Ultraschallmessungen für Full Waveform Inversion (FWI)

Punktwolkenbasierte Wellenforminversion - Phase 2 

Projektpartner:

Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Kollmannsberger, Bauhaus-Universität Weimar

Prof. Dr. rer. nat. Ernst Rank, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation (TUM)

Projektbeschreibung:

In diesem Projekt wird eine neue, punktwolkenbasierte Methodik zur Vor- und Rückwärtssimulation von Strukturen erforscht. In der ersten Phase wurde an frühere Arbeiten angeknüpft, die eine aus der stereografischen Bildverarbeitung resultierende 3D-Punktwolke direkt mit einer Strukturanalyse des betreffenden Körpers koppeln. Dieser neue Ansatz basiert auf der Finite Cell Method (FCM), einer eingebetteten Domänenmethode höherer Ordnung. Mit der FCM als Analysewerkzeug kann ein spezifischer Punktzugehörigkeitstest definiert werden, der es ermöglicht, die Rekonstruktion eines Oberflächenmodells und die anschließende zeitaufwändige und fehleranfällige Generierung eines räumlichen Finite-Elemente-Netzes vollständig zu umgehen. Dadurch wird der Aufwand für die bildbasierte Strukturanalyse drastisch reduziert. Da aus der Punktwolke jedoch nur Daten über die Oberfläche der Struktur zur Verfügung stehen, erfordert diese Vorwärtsanalyse Annahmen über das Innere des Körpers, z. B. dass es gleichmäßig mit einem homogenen Material gefüllt ist. Das erste Ziel des vorgeschlagenen Projekts war die Verallgemeinerung dieses Ansatzes auf die Simulation der Ausbreitung akustischer und elastischer Wellen und die Entwicklung maßgeschneiderter Formulierungen für punktwolkenbasierte Randbedingungen. Anschließend wurde die Vorwärtsanalyse erweitert, um ein inverses Problem auf der durch Punktwolken definierten Geometrie zu lösen. Es wurde festgestellt, dass die Skalierung der Dichte in der Methode der vollständigen Wellenforminversion (FWI) besonders vorteilhaft ist, um Hohlräume innerhalb der Struktur zu identifizieren.  Als algorithmischer Kern für die Vorwärts- und Rückwärtssimulation der FWI wurde die Spektralzellenmethode (SCM), eine Erweiterung der Finite-Zellen-Methode, durch einen IMEX-Ansatz ergänzt, der die Wellengleichung explizit auf ungeschnittenen und implizit auf geschnittenen Zellen in der Zeit integriert. Damit wird die effiziente Lösung strukturdynamischer Probleme mit der geometrischen Flexibilität von Embedded-Domain-Methoden kombiniert. Mit diesem Ansatz wurde nun eine Methodik mit deutlich verbesserter Funktionalität für die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) entwickelt. In der zweiten Phase dieses Projekts wollen wir diese Methode mit etablierten Verfahren wie der Total Focusing Method und mit Experimenten am Lehrstuhl für ZfP der TUM vergleichen.

Diese sind von zunehmender Schwierigkeit, so dass die in der zweiten Phase geplante Verbesserung der Methodenentwicklung genau beurteilt werden kann. Dazu gehört die Modellierung der verteilten Quelleneigenschaften von piezoelektrischen Wandlern mittels Inversion sowie die Verbesserung der Inversionsergebnisse durch Regularisierung.

Start: 01.01.2025

Dauer: 2 Jahre

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

TUM Teilnehmer: Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung: Prof. Christian U. Große, Dr. Olga Popovych