Characteristics of elastic wave propagation in thick beams - when guided waves prevail?

• Autorzy: Peng H. , Ye L. , Meng G. , Sun K. , Li F.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyki propagacji fal sprężystych w belkach grubych – w jakich przypadkach fala prowadzona jest falą dominującą?

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Characteristics of wave propagation in thick beams are analyzed using a three-dimensional (3-D) spectral element method (SEM) for the purpose of damage detection. Analysis of wave propagation in beams of different thickness under excitations with different central frequency reveals that when the thickness of the beam is comparable to the wavelength of the elastic wave, a local wave mode, besides quasi-symmetric and quasi-anti-symmetric modes, exist simultaneously in the beam. In particular, when the wavelength is more than two times the beam thickness, the local wave modes are suppressed and the wave modes in the beam can be regarded as traditional guided waves, i.e., Lamb waves. It is demonstrated that the central frequency of wave signals can be selected according to the dimensions of the beam to obtain simple wave modes like those in thin beams. The characteristics of wave propagation in an intact beam and beams with a lateral crack are analyzed and the results are also validated by experiments, where wave propagation signals in thick steel beams are activated and captured using PZT elements.

PL

Praca przedstawia problem detekcji uszkodzeń w belkach o znacznej grubości za pomocą trójwymiarowej metody elementów spektralnych (SEM) ze szczególnym uwzględnieniem charakterystyk propagacji fal w ośrodku. Analiza rozchodzenia się fal w belkach o różnej grubości poddanych wymuszeniom o różnej częstotliwości centralnej ujawniła, że gdy grubość belki jest porównywalna z długością fali sprężystej, to oprócz quasi-symetrycznych i quasi-antysymetrycznych postaci pojawia się lokalna postać własna fali. Gdy długość fali przekracza co najmniej dwukrotnie grubość belki, postacie lokalne zanikają i postacie fal mogą zostać uznane jako tradycyjne fale prowadzone, tj. fale Lamba. Pokazano, że centralna częstotliwość sygnałów falowych może zostać dobrana do konkretnych rozmiarów belki tak, aby otrzymać proste postacie własne fal przypominające kształt fal rozchodzących się w belkach cienkich. W pracy zbadano charakterystyki propagacji fal w belce nieuszkodzonej i belce z pęknięciem poprzecznym. Rezultaty tych badań zweryfikowano doświadczalnie poprzez generowanie i rejestrację sygnałów w grubych stalowych belkach aktuatorami i czujnikami piezoelektrycznymi.

Słowa kluczowe

EN

wave propagation; spectral element method; thick beam; damage detection

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 49 nr 3
• Strony: 807--823
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys.

Twórcy

autor

Peng H.

autor

Ye L.

autor

Meng G.

autor

Sun K.

autor

Li F.

• Shanghai Jiao Tong University, State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai; and Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai, China,

