مطالعه پراكندگي امواج لمب از يك سوراخ استوانه‌اي با استفاده از روش اجزاء محدود و آزمون تجربي

Study of Lamb wave scattering from a cylindrical hole by using finite element modeling and experimental measurements

امواج لمب يا امواج ورقي دسته‌اي از امواج فراصوتي هستند كه در سازه‌هاي ورقي شكل انتشار مي‌يابند. اين امواج عمدتاً براي بازرسي سازه‌هاي بزرگ استفاده مي‌شوند. با توجه به انعطاف پذيري بالاي روش اجزاء محدود در مدلسازي سازه‌هاي پيچيده، اين روش مدل‌سازي در مطالعه امواج لمب بسيار پركاربرد است. نتايج حاصل از پراكندگي امواج لمب بسيار پيچيده است و روش اجزاء محدود مي‌تواند كمك شاياني به تفسير اين نتايج نمايد. در اين مقاله، با بررسي رويكردهاي مختلف در مدل‌سازي با روش اجزاء محدود، روشي با بهترين دقت و كمترين زمان انتخاب و با استفاده از آن پراكندگي ناشي از يك سوراخ استوانه‌اي راه‌به‌در در يك ورق فلزي مدل‌سازي مي‌شود. مطالعه پراكندگي حاصل از عيوب مي‌تواند براي مواردي همچون پايش سلامتي سازه و تعيين ابعاد عيوب مورد استفاده قرار گيرد. نتايج مطالعات انجام شده حاكي از آن است كه مدل اجزاء محدود دوبعدي داراي كمترين زمان محاسبه است و مي‌تواند انتشار امواج لمب را با دقتي بالاتر از 95% شبيه‌سازي كند. به منظور ارزيابي نتايج شبيه‌سازي، آزمايشات تجربي نيز بر روي يك ورق آلومينيومي با سوراخ راه‌به‌در انجام شد كه نتايج حاصل از مدل دوبعدي اجزاء محدود مطابقت خوبي با نتايج تجربي داشته است. بر اساس نتايج بدست آمده، با استفاده از اطلاعات حاصل از پروفيل زاويه‌اي پراكندگي، شناسايي مشخصات و موقعيت عيوب در ورق به آساني امكان‌پذير است.

Lamb waves are certain types of ultrasonic waves that can propagate in thin plates. Lamb waves are particularly useful in testing large plate-shaped structures. Moreover, due to extensive flexibility in modeling sophisticated structures, finite element modeling (FEM) has been used in numerous Lamb wave studies. Due to the complexity of the scattering problem, interpretation of results is not easy. FEM helps us to better understand the complex issues that are associated with the scattering phenomenon. In this paper, we first consider a number of different finite-element modeling approaches that can be used for modeling Lamb waves and the best model that can provide both good accuracy and high computational speed is chosen. This approach is then used for modelling the scattering of Lamb waves from a through-thickness cylindrical hole in a large plate. This study has applications in structural health monitoring and defect sizing in plates. It is found that a 2D planar finite element model has the lowest computational cost and an accuracy of better that 95%. To verify the FEM results, experimental measurements are also conducted on an aluminum plate in which a through-thickness cylindrical hole is machined. The FEM results agree very well with those obtained from the experiments. It is concluded that by using this model, the position and properties of defects could be easily determined in plate structures.