Damage detection in rods using wave propagation and time reversal

O monitoramento da integridade e detecção de danos em estruturas tem recebido considerável atenção nas últimas décadas. Houveram progressos significativos no desenvolvimento de métodos para a detecção de danos estruturais, com base nas técnicas de análise modal e resposta dinâmica do sistema. Estas técnicas têm se mostrado bastante apropriadas para detectar danos de alta intensidade, mas não para danos menores, tais como trincas. Um método alternativo é a utilização de métodos de propagação de ondas elásticas. Uma das vantagens é que as ondas guiadas viajam ao longo do comprimento da estrutura, o que permite um teste rápido de longo alcance e elimina a necessidade de se analisar todas as partes da amostra. Neste trabalho será apresentado um método não destrutivo para a detecção de danos em estruturas tipo barra. A fim de evitar uma demorada análise de toda a estrutura, como é feito com métodos clássicos de ultrassom, guias de ondas elásticas são utilizados. Ondas são excitadas e se propagam ao longo da amostra. Estas ondas interagem com um possível dano o que resulta no espalhamento da onda. Os sinais das ondas geradas pelo espalhamento são medidos em algumas posições. Estes sinais são revertidos no tempo e reinjetados nos mesmos pontos de aquisição sobre o modelo numérico da barra, fornecendo uma indicação da posição da falha. Esta combinação de experimento, tempo reverso e simulação numérica fornece uma ferramenta para a detecção de danos em grandes estruturas. O método foi desenvolvido e simulado em um código numérico para guias de onda tipo barra utilizando o Método do Elemento Espectral (Spectral Element Method - SEM). Exemplos simulados de todo o processo feito para uma barra simples são mostrados e os resultados discutidos e comparados com aqueles encontrados na literatura.The health monitoring and damage detection in structures have received considerable attention in recent decades. There have been significant advances in the development of methods for structural damage detection based on the modal analysis techniques and dynamic system response. These techniques have shown to be quite appropriate for high-intensity detecting damages but not for minor damages such as cracks. An alternative method is the use of elastic waves propagation methods. The advantage is that the guided waves travel along the length of the structure, which allows a quick test of long range and eliminates the necessity of analyzing all peer samples. In this work a non-destructive method for damage detection in rod-like structures will be presented. In order to avoid a time-consuming scan of the entire structure, as is done with traditional ultrasound methods, elastic wave guides are used. Waves are excited and propagate along the sample. These waves interact with a possible damage which results in the scattering of the wave. The signals generated by scattering of waves are measured in some positions. These signals are reversed in time and re-injected at the same points of acquisition over the numerical model of the rod, providing an indication of the damage position. This combination of experiment, time reversal and numerical simulation gives a tool for damage detection in large structures. The method was developed and simulated in a numeric code for a rod waveguide using the Spectral Element Method (SEM). Simulated examples of the entire process made for a single rod are shown and results discussed and compared with those found in the literature