Bibliografia

• 1. Canuto C., Quarteroni A., Hussaini M.Y., Zang T.A., 1988, Spectral Methods in Fluid Dynamics, Berlin: Springer
• 2. Fischer P., Kruse G., Loth F., 2002, Spectral element methods for transitional flows in complex geometries, Journal of Scientific Computing, 17, 1, 81-98
• 3. Giurgiutiu V., 2003, Lamb wave generation with piezoelectric wafer active sensors for structural health monitoring, Smart Structures and Materials: Smart Structures and Integrated Systems, 5056, 111-122
• 4. Ha S., Chang F., 2010a, Adhesive interface layer effects in PZT-induced Lamb wave propagation, Smart Materials and Structures, 19, p. 025006
• 5. Ha S., Chang F., 2010b, Optimizing a spectral element for modeling PZT-induced Lamb wave propagation in thin plates, Smart Materials and Structures, 19, p. 015015
• 6. Inman D.J., Farrar C.R., Lopes J.V., Steffen J.V., 2005, Damage Prognosis: for Aerospace, Civil and Mechanical Systems, John Wiley & Sons, Ltd.
• 7. Karniadakis G., Sherwin S., 2005, Spectral/hp Element Methods for Computational Fluid Dynamics, Oxford University Press, USA
• 8. Kessler S.S., Spearing S.M., Soutis C., 2002, Damage detection in composite materials using Lamb wave methods, Smart Materials and Structures, 11, 2, 269-278
• 9. Kim Y., Ha S., Chang F., 2008, Time-domain spectral element method for built-in piezoelectric-actuator-induced Lamb wave propagation analysis, AIAA Journal, 46, 3, 591-600
• 10. Komatitsch D., Barnes C., Tromp J., 2000, Simulation of anisotropic wave propagation based upon a spectral element method, Geophysics, 65, 4, 1251-1260
• 11. Komatitsch D., Ritsema J., Tromp J., 2002, The spectral-element method, Beowulf computing, and global seismology, Science, 298, 5599, 1737-1742
• 12. Komatitsch D., Vilotte J., 1998, The spectral element method: an efficient tool to simulate the seismic response of 2D and 3D geological structures, Bulletin of the Seismological Society of America, 88, 2, 368-392
• 13. Kudela P., Krawczuk M., Ostachowicz W., 2007b, Wave propagation modelling in 1D structures using spectral finite elements, Journal of Sound and Vibration, 300, 88-100
• 14. Kudela P., Ostachowicz W., 2009, 3D Time-Domain Spectral Elements for Stress Waves Modelling, Institute of Physics Publishing
• 15. Kudela P., Zak A., Krawczuk M., Ostachowicz W., 2007a,Modelling of wave propagation in composite plates using the time domain spectral element method, Journal of Sound and Vibration, 302, 728-745
• 16. Lee B.C., Staszewski W.J., 2003a, Modelling of Lamb waves for damage detection in metallic structures: Part I. Wave propagation, Smart Materials and Structures, 12, 5, 804-814
• 17. Lee B.C., Staszewski W.J., 2003b, Modelling of Lamb waves for damage detection in metallic structures: Part II. Wave interactions with damage, Smart Materials and Structures, 12, 5, 815-824
• 18. Patera A.T., 1984, A spectral element method for fluid dynamics: laminar flow in a channel expansion, Journal of Computational Physics, 54, 468-488
• 19. Peng H.K., Meng G., Li F.C., 2009, Modeling of wave propagation in plate structures using three-dimensional spectral element method for damage detection, Journal of Sound and Vibration, 320, 4/5, 942-954
• 20. Pozrikidis C., 2005, Introduction to Finite and Spectral Element Methods Using MATLAB, CRC Press
• 21. Raghavan A.,Cesnik C., 2007, Review of guided-wave structural health monitoring, The Shock and Vibration Digest, 39, 2, 91-114
• 22. Seriani G., 1994, 3-D large-scale wave propagation modeling by spectral element method on Cray T3E multiprocessor, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 164, 1/2, 235-247
• 23. Seriani G., Priolo E., 1994, Spectral element method for acoustic wave simulation in heterogeneous media, Finite Elements in Analysis and Design, 16, 3/4, 337-348
• 24. Sridhar R., Chakraborty A., Gopalakrishnan S., 2006, Wave propagation in a anisotropic and inhomogeneous uncracked and cracked structures using pseudospectral finite element method, International Journal of Solids and Structures, 43, 16, 4997-5031
• 25. Staszewski W.J., Mahzan S., Traynor R., 2009, Health monitoring of aerospace composite structures – Active and passive approach, Composites Science and Technology, 69, 11/12, 1678-1685
• 26. Su Z.,Ye L., 2009, Identification of Damage Using Lamb Waves: From Fundamentals to Applications, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag
• 27. Su Z., Ye L., Lu Y., 2006, Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures: A review, Journal of Sound and Vibration, 295, 3/5, 753-780
• 28. Wang S., 2004, A finite element model for the static and dynamic analysis of a piezoelectric bimorph, International Journal of Solids and Structures, 41, 15, 4075-4096
• 29. Zak A., Krawczuk M., Ostachowicza W., 2006, Propagation of in-plane waves in an isotropic panel with a crack, Finite Elements in Analysis and Design, 42, 11, 929-941