Ultrasonic guided waves have been widely utilized for the structural health monitoring (SHM) of structural components such as plates and pipes; Lamb wave as one of means for nondestructive test-ing and evaluation has emerged to provide a new way for the inspection of thin structures. In partic-ular, the noncontact excitation of the pipe surfaces using laser pulses has shown several advantages in experiments by eliminating the bonding process of the dielectric patches on the curved surfaces and the complicated interpretation of the temperature effect on the bonding layers. However, the numerical simulation of the methodology requires thermo-mechanical coupling and large-scale computation. Therefore, the numerical efficiency of the spatial partitioning by deploying thermo-mechanical elements and mechanical elements is investigated. The formation and propagation of the guided waves are also represented numerically.
A multi-scale simulation technique for three-dimensional wave propagation through pipe-like struc-tures is developed considering the noncontact excitation by a short duration laser pulse. Using this technique, the displacement fields in pipes, both with and without a notch, are calculated and ana-lyzed. In particular, the heat flux is applied to a micro-scale model, and then the temperature profile is obtained. The obtained temperature profile is imposed as the thermal boundary of the macro-scale global model. By applying the temperature profile to an intact pipe, the displacement fields are compared with experimental results in a literature. On the other hand, it is found that the existence of a notch makes effects on the propagation of waves. Therefore, the interaction causes some devia-tion of the displacement fields. The dissimilarity in the displacement fields with different notch depths is investigated using a statistical signal processing technique. Based on the investigation, a damage detection technique that evaluates the existence of a notch in a pipe is proposed.
The generation of the waves in a plate is induced by thermal expansion utilizing non-contact laser pulses, and the waves propagate along the media. Three-dimensional finite element analysis is performed to predict Lamb wave propagation precisely, which is enabled by computational power and efficiency. Here, we focus on the study of three-dimensional Lamb wave propagation in an isotropic plate, and thermo-elastic finite element simulation is conducted. The study consists of three steps. Firstly, a brief description of the simulation methodology which is employed in order to describe thermo-elastic response is presented. Secondly, through variables (e.g. the depth of the surface and the neighborhood area of the laser pulse), the distribution of temperature field is investigated. Lastly, thermo-elastic responses during and after thermal expansion are studied to help better understanding of the Lamb waves and wave propagations. The feasibility of the proposed methodology is verified, through the comparison of the analytical and the experimental results.
유도 초음파 기법은 판 및 관 구조물의 구조 건전도를 탐지하기 위하여 널리 쓰이고 있는 기법 중 하나이다. 특히 얇은 판 구조물에서 발생하는 램 파 (Lamb wave)는 비 파괴 검사 및 구조 건전도 모니터링 분야에서 판 및 관 구조물을 진단하는데 있어 주목을 받고 있다. 특히, 레이저를 통해 생성되는 유도 초음파의 경우 비 접촉 방식으로 유도된다는 점 때문에, 접착 과정에서 구조물과의 복잡한 상호작용을 고려할 필요가 없어 검사 수행에 많은 이점을 보이고 있다. 하지만 레이저 유도 초음파를 해석하기 위해서는 열역학적 상호 작용을 고려하여야 하기 때문에 긴 해석시간이 요구된다. 따라서 계산 효율을 위해 열 역학적 요소와 단순 역학적 요소로 영역을 분할하여 계산 시간의 감소를 도모하였다. 또한 유도 초음파의 형성과 전파 과정을 수치해석적으로 나타내었다.
관 구조물에서 레이저 펄스의 입사로 인한 파의 전달을 3차원으로 묘사할 수 있도록 멀티 스케일의 시뮬레이션 기법이 개발되었다. 멀티 스케일 시뮬레이션 기법을 이용하여 관 구조물에서 손상의 유무의 따른 변위 장을 계산하여 분석하였다. 레이저 펄스로 인한 열 유속은 마이크로 스케일 구조물에 도입 된 후 그로 인한 온도의 변화를 측정하였다. 얻어진 온도의 변화는 매크로 스케일 구조물에서 온도 경계조건으로 적용 되었다. 온도 변화를 관 구조물에 적용 하여 얻어진 변위 장은 실험으로 얻어진 변위 장과 비교하였다. 한편, 구조물에서의 손상의 존재 유무는 파의 전달에 있어 영향을 미치게 된다. 따라서 파의 진행과 구조물 내 손상의 상호 작용에 의하여 변위 장의 변화를 초래하게 된다. 다양한 손상 깊이에 따른 변위 장의 변화를 통계적 신호 처리 기법을 적용하여 관찰하였다. 관찰 결과에 따라 손상의 유무를 판단할 수 있는 손상 감지 기법을 제안하였다.
판 구조물에서의 레이저 펄스로 인한 파의 전달은 표면의 열팽창에 의하여 발생된 후, 주변으로 전파된다. 3 차원 유한 요소 분석이 램 파 (Lamb wave) 를 정확하게 묘사하기 위하여 수행되었다. 시뮬레이션은 등방성의 판 구조물에서 수행 되었고 열 탄성 유한 요소를 고려하였다. 연구는 크게 3가지 단계로 구분된다. 첫번째, 열 탄성 응답을 얻기 위한 시뮬레이션 기법이 제안되었다. 두번째, 레이저 펄스의 입사 영역 및 표면 두께와 같은 주변 요인에 따른 온도 장의 변화를 관찰하였다. 마지막으로 열팽창 이후 및 열팽창 동안의 구조물의 열탄성 응답을 관찰하였다.
