Essa dissertação aborda o tema de propagação de ondas de tensão em hastes metálicas retangulares. Este tipo de onda pode ser utilizada como base na verificação da integridade estrutural através de um ensaio não destrutivo (END). A propagação de ondas elásticas em sólidos apresenta muito potencial quando se deseja estimar a integridade de determinada estrutura. Porém para transformar esse fenômeno físico em uma técnica aplicável na detecção de danos, alguns passos devem ser seguidos, dentre eles: a compreensão das características de propagação da estrutura em estudo, in teração das ondas elásticas com defeitos, aten uação das ondas propagadoras devido a fontes de amortecimento e dispersão. Neste contexto o presente trabalho tem o principal foco no desenvolvimento de uma metodologia eficiente para a investigação da propagação de ondas de tensão em hastes retangulares metálicas, abordando o tema por diversos aspectos. No decorrer do mesmo são calcu ladas as curvas de dispersão de uma haste retangular com seção transversal de 15 x5 [rum], para uma faixa de frequência determinada [0,100 kHz], utilizando três metodologias distintas e realizando a comparação crítica entre elas. São realizadas investigações teóricas, de forma analítica e numérica (via análise explícita empregando elementos finitos) e uma inves tigação experimental das características de propagação da geometria referida. Também os efeitos da aten uação das ondas na geometria é estudado. Os resulta dos obtidos são discutidos procurando mostrar sua coerência e enfatizando a informação sobre o comportamento mecânico das ondas de tensão nesse tipo de estrutura, observando aspectos relevantes à concepção de técnicas de END que possi bilitem a avaliação da integridade dessas estruturas. / This dissertation addresses the issue of propagation of stress waves in metallic rectangular rods. This type of wave can be used as the integrity check structural integrity through a non-destructive test (NDT). The propagation of elastic waves in solids has a lot of potential when estimating the given structure integrity. But to turn this physical phenomenon in an applicable technique for the detection of damage, some steps should be taken, including: understanding of propagating characteristics of the structure under study, interaction of elastic waves with defects, attenuation of the propagating waves due to sources of damping and dispersion. In this context, the present work is the main focus in developing an effective methodology for investigating the propagation of stress waves in rectangular metal rods, addressing the issue by several aspects. During the same are calculated dispersion curves of a rod with rectangular cross section 15 x5 [mm], for a given frequency range [0,100 kHz], using three different methodologies and performing the critical comparison between them. Are performed theoretical investigations, in analytical and numerical form (via explicit analysis using finite element) and an experimental investigation of the propagation features said geometry. Also the effects of attenuation of the waves on geometry is studied. The results are discussed trying to show their consistency and emphasizing information about the mechanical behavior of stress waves in this type of structure, observing relevant aspects to the design of NDT techniques to enable the assessment of the integrity of these structures.

Este trabalho apresenta o estudo de um sistema genérico de medição que utiliza o princípio das correntes de Foucault, comumente conhecidas como correntes parasitas. O modelo do sistema é representado como um circuito elétrico equivalente composto por R1 e L1, respectivamente caracterizando a resistência e a indutância do circuito primário, as quais são conhecidas por uma bobina de excitação. Já no secundário, R2 e L2, estão representando a perda ôhmica e a indutância da amostra no qual as correntes parasitas são induzidas, além de outros dois componentes, M indutância mútua dos indutores acoplados e k, coeficiente relacionado ao acoplamento magnético entre os circuitos primário e secundário. A análise tradicionalmente utilizada para este tipo de medição é a avaliação da reflexão da impedância equivalente do circuito secundário representando a amostra no circuito primário. O trabalho analisa as equações de malha do circuito equivalente no domínio da frequência e identifica os parâmetros do modelo. A partir da identificação do sistema realizada com os ensaios experimentais, foi possível descobrir a constante de tempo indutiva τL do sistema. A partir dessa constante, observou-se a variação acentuada da mesma em relação a variação da impedância equivalente. Ainda é apresentada uma estimativa dos valores de R2 e L2 realizada por meio da unificação das informações obtidas com a identificação, aliada com as informações de campo magnético obtidas a partir de um sensor do tipo GMR e pela simulação em um software de elementos finitos COMSOL Multiphysics. / This work presents the study of a generic measurement system that uses the prin- ciple of eddy currents. The system model is represented as an equivalent electric circuit composed of R1 and L1 respectively characterizing the resistance and induc- tance of primary circuit, which are known by an excitation coil. In the secondary, R2 and L2 are representing the ohmic loss and the inductance of the sample in which the eddy currents are induced, in addition two other components, the mutual induc- tance of the coupled inductors and k, coefficient related to the magnetic coupling between the primary and secondary circuits. The analysis traditionally used for this type of measurement is the reflection evaluation of the equivalent impedance of the secondary circuit representing the sample in the primary circuit. The work analyzes the mesh equations of the equivalent circuit in the frequency domain and identifies the parameters of the model. From the identification of the system performed with the experimental tests, it was possible to discover the inductive time constant τL of the system. From this constant, it was observed the sharp variation of the same in relation to the variation of equivalent impedance. An estimate values, R2 and L2 performed by unification of the information obtained with the identification, to- gether with the magnetic field information obtained from a GMR type sensor and by simulation in a finite element software COMSOL Multiphysics.

Sistemas de ensaios não destrutivos por ondas guiadas despertam cada vez mais a atenção tanto da indústria, como da academia. Isso deve-se, principalmente, às possibilidades que as ondas guiadas permitem, como maior área de triagem que o ultrassom convencional. Porém a técnica tem suas limitações, já que esta apenas gera uma estimativa da localização de um defeito e não a sua dimensão. Nessa limitação, algoritmos tomográficos apresentam uma possibilidade de avanço da técnica, pois permitem determinar não só a localização de corrosões e defeitos, mas também seu dimensionamento. Este trabalho apresenta tomografia de difração como uma alternativa para avaliação de integridade estrutural. Primeiramente, utilizou-se análise por métodos numéricos para mostrar a validade dos algoritmos e posteriormente foi realizado um experimento em uma chapa real com o objetivo de reconstruir a imagem do defeito. / Guided waves nondestructive testing systems are increasingly attracting industrial and academic attention. The mainly reason for this attention is the possibility of screening a large area than conventional ultrasound technique. However, Guided Waves Testing has limitations, since it gives only an estimation of the location of a defect, but not the dimensions. Tomographic algorithms come up with an improvement of the technique, because it allows discovery not only the location of corrosions and defects, but the dimensions too. This work brings Diffraction Tomography as an alternative to structural health monitoring. First, a numerical analysis was implemented to demonstrate the validity of the algorithms, after that an experiment in a real plate was made with the objective to recover the defect image.

A operação segura e eficiente em unidades de produção de petróleo e gás depende do desempenho de seus dispositivos, componentes e estruturas. Dutos rígidos são importantes componentes utilizados na indústria offshore, comumente empregados como flowlines e risers. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas a sua movimentação, ao processo de extração de petróleo e ao vórtice das marés. O aço inoxidável superduplex surgiu na última década como um material alternativo para ambientes quimicamente agressivos, mas quando catodicamente protegidos contra a corrosão, esses aços são vulneráveis a fragilização por hidrogênio. Este trabalho tem como objetivo, através da técnica de Ensaio Não Destrutivo de ultrassom phased array, monitorar o crescimento de defeitos internos e externos criados intencionalmente próximos à raiz e ao reforço da solda de um tubo de aço superduplex (UNS S32750) de 6´´ submetido a fadiga tração-tração e fragilização induzida por hidrogênio devido à proteção catódica. As inspeções foram realizadas periodicamente com varreduras de 30 a 75° ao longo da circunferência da solda, por um transdutor linear 1-D de 16 elementos e 5MHz acoplado a uma sapata de 36°. Os resultados obtidos foram utilizados para alimentar análises de integridade estrutural, obtenção da curva da/dN x ΔK. / Safe and efficient operation in oil and gas production units depends on the performance of your devices, components and structures. Rigid pipelines are important components in the offshore industry, common used as flowlines and risers. During a life in service of components, they suffer cyclical axial stresses associated with their movement, by the oil extraction process and tidal vortex. Super duplex stainless steel has emerged in the last decade as an alternative material for chemically aggressive environments, but when cathodically protected against corrosion, it is vulnerable to hydrogen embrittlement. This work aims to, through the ultrasonic non-destructive testing by phased array monitor the growth of internal and external defects created intentionally close to the root and reinforcement of the weld of a superduplex steel tube (UNS S32750) with diameter of 6" submitted to tensile-traction fatigue and hydrogen-induced embrittlement due to cathodic protection. The inspections were performed periodically with 30 to 75° scans along the circumference of the weld, by a linear transducer of 1-D, 16-element and 5MHz coupled to a wedge of 36°. The obtained results were used to feed structural integrity analyzes, obtaining the curve of da/dN x ΔK.

Componentes metálicos em operação podem estar sujeitos a diversas condições de operação deletérias. Visando avaliar os riscos de operação para evitar falhas, a análise de integridade estrutural é uma ferramenta amplamente aplicada e requer constante evolução. Por utilizar dados de ensaios não destrutivos, essa ferramenta requer cada vez mais precisão, para aprimorar seus resultados e reduzir ao máximo as falhas de componentes em operação. Por apresentar menor tempo de inspeção e maior probabilidade de detecção, o Phased Array surge como alternativa às técnicas convencionais de ultrassom. Dentre as técnicas de Phased Array, o Total Focusing Method (TFM) apresenta um dos resultados mais promissores, apresentando grande vantagem sobre técnicas convencionais de ultrassom e de Phased Array devido a sua melhor precisão e fácil interpretação dos resultados. Neste trabalho, o TFM foi aplicado em diversos blocos contendo descontinuidades usinadas, as quais simulam diferentes tipos de defeitos. O foco do TFM foi gerar blocos em três dimensões (3D) dos defeitos, facilitando a interpretação dos resultados, além da possibilidade da inserção desses blocos em softwares de análise de integridade estrutural, melhorando a precisão dos resultados. O TFM foi aplicado através do tratamento de dados de um sensor linear de Phased Array, com frequência de 5 MHz e com 64 elementos ativos. Nesse trabalho, foram desenvolvidas e aplicadas novas etapas no algoritmo do TFM para melhorar a precisão dos resultados, como a compensação da perda de energia e o half-skip. As etapas adicionais aplicadas ao algoritmo do TFM geraram bons resultados para entalhe e furos usinados nos blocos de aço carbono. Além dos blocos com defeitos usinados, foi realizada a inspeção de um bloco de aço inoxidável austenítico soldado. Para o bloco soldado, os resultados não foram satisfatórios, não sendo possível detectar defeitos existentes. Após a aplicação do TFM, foi simulado o deslocamento do sensor ao longo da peça, gerando diversas imagens 2D, as quais foram conectadas via isosuperfícies, gerando sólidos 3D dos defeitos presentes em cada bloco. Por fim, esses blocos foram exportados para um software CAD, apresentando excelente correspondência. / Metallic components in operation can be submitted to several harming operation conditions. Aiming to evaluate the operational risks to avoid failure, the structural integrity analysis is a widely applied tool and requires constant evolution. As it uses non-destructive testing data, this tool requires increasingly precision, to enhance its results and reduce the majority of the operating components failures. Because of the shorter inspection time and greater probability of detection, Phased Array is an alternative to conventional ultrasonic techniques. Among the techniques of Phased Array, the Total Focusing Method (TFM) presents one of the most promising results, offering great advantage over conventional ultrasonic and Phased Array techniques due to its better precision and easy interpretation of results. In this work, the TFM was applied to many blocks, which contain machined discontinuities simulating several defects. The objective of applying the TFM was to generate three-dimensional (3D) blocks, turning the interpretation of the results easier and giving the possibility to insert these blocks into a structural integrity analysis software, enhancing the results precision. The TFM algorithm was applied through treatment of data from a 5 MHz linear Phased Array sensor with 64 active elements. In this work, it were developed and applied new steps in the TFM algorithm, as energy loss compensation and half-skip interaction, to improve its precision. The additional steps applied to the TFM algorithm achieved great results for notch and holes machined in carbon steel blocks. In addition to the blocks with machined defects, a welded austenitic stainless steel block was inspected. For the welded block, the results were not satisfactory and it was not possible to detect the present defects. After the application of the TFM, the displacement of the transducer along the block was simulated, generating several 2D images, which were connected via isosurfaces, generating 3D solids corresponding to the defects present in each block. To conclude, these blocks were exported to a CAD software, presenting excellent matching.

In recent decades techniques related to the measurement of elastic waves have advanced significantly. It is now possible with relatively inexpensive equipment to record amplitudes and frequency bands that were unthinkable two decades ago. This has led to the development of theoretical topics which application was questionable until not long ago, to profit from new technological potential in obtaining more and better experimental information. In this context the study of the propagation of guided waves in solids is presented as a knowledge that allows to detect damage with efficiency and economy in a number of structures in which at least one dimension is much larger than the other two. This is the case for rails, tubulations and pressure vessels among others. In this work, guided waves propagation characteristics are studied, first in a prismatic bar and then within the geometry of a rail. In both cases, dispersion curves were computed according two different work methodologies, first using an axisymmetric model and then corroborated with a model of periodic conditions. Finally propagation of a Tone-Burst waves were simulated on the analyzed geometries, leading to the discussion of how the waves scatter along its propagation. The results obtained were the dispersion curves of both sections. / En las últimas décadas técnicas relacionadas con la medición de ondas elásticas han avanzado sensiblemente. Actualmente, con equipamientos relativamente económicos es posible registrar amplitudes y franjas de frecuencia que eran impensables dos décadas atrás. Este hecho ha motivado que tópicos teóricos que hasta hace un tiempo tenían una aplicación cuestionable tengan que ser desarrollados para poder aprovechar las nuevas potencialidades tecnológicas en la obtención de mayor y mejor información experimental. En este contexto, el estudio de la propagación de ondas guiadas en sólidos se presenta como un conocimiento que posibilita detectar daño con eficiencia y economía en una serie de estructuras en las cuales por lo menos una dimensión es mucho mayor que las otras dos. Es el caso de estructuras tubulares, rieles o recipientes sometidos a presión entre otras. En el presente trabajo se estudian las características de propagación de ondas guiadas primeramente una barra rectangular y posteriormente en la geometría de un riel. En ambos casos, fueron calculadas las curvas de dispersión obtenidas con por dos metodologías de trabajo por elementos finitos, la primer metodología fue emplear un cálculo aplicando un modelo axisimétrico, y luego corroborado con un modelo de condiciones periódicas y posteriormente fue simulada la propagación de una onda tipo Toneburst sobre las geometrías analizadas discutiendo cómo dicha onda se dispersa durante su propagación. Los resultados obtenidos fueron las curvas de dispersión de ambas secciones.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T18:39:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 98097.pdf: 16110861 bytes, checksum: 77f29fdd76c4d31699853a892609f4d5 (MD5) Previous issue date: 1994 / Demonstração teórica e experimental dos conceitos e potencialidades da holografia eletrônica como uma ferramenta efetiva de análise experimental em ensaios não destrutivos para detecção de defeitos. Apresenta-se uma abordagem genérica sobre os ensaios não destrutivos, discutindo sua importância e tendências atuais, e reunindo informações acerca das potencialidades e limitações das principais técnicas utilizadas em ensaios de materiais e peças. Dentre estas técnicas, verificou-se que nenhuma traz uma solução satisfatória para o problema analisado: descolamentos na interface metal-borracha de cilindros revestidos, utilizados em laminação. Aplicando a holografia eletrônica e analisando-se em profundidade este problema, de interesse de um setor industrial, foram desenvolvidos dispositivos e métodos de ensaio que possibilitaram a identificação destes defeitos internos e de outras imperfeições contrutivas presentes nos cilindros revestidos. Procurando tornar estas imperfeições mais perceptíveis, foram testados e implementados métodos de processamento de imagens, por meio dos quais conseguiu-se uma interpretação qualitativa mais fácil e direta dos resultados da holografia eletrônica.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:09:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4654.pdf: 3162826 bytes, checksum: d52de6f8b1981e955bc94188c754d67b (MD5) Previous issue date: 2011-11-18 / The wood has many different characteristics, resulting, in part, of the conditions in which the tree grows. The physical conditions of the wood are also influenced by its complex internal structure, resulting in an anisotropic behavior. Within this variability, its best use and application can be reached through non-destructive methods. The non-destructive methodology is performed to verify the existence or inexistence of discontinuities or defects, without changing its later use. This work aims at presenting the non-destructive techniques in wood with potential use in Brazil. It also aims at applying the ultrasound technique in lumber pieces of Pinus sp of structural dimensions, with the purpose of verifying the accuracy of such technique, comparing it to the values obtained in destructive tests (static bending tests). The coefficient of determination (R2) obtained from the regression line between the static modulus of elasticity and dynamic modulus of elasticity with the use of ultrasound was 0.66, that allows affirming that this technique has accuracy in the assessment of mechanical pieces of wood. / A madeira apresenta grande variabilidade em suas propriedades, o que é resultado, em parte, das condições de crescimento das árvores. As propriedades físicas da madeira também são influenciadas pela sua estrutura interna complexa, resultando em um comportamento anisotrópico. Devido essa variabilidade, sua melhor utilização e aplicação podem ser alcançadas por meio de métodos não destrutivos. A metodologia não destrutiva é realizada para verificar a existência ou não de descontinuidades ou defeitos, sem alterar o seu uso posterior. Este trabalho teve por objetivo apresentar as técnicas não destrutivas em madeira com uso potencial no Brasil. Também o de aplicar a técnica de ultrassom em peças de madeira serrada de Pinus sp de dimensões estruturais, buscando-se verificar a acuracidade dessa técnica comparando-a a valores obtidos em ensaios destrutivos (ensaios de flexão estática). O coeficiente de determinação (R2) obtido a partir da reta de regressão entre o módulo de elasticidade estático e o módulo de elasticidade dinâmico com o emprego do ultrassom foi de 0,66, permitindo afirmar que esta técnica possui acurácia para a avaliação mecânica de peças de madeira.

Made available in DSpace on 2015-08-20T17:10:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-04-28. Added 1 bitstream(s) on 2015-08-20T17:25:47Z : No. of bitstreams: 1 000844021.pdf: 1761882 bytes, checksum: 8b43593be5f06b2dfe94c6564429292e (MD5) / Pesquisas em propagação de ondas para aplicação de monitoramento de integridade estrutural (SHM) tem tido um incremento considerável recentemente. Este procedimento permite detectar danos nas fases iniciais. Esta dissertação descreve um estudo teórico de propagação de ondas para o propósito de detecção e quantificação de dano em uma viga. De particular interesse é a maneira que as ondas interagem com o dano, considerado simétrico com respeito ao eixo neutro. Uma análise de uma estrutura unidimensional de ondas guiadas incorporando o atuador e sensores piezelétricos em configuração pitch-catch e pulse eco é apresentada. O modelo é desenvolvido no domínio da frequência e posteriormente transformado no domínio do tempo através da transformada de Fourier inversa. Isto permite que o efeito do dano entre o atuador e o sensor seja estudado no domínio do tempo e da frequência. Os comprimentos do atuador e do sensor e a profundidade do dano são estudados em uma viga de alumínio delgada. Mostra-se que uma abordagem no domínio do tempo é preferível em relação a abordagem no domínio da frequência para detecção e quantificação de danos na estrutura. Os resultados mostraram que ondas longitudinais são mais sensíveis a variação da espessura para um sistema simétrico e é melhor medir ondas refletidas que as transmitidas. Além disto, verificou-se que devido à natureza dispersiva das ondas de flexão é possível que em algumas situações a amplitude da onda refletida seja diminuída em vez de aumentar quando a espessura da viga é reduzida / Wave propagation research for Structural Health Monitoring (SHM) has been increasing recently. It allows the detection of damage at its early stages of development. This dissertation describes a theoretical study of wave propagation for the purpose of detection and quantification of damage in a beam structure. Of particular interest is the way in which waves interact with damage that is symmetrical with respect to the neutral axis. An analysis of a one-dimensional structural waveguide incorporating a piezoelectric actuator and sensors in a pitch-catch and pulse-echo configuration is presented. The model is developed in the frequency domain, which is then transformed into the time domain using the inverse Fourier transform. This enables the effect of damage on wave propagation between the actuator and the sensor to be investigated in both the time and the frequency domains. The size of the actuator and the sensor, and the size of damage are investigated for a thin aluminum beam. It is shown that the time-domain approach is preferable to a frequency domain approach for damage detection in this kind of structure. It is found that longitudinal waves are more sensitive to a change in thickness for a symmetrical system and it is better to measure reflected rather than transmitted waves. Further, it is found that due to the dispersive nature of bending waves, it is possible in some situations for the reflected wave amplitude to decrease rather than increase as the beam thickness is reduced

Made available in DSpace on 2014-12-02T11:16:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-09-15Bitstream added on 2014-12-02T11:20:51Z : No. of bitstreams: 1 000799830.pdf: 4517190 bytes, checksum: 4566f2d205fed1f4cb035a7c44ec4214 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Esta tese apresenta o estudo e implementação de técnicas de inspeção de estruturas delgadas tipo placa utilizando arrays de transdutores piezelétricos e ondas acústicas guiadas, associados a métodos de formação e composição de imagens. A detecção de danos em estruturas através de ondas guiadas e arrays de transdutores é um campo de pesquisa de grande importância, principalmente em áreas como a aeroespacial e de geração de energia, que utilizam estruturas delgadas e que exigem inspeção eficaz e completa, visando confiabilidade e segurança. O emprego de ondas acústicas guiadas permite inspecionar grandes áreas utilizando sensores sem a necessidade de realizar varreduras pela peça, de maneira não-destrutiva. Além disso, apresenta sensibilidade a diversos tipos de defeitos, como furos, corrosão, variação de espessura e defeitos superficiais. São estudados aspectos de propagação de ondas, diferentes modos de propagação e dispersão, assim como as principais características dos arrays e a formação de imagens. Os estudos teóricos são acompanhados por simulações usando os softwares MATLAB e PZFlex para obtenção dos modos de propagação das ondas, interação com defeitos e diagramas de radiação dos transdutores, cujos resultados são validados por meio da análise experimental em placas de materiais isotrópicos (alumínio). Montou-se um array linear de transdutores piezelétricos com 16 elementos na borda de uma placa de alumínio com defeitos artificiais. Os sinais provenientes de todas as possíveis combinações dos pares transmissor-receptor foram adquiridos para a utilização de técnicas de abertura sintética. A primeira contribuição deste trabalho é um método para detecção dos defeitos baseado na fase instantânea dos sinais. Substituindo-se a informação de amplitude dos sinais pela fase instantânea (IP) no método de formação de imagem, ... / This thesis presents the study and implementation of non-destructive testing techniques of platelike structures using piezoelectric array transducers and guided acoustic waves, associated with beamforming techniques and image compounding methods. Damage detection in structures using guided waves and arrays is a promising research area, especially in the aerospace and energy fields, where the use of plate-like structures demands thorough inspection due to the high safety levels of operation. Guided acoustic waves techniques can be used to inspect relatively large areas without the necessity of moving the transducers, in a non-destructive way. There are different propagation modes that can be coupled to the plate, and each mode is sensitive to specific types of defects, like notches, delamination and surface defects. Wave propagation, different propagation modes and dispersion characteristics, as well as arrays characteristics and imaging algorithms, are studied. MATLAB and PZFlex simulations are used to get further insight in the theoretical aspects, to obtain dispersion curves, interaction with defects and array response. Experimental results validate the simulations with isotropic materials (aluminum). A 16-elements piezoelectric linear array is mounted at the border of an aluminum plate with artificial defects. The signals related to all combinations of transmit-receive pairs are obtained with burst excitation, for use with synthetic aperture (SA) techniques. The first contribution of this work is a method for defect detection based on the instantaneous phase of the aperture data. The instantaneous phase (IP) image is obtained by replacing the amplitude information by the instantaneous phase in the conventional SA beamforming. From the analysis of the IP image, a threshold level is proposed in terms of the number of signals used for imaging. This threshold is applied to the IP image, resulting ... / FAPESP: 10/02240-0 / FAPESP: 10/16400-0 / FAPESP: 13/00330-0