A new Lamb wave based nondestructive testing (NDT) technique, which does not rely on previously stored baseline data, has been developed for crack monitoring in plate-like structures. The reference-free NDT technique takes advantage of two collocated lead zirconate titanate transducers (PZTs) pairs placed on the top and bottom surfaces of a plate. In a thin uniform elastic medium such as an aluminum plate, the formation of a crack or the change in thickness causes propagating Lamb modes to be transformed to other modes. This phenomenon is called mode conversion. In the previous study, it has been shown that converted Lamb wave modes due to crack formation can be extracted form instantaneously measured signals.
In this study, the proposed approach is further advanced so that it can be also applied to plate-like structures with complex structural features such as holes, stiffeners and varying thickness. The applicability of the proposed technique to a plate with through-the-thickness holes is tested first. An array of holes creates multiple reflections and refractions of Lamb waves, and these multiple reflections and refractions may cause difficulties in analyzing measured Lamb waves. However, because the through-the-thickness holes do not produce mode conversion, it is shown that these holes do not affect the performance of the proposed technique. Next, the applicability of the proposed technique to a plate with a stiffener is validated. Due to the stiffer in the wave path, converted Lamb waves modes and additional reflections are produced even in the absence of damage. A signal processing techniques is developed so that mode conversion produced by a crack can be differentiated from that caused by the stiffener. Finally, the effect of thickness variation on the reference-free damage detection technique is investigated. Especially, the effect of the symmetrically tapered thickness on Lamb wave propagation is discussed. When Lamb waves propagate through the tapered section, mode conversion appears. However, due to symmetry of waveguide, converted modes cancel out each other. Therefore, the damage in the symmetrically tapered plate can be identified in the similar manner to the plate with uniform thickness.
Reference-free damage classifiers are also introduced for the aforementioned three different configurations. For each case, converted Lamb modes are shown to have unique patterns, and classifiers perform on these unique features are developed. Experimental tests as well as numerical simulations are executed to investigate the applicability of the proposed NDT technique to complex structures.
구조물 안전 진단 기법과 비파괴 검사 기법은 토목 구조물, 항공 구조물 및 기계 장비 등의 관리에 있어 경제적, 사회적 수요가 증가하고 있다. 이러한 기법의 과거 접근법은 손상이 없는 상태에서 수집된 기저 신호와 잠재적으로 손상이 있음직한 현재의 상태에서 획득한 신호를 비교함으로써 구조물의 안전 및 사용성 상태를 진단하였다. 그러나 이러한 접근법은 진단 기간 동안 사용상태의 변화 및 온도 변화와 같은 외부의 영향에 의해 구조물의 동적 특성이 변함으로써 손상 감지 결과의 오류를 일으킬 수 있으며, 이는 자칫 대형 참사로 이어질 수 있는 가능성이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 과거 기저 자료와 현재 측정된 신호와의 비교를 통하지 않고 구조물의 현재 상태를 진단할 수 있는 기법이 Kim, et al. (2006)에 의해 제안되었다.
본 연구에서는 제안된 무기저 비파괴 검사 기법의 개념을 실제 구조물에 적용하기 위한 전 단계로써, 볼트 구멍을 포함한 판, 보강재를 포함하는 판 및 대칭 변단부를 포함하는 판과 같은 복잡한 기하형태의 판 구조물에 제안된 기법을 적용하고 각 경우에 따른 손상에 민감한 특성을 추출함으로써 즉시적 손상 분류 기법을 개발하여 각 경우의 판 부재에 적용하였다. 수치해석과 실험을 통하여 제안된 기법의 유용성을 입증하였으며, 본 연구에서 사용된 부재의 기하형태에서의 적용을 통해 실제 구조물로의 적용성을 입증하였다.
