Accurate prediction of fatigue crack growth and estimation of a remaining useful fatigue life (RUL) are extremely important to prevent a sudden failure of the structure. This thesis presents an experimental and numerical simulation of nonlinear ultrasonic modulation to detect fatigue crack. The basic premise of this technique is that, if a fatigue crack exists, the nonlinear interaction of a low frequency pumping wave and a high frequency probing wave produces additional responses at the frequencies equal to the sum and difference of the input frequencies. The nonlinear ultrasonic modulation is further explored for fatigue crack prognosis. First, a fatigue index is defined as a function of nonlinear ultrasonic modulation components. Second, the fatigue index is also expressed as a power function of loading cycles based on Paris-Erdogan and Nazarov-Sutin theories. Then, by curve fitting of the power function to the fatigue index values obtained at various loading cycles, the relationship between the fatigue index and the loading cycle is established. Finally, RUL corresponding to a fatigue index of one (structural failure) is estimated from the fitted power function. Note that the power function is initially estimated using the fatigue index values obtained from numerical simulation, and then continuously updated as fatigue index values from actual experimental measurements become available. Based on this framework, RUL is initially estimated from numerical simulation and continuously updated as experiment data becomes available. The effectiveness of the proposed prognosis methodology was examined based on the fatigue tests of aluminum plates with various thicknesses.
구조물의 파괴를 예방하는데 있어 피로균열의 진전 및 잔여수명을 정확히 예측하는 것이 매우 중요하다. 본 학위논문은 피로균열을 진단하기 위한 비선형 초음파 모듈레이션 기법의 실험 및 수치 시뮬레이션 기법을 제안하였다. 비선형 초음파 모듈레이션은 두 입력 초음파 주파수의 합과 차에 해당하는 주파수에서 추가적인 비선형 응답이 발생하는 것을 통해 피로균열의 유무를 파악하는 기법으로, 피로균열 진단에 적용된다. 먼저, 비선형 초음파 모듈레이션 성분의 함수로 피로 지수를 정의한다. 피로 지수는 Paris-Erdogan 및 Narazov-Sutin 모델을 기반으로 하는 부하 횟수의 지수 함수로 표현될 수 있으며, 지수 함수를 다양한 부하 횟수에서 측정된 피로 지수와 곡선 맞춤하여 피로 지수와 부하 횟수와의 관계를 정립할 수 있다. 따라서, 곡선 맞춤된 지수 함수를 통해 구조물 파괴까지 남은 잔여 수명을 예측할 수 있다. 초기 지수 함수는 수치 시뮬레이션을 통해 도출된 피로 지수로 맞춤할 수 있으며, 실제 실험으로 도출된 피로 지수를 통해 지속적으로 업데이트 된다. 이러한 방식을 통해 구조물의 잔여수명을 예측할 수 있으며, 제안된 피로균열 진단 기법을 다양한 두께의 알루미늄 시편에 대해 적용하여 그 유효성을 검증하였다.
