Design, modeling and simulation of an ultrasound-based stress monitoring application for steel structural joints

Nondestructive testing (NDT) is a wide group of analysis techniques that are used to evaluate the properties and conditions of a material without causing damages. Because NDT does not alter the state of the object being inspected and due to the fast improvements in the technologies and methods being continuously developed, NDT techniques are highly valuable and can save money and time. Ultrasonic testing (UT) is one of the most commonly used NDT techniques in the field of industry. UT is based on analyzing an ultrasonic wave propagation inside the object tested. The target of this thesis is to assess and monitor the stresses developed in a steel bolt used in structural joints using an ultrasonic acoustic wave. The behavior and the life of the bolted joints depend highly on the magnitude of the bolt preloading. Hence, the need for maintaining, controlling, and monitoring the bolt pretension arises. Utilizing the concept of acoustoelastic effect and the UT techniques, it is possible to measure the pretension in an in-service bolted joint. Several models were proposed in this work to simulate the propagation of an ultrasonic wave inside a bolt. A model to extract a reference time of flight (TOF) of an acoustic wave inside an unloaded bolt was created. Secondly, the influence of the presence of a matching layer on transmitting the ultrasonic wave was investigated by comparing three different models with three different matching layers namely water, Araldite, and Silicone. The comparison is based on comparing the intensity of the signal transmitted inside the bolt after passing through the matching layer. To utilize the acoustoelastic effect, which suggests a linear relationship between the velocity of the acoustic wave propagation in an elastic domain with the stress level in the domain, a model simplifying the state of a bolt under a predefined level of preloading is created. The level of stresses along the bolt axis was extracted and a MATLAB code based on the theory of the acoustoelastic effect was used to obtain the velocity-stress relation. The physical elongation and the acoustic wave velocity change due to the Pre-tensioning inside the bolt alter the TOF of the acoustic wave needed for the acoustic wave to travel through the bolt. A linear relation between the change in the TOF and the bolt preloading was derived. Finally, to model a more realistic case of UT, a PMUT stack mounted on top of the matching layer and the bolt head was modeled as a transmitter and a receiver. The PMUT ability to emit and receive an ultrasonic wave was investigated. The ultrasound-based stress monitoring method presented in this work shows promising results that can motivate the initiation of some experimental work to validate it using a real PMUT stack.

Le Prove non Distruttive (PND) sono un ampio gruppo di tecniche di analisi che vengono utilizzate per valutare le proprietà e le condizioni di un materiale senza causarne danni e senza interventi invasivi, perché le PND non alterano lo stato dell'oggetto da ispezionare. Grazie allo sviluppo tecnologico, le tecniche PND oggigiorno sono molto efficaci e possono far risparmiare tempo e denaro. Le prove ad ultrasuoni (PU) sono uno dei PND più comunemente utilizzati nel campo dell'industria. Le UT si basano sull'analisi di una propagazione di onde ultrasoniche all'interno dell'oggetto testato. L'obiettivo di questo elaborato di tesi è valutare e monitorare le sollecitazioni sviluppate in un bullone in acciaio utilizzato nei giunti strutturali utilizzando un'onda acustica ultrasonica. Il comportamento e la vita dei giunti bullonati dipendono fortemente dall'entità del pre-carico sul bullone. Quindi, sorge la necessità di mantenere, controllare e monitorare la pretensione sul bullone. Utilizzando il concetto di effetto acusto-elastico e le tecniche UT, è possibile misurare la pretensione in un giunto bullonato in utilizzo. Diversi modelli sono stati proposti in questo elaborato per simulare la propagazione di un'onda ultrasonica all'interno di un bullone. È stato creato un modello per estrarre un tempo di volo di riferimento (TOF) di un'onda acustica all'interno di un bullone scaricato. In secondo luogo, è stata studiata l'influenza della presenza di uno strato corrispondente sulla trasmissione dell'onda ultrasonica confrontando tre diversi modelli con tre diversi strati corrispondenti, ovvero Acqua, Araldite e Silicone. Il confronto si basa sulla variazione dell'intensità del segnale trasmesso all'interno del bullone dopo aver attraversato lo strato di corrispondenza. Per utilizzare l'effetto acusto-elastico, che suggerisce una relazione lineare tra la velocità di propagazione dell'onda acustica in un dominio elastico con il livello di sollecitazione nel dominio, viene creato un modello che semplifica lo stato di un bullone sotto un livello predefinito di pre-carico. Il livello di sollecitazioni lungo l'asse del bullone è estratto ed è stato utilizzato un codice MATLAB basato sulla teoria dell'effetto acusto-elastico per ottenere la relazione velocità-sollecitazione. Il cambiamento dell’allungamento fisico e la velocità dell'onda acustica per il pretensionamento all'interno del bullone alterano il TOF dell'onda acustica necessario affinché l'onda acustica viaggi attraverso il bullone. È stata ricavata una relazione lineare tra la variazione del TOF e il pre-carico del bullone. Infine, per modellare un caso più realistico di UT, sono stati modellati rispettivamente come trasmettitore e ricevitore: una pila PMUT montata sopra lo strato corrispondente e la testa del bullone. È stata studiata la capacità del PMUT di emettere e ricevere un'onda ultrasonica. Il metodo di monitoraggio dello sforzo basato su ultrasuoni presentato in questo elaborato di tesi mostra risultati promettenti che possono motivare l'avvio di una sperimentazione per convalidarli utilizzando un vero stack PMUT.