار نازک دو لایه محاسبه و رابطه‌ی سرعت-فرکانس مربوط به هر کدام از مودها بدست آمد .با توجه به اطلاعات بدست آمده از مدل تئوری ارائه شده در مورد حوزه‌ی فرکانسی و سرعت انتشار مودهای آکوستیکی، الگوریتمی برای مکان‌یابی منبع بر پایه‌ی اندازه‌گیری شباهت سیگنال با استفاده از دو سنسور ارائه شد .برای مکان‌یابی علاوه بر سرعت انتشار و حوزه‌ی فرکانسی، اختلاف در زمان رسیدن امواج به سنسورها نیز حائز اهمیت است .برای این منظور الگوریتمی بر اساس آنتروپی شانون و طیف متقابل فرکانس-زمان ارائه شد .با توجه به تعداد سنسورهای به کار رفته، از آنتروپی شانون جهت توسعه‌ی کمان‌های کمکی بر روی سطح استفاده و به کمک طیف متقابل فرکانس-زمان، اختلاف در زمان رسیدن امواج به سنسورها تخمین زده شد .با استفاده از نتایج تئوری بدست آمده از اندازه‌گیری سرعت انتشار و حوزه فرکانسی و به کمک تخمین زمان رسیدن امواج، مکان منبع آکوستیکی محاسبه گردید .با توجه به نتایج مکان‌یابی، ماکزیمم خطای حاصل شده ‮‭۷‬ درصد بوده که بیانگر دقت مدل ارائه شده می‌باشد

2 mm3 is hot coated on aluminum layer. The ratio of thickness to length and width of plate is less than 0.01, so we consider the plate as thin walled one. To predict the vibrational behavior of plate, Von-Karman and Kelvin-Voigt theories were considered. When acoustic signals propagate through thin plate, flexural and extensional modes will be generated and their displacements caused the plate to vibrate in different directions. To obtain the plate displacements, motion equations were derived using linear and nonlinear terms in strain tensor. Due to the dominance of flexural mode and its displacement type, the motion equation was solved using Galerkin method and a system of nonlinear equations with three degrees of freedom was obtained. To solve these equations ODE tool of MATLAB software is used. According to the theoretical results and using Fast Fourier Transform, the frequency domains of results were calculated. To survey the accuracy of proposed model, acoustic emission tests with simulated acoustic source were carried out. For this purpose, 0.3 and 0.4 mm diameter pencil leads were broken at 30, 45 and 60 degrees on polyethylene layer and the signals were captured by two R15a sensors mounted on aluminum layer. The frequency domains of experimental and theoretical results were compared. It showed that the main frequency which the maximum energy was carried per it, was approximately the same and near 120 kHz for both theoretical and experimental conditions and the maximum error of 7 was obtained. In second section by using motion equations and dispersion nature of flexural and extensional modes, the frequency-varying velocities of these modes were calculated. Based on the obtained theoretical results of frequency domain and propagation velocity, and using Shannon entropy and cross time-frequency spectrum as a similarity measuring technique, an algorithm was proposed to source locating using two sensors. By reducing the number of sensors, we used a secondary pattern to get enough information for source locating. For this purpose a pattern for secondary points based on Shannon entropy and cost function was developed on the plate surface. The time delay was estimated using cross time-frequency spectrum. According to acoustic emission tests and locating results, the maximum locating error of 7 was obtained which indicates the high accuracy of proposed algorithm‌500‌3 mm3. The polyethylene layer with dimensions of 700‌700‌The continuous monitoring of loaded structures is very important at nuculear power plants, petrochemical complexes, refineries, etc. Over time, due to crack growth, erosion and corrosion, leakage will occur and significant amount of energy will be wasted. These structures often have a protective layer (as an isolation layer or a coat of paint) which its damage causes to localized corrosion and leak. Therefore, the inspection of these structures during the operation is very important. There are different methods for structure health monitoring. Acoustic emission technique has considered as the prime candidate for structure health monitoring. One of the most important advantages of this method is its possibility of crack locating. The acoustic wave propagation and attenuation in two-layered plates are one of the key parameters to acoustic source location, so theoretical analysis of acoustic-vibration behavior of two-layered plates during crack growth can provide important information about it which leads to prevent the energy loosing. This paper presents the vibro-acoustical characteristics of rectangular two layer thin plate excited by acoustic source. The source of excitation is the pencil lead break used in Acoustic Emission NDE. A plate configuration consisting of a base plate (aluminum) and a constrained viscoelastic patch (polyethylene) as a protective layer, is considered. The dimebsions of aluminum layer are 700

‮‭Theoretical and Experimental Study of Acoustic Emission Behavior in Two Layered Thin Plates‬

داودی، سامان

Davoodi, Saman

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی