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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2005.tde-15022006-161038
Document
Author
Full name
Jimmy Ernesto San Miguel Medina
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2005
Supervisor
Committee
Adamowski, Julio Cezar (President)
Higuti, Ricardo Tokio
Silva, Emilio Carlos Nelli
Title in Portuguese
Modelagem de ensaios não destrutivos por ultra-som utilizando o método dos elementos finitos.
Keywords in Portuguese
ENDUS
MEF
transdutor de ultra-som
Abstract in Portuguese
Os modelos existentes de propagação de ondas de ultra-som em meios líquidos e sólidos consideram a geração e recepção das ondas produzidas por transdutores simulados segundo o modelo do pistão plano ou com excitações cuja amplitude varia radialmente no pistão. Esses modelos são simplificados e não explicam completamente o comportamento real de transdutores de ultra-som interagindo com líquidos e sólidos. As verificações experimentais de propagação da onda de ultra-som em meios líquidos mostram que a onda de borda é diferente da onda plana. Observa-se também a existência de outras ondas não previstas nos modelos anteriores. Essas ondas são conhecidas como ondas head. A utilização do método dos elementos finitos (MEF) para a modelagem de propagação de ondas de ultra-som, incluindo o transdutor piezelétrico, permite a obtenção de resultados realísticos, conseguindo assim descrever com maior precisão o comportamento do transdutor e das ondas de ultra-som se propagando em diferentes meios e interagindo com defeitos que se comportam como refletores. Apesar disso, os resultados desses modelos dependem das características precisas dos materiais que compõem o transdutor. O transdutor de ultra-som é composto por uma cerâmica piezelétrica, por camadas de casamento e de retaguarda que geralmente são compósitos de epóxi com alumina e epóxi com tungstênio respectivamente, e pelo encapsulamento. Neste trabalho é analisada a resposta transiente de um transdutor circular de 2 MHz, com diâmetro de 12,7 mm, banda larga. O modelo do transdutor foi implementado com o método de elementos finitos. A análise transiente pelo MEF é implementada com o software ANSYS. Na primeira parte do trabalho o transdutor é analisado no modo de transmissão em água. Os resultados do modelo com MEF foram comparados com os resultados do modelo do pistão plano e com verificações experimentais obtidas em tanque de imersão com um hidrofone tipo agulha. Na segunda parte é realizada a análise do transdutor operando em modo pulso-eco radiando em peças de teste com e sem defeito, utilizando acoplamento direto e acoplamento por buffer de água. Os resultados do MEF apresentam boa concordância com os resultados obtidos experimentalmente.
Title in English
Modeling of ultrasonic non destructive evaluation using FEM.
Keywords in English
FEM
ultrasonic NDE
ultrasonic transducer
Abstract in English
Simple models for ultrasonic wave propagation in liquid and solid media consider the wave generation and reception by transducers that behave as plane pistons. These models are simplified and they do not explain completely the behavior of an ultrasonic transducer when interacting with other media. Experimental verifications of ultrasonic wave propagation in liquid show that the pressure amplitude of the edge wave is different from the plane wave. Also it is observed the existence of other types of waves not foreseen in these previous models. These waves are known as head waves. More realistic models for ultrasonic wave propagation are obtained using the finite element method (FEM). These models include the piezoelectric transducer, thus, describing with higher precision the behavior of the transducer and the ultrasonic waves propagating in different mediums and interacting with defects. The precision of the models depends on the accurate determination of the mechanical and electrical properties of the involved materials. The ultrasonic transducer is composed by a piezoelectric ceramic, a matching layer and a backing layer that are generally made by epoxy/alumina and epoxy/tungsten composites respectively. In this work it is analyzed the transient response of a circular transducer of 12.7 mm diameter and 2 MHz center frequency. The transducer model was implemented with the finite element method. The FEM transient analysis was executed in the ANSYS software. In the first part of the work the transducer is analyzed in transmission mode in water and the MEF results are compared with the plane piston model and with experimental verifications using a hydrophone. In the second part it is carried at the transducer analysis operating in pulse-echo mode radiating into test pieces with and without defects, using direct and water buffer coupling. The MEF results show good agreement with the results obtained experimentally in the laboratory.
 
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Publishing Date
2006-02-17
 
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