Guided waves inspection of kissing bonds : a feasibility study

In the field of aerospace structures, kissing bonds defects prevent the adoption of adhesive bonding technology in safety-critical junctions due to the limited reliability of current inspection protocols. Consequently, the structural efficiency gained from the introduction of bonded joints has not been fully exploited. In this work, a proof-of-concept of a non-destructive testing technique suited for weak adhesion interfaces is proposed. The reconstruction of the dispersion relations in the frequency-wavenumber domain in the junction region. The procedure could be implemented through a Lamb Wave interrogation and laser-doppler vibrometer measurements of the wavefield. In those circumstances, the presence of kissing bonds would imply an altered dispersion diagram in terms of shift of symmetric Lamb Wave modes with respect the pristine case. As prerequisite, a simulation framework to reproduce Lamb Wave at different level of approximation was defined and a preliminary experimental correlation of those interrogation schemes accomplished. A kissing bond damage model by a cohesive zone model embedded in a physical thickness adhesive layer was postulated. Contextually, a prior experimental characterization of residual fracture toughness and strength of the kissing bond interface was also attempted. The expected outcome was the discrimination of defected and pristine bonded junction on the common ground of dispersion diagrams, being the virtual experiments enabled by the validation of Lamb Wave interrogation techniques. Further studies would possibly extend the experimental campaign by refining and validating the set-up of the non-destructive testing technique and in second instance improve the post processing procedure to circumscribe the damaged area of the junction.

La complessità nell’individuazione dei difetti di adesione debole di giunti incollati è uno dei motivi che ne pregiudica l’adozione in applicazioni strutturali primarie, in parte a causa dei limiti dei protocolli di ispezione correnti. Questo si traduce per l’industria aerospaziale in un margine di efficienza strutturale e alleggerimento pesi non sfruttato a pieno. In questo lavoro è presentata una possibile implementazione di una tecnica di ispezione non distruttiva adatta ad evidenziare la presenza di questi difetti. La tecnica poggia sulla ricostruzione nel dominio frequenza-numero d’onda delle relazioni di dispersione della giunzione in parete sottile in esame. La procedura consiste in un’ interrogazione tramite Onde di Lamb e misurazione del campo di spostamenti fuori dal piano con vibrometro laser ad effetto doppler. In queste condizioni la presenza dei difetti di adesione debole provoca un’alterazione delle relazioni di dispersione dei modi simmetrici di propagazione rispetto al caso di giunzione integra. A tal fine, sono predisposti strumenti di simulazione semi-analitici e ad elementi finiti capaci di cogliere la propagazione di Onde di Lamb e correlati con misure sperimentali. Si è sviluppato un modello di danno atto a riprodurre gli effetti della nonlinearità del danno sulle relazioni di dispersione inglobando un modello a zone coesive in uno spessore finito di adesivo. Nel contesto, è svolta una campagna sperimentale atta a validare il modello di danno in condizioni di carico quasi statiche, per quantificare il degrado di resistenza e tenacità in presenza di un difetto di adesione debole. Il risultato atteso consiste nella formulazione di un criterio per stabilire la presenza di un difetto di adesione debole lungo una linea di incollaggio sulla base dei diagrammi di dispersione numerici. Il suo conseguimento verte sulla validazione degli strumenti di simulazione e può esser capitalizzato in un possibile sviluppo di questo lavoro includendo una base di dettagli implementativi e una maggiore sofisticazione negli algoritmi di post-processing per circoscrivere maggiormente l’area danneggiata.