Simulation der Ultraschallprüfung komplexer Materialien und Bauteile

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall nutzt die physikalischen Eigenschaften elastischer Wellen, um Fehler und Materialinhomogenitäten aufzuspüren und zu charakterisieren. Die meisten modernen Konstruktionswerkstoffe allerdings verhalten sich elastisch anisotrop, sodaß die Ultraschallausbreitung durch zum Teil komplexe Phänomene gekennzeichnet ist. Zusätzlich führt die Formgebung industrieller Bauteile oftmals zu unerwünschten Fokussierungs- oder Defokussierungseffekten. Um die Zuverlässigkeit der in praxi eingesetzten Prüfverfahren zu garantieren, müssen deshalb Materialeigenschaften und mikrostrukturelle Inhomogenitäten, aber auch der Einfluß gekrümmter Oberflächen und Grenzflächen auf das Ausbreitungsverhalten des Ultraschalls beachtet werden. Vor diesem Hintergrund haben die Simulation und die Optimierung der Ultraschallprüfung wesentlich an Bedeutung gewonnen, wobei die mathematische Modellierung eine Methode zur unterstützenden Analyse bereitstellt. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über verschiedene analytische Ansätze zur Modellierung der Ultraschallausbreitung in komplex strukturierten Materialien. Ergebnisse werden exemplarisch sowohl für isotrope Bauteile mit gekrümmten Oberflächen als auch für anisotrope und inhomogene Materialien wie Kompositwerkstoffe und austenitisches Schweißgut präsentiert. Die Modellierung schließt dabei die Ultraschallanregung mittels Senkrecht-, Winkel- oder Arrayprüfköpfen in Kontakt- oder Immersionstechnik, sowie mittels elektromagnetisch-akustischer Sensoren ein. Die durchgeführten Simulationen umfassen die Berechnung von Schallfeldern und C-Scans, aber auch von Zeit- und Fehlersignalen. Vergleiche mit experimentellen Resultaten werden ebenfalls präsentiert.