Mathematisch-numerische Modellierung der Ultraschallstreuung an oberflächenverbundenen Rissen mit dem EFIT-Code

Ein im Forschungszentrum Rossendorf entwickeltes Ultraschall-Laufzeit-Beugungsverfahren zur experimentellen Beobachtung von stabilem Rißwachstum wurde durch Simulationsrechnungen analysiert. Das Meßverfahren umfaßt die quasistatische Belastung einer einseitig angerissenen stabförmigen Probe in Dreipunktbiegung sowie die wiederholte Messung der Laufzeit eines an der Rißfront gebeugten Ultraschallimpulses. In den 2D-Simulationen wurden Probengeometrie, Rißlänge sowie Ultraschallsende- und Empfangswandler berücksichtigt. Gegenstand der Simulationen waren die Erzeugung des Ultraschallimpulses, die Schallfeldausbreitung und die Signalbildung im Empfangswandler mit Hilfe der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik. Den aufeinanderfolgenden Phasen des Dreipunkt-Biegeversuches wurde durch Einbeziehung von zunehmender Rißlänge und Probendurchbiegung, Rißabstumpfung und Materialschädigung Rechnung getragen. Die Simulationsergebnisse ermöglichen folgende Schlußfolgerungen:

• Die Natur der empfangenen Meßsignale und die Entstehung jedes einzelnen angeregten Echos wurden vollständig aufgeklärt. Es konnte zweifelsfrei nachgewiesen werden, daß es sich bei dem zur Laufzeitmessung herangezogenen Meßsignal tatsächlich um das an der Rißspitze gebeugte Transversalwellen-echo handelt.
• Durch Variation der Versuchsparameter (Wellenmode, Aperturfläche, Wandlerposition und Meßfrequenz) in den Simulationsrechnungen konnten Informationen über eine mögliche Optimierung der Meßanordnung zur Erhöhung ihrer Meßgenauigkeit und ihres Aussagegehaltes gewonnen werden.
• Insgesamt bestätigen die Simulationen die gute Eignung des entwickelten Rißfortschrittsmeßverfahrens zu Rißfortschrittsmessungen an Kleinproben aus duktilem Material.