Refine
Document Type
Conference Type
- Konferenzartikel (2)
Has Fulltext
- no (4)
Is part of the Bibliography
- yes (4)
Institute
Open Access
- Closed Access (4) (remove)
Elastic constants of components are usually determined by tensile tests in combination with ultrasonic experiments. However, these properties may change due to e.g. mechanical treatments or service conditions during their lifetime. Knowledge of the actual material parameters is key to the determination of quantities like residual stresses present in the medium. In this work the acoustic nonlinearity parameter (ANP) for surface acoustic waves is examined through the derivation of an evolution equation for the amplitude of the second harmonic. Given a certain depth profile of the third-order elastic constants, the dependence of the ANP with respect to the input frequency is determined and on the basis of these results, an appropriate inversion method is developed. This method is intended for the extraction of the depth dependence of the third-order elastic constants of the material from second-harmonic generation and guided wave mixing experiments, assuming that the change in the linear Rayleigh wave velocity is small. The latter assumption is supported by a 3D-FEM model study of a medium with randomly distributed microcracks as well as theoretical works on this topic in the literature.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Messung von Eigenspannungen erfordern, abhängig vom gewählten Verfahren, die Kenntnis gewisser Kopplungskonstanten. Im Falle von Ultraschallmessverfahren sind das neben den elastischen Konstanten zweiter Ordnung (SOEC) vor allem die Konstanten dritter Ordnung (TOEC). Elastische Konstanten fester, metallischer Bauteile werden in der Regel in Zugversuchen bestimmt. Zur Ermittlung der TOEC werden diese mit Ultraschallmessmethoden kombiniert. Durch äußere Einflüsse, wie etwa mechanische Nachbehandlungen der zu untersuchenden Bauteile können sich diese Konstanten jedoch ändern und müssen folglich direkt am veränderten Material bestimmt werden. Mithilfe von Simulationen wird die Ausbreitung der zweiten Harmonischen und der nichtlinear erzeugten Oberflächenwellen in Wellenmischexperimenten analysiert und der akustische Nichtlinearitätsparameter (ANP) bzw. der Kopplungsparameter aus der Amplitudenentwicklung berechnet. Insbesondere wird untersucht, welchen Einfluss ein gegebenes Tiefenprofil der TOEC auf den ANP hat (Vorwärtsproblem) und inwiefern sich aus den Messungen des ANP auf ein vorliegendes Tiefenprofil der TOEC schließen lässt (inverses Problem). Außerdem wird diskutiert, welchen Einfluss lokale Änderungen der SOEC auf den ANP haben können und wie groß diese Änderungen sein dürfen, um die TOEC dennoch bestimmen zu können. Die Untersuchungen hierzu wurden auf der Basis eines 3D-FEM Modells mit zufällig orientierten Mikrorissen durchgeführt. Die numerischen Rechnungen zeigen dabei auch eine gute Übereinstimmung mit einem aus der Literatur bekannten und für dieses Problem erweiterten, analytischen Modell. Neben der rissinduzierten Nichtlinearität kann bei diesem auch die Gitternichtlinearität berücksichtigt werden.
For an elastic medium containing a homogeneous distribution of micro-cracks, an effective one-dimensional stress-strain relation has been determined with finite element simulations. In addition to flat micro-cracks, voids were considered that contain a Hertzian contact, which represents an example for micro-cracks with internal structure. The orientation of both types of micro-cracks was fully aligned or, for flat micro-cracks, totally random. For micro-cracks with Hertzian contacts, the case of random orientation was treated in an approximate way. The two types of defects were found to give rise to different degrees of non-analytic behavior of the effective stress-strain relation, which governs the nonlinear propagation of symmetric (S0) Lamb waves in the long-wavelength limit. The presence of flat micro-cracks causes even harmonics to grow linearly with propagation distance with amplitudes proportional to the amplitude of the fundamental wave, and gives rise to a static strain. The presence of the second type of defects leads to a linear growth of all harmonics with amplitudes proportional to the power 3/2 of the fundamental amplitude, and to a strain-dependent velocity shift. Simple expressions are given for the growth rates of higher harmonics of S0 Lamb waves in terms of the parameters occurring in the effective stress-strain relation. They have partly been determined quantitatively with the help of the FEM results for different micro-crack concentrations.
Micro-cracks give rise to non-analytic behavior of the stress-strain relation. For the case of a homogeneous spatial distribution of aligned flat micro-cracks, the influence of this property of the stress-strain relation on harmonic generation is analyzed for Rayleigh waves and for acoustic wedge waves with the help of a simple micromechanical model adopted from the literature. For the efficiencies of harmonic generation of these guided waves, explicit expressions are derived in terms of the corresponding linear wave fields. The initial growth rates of the second harmonic, i.e., the acoustic nonlinearity parameter, has been evaluated numerically for steel as matrix material. The growth rate of the second harmonic of Rayleigh waves has also been determined for microcrack distributions with random orientation, using a model expression for the strain energy in terms of strain invariants known in a geophysical context.