Επεξεργασία και ανάλυση ψηφιακών και αναλογικών δεδομένων για την ανάπτυξη μεθόδων μη καταστροφικού χαρακτηρισμού υλικών και δομών

Abstract

The increasing demand for reliable and efficient Non-Destructive Evaluation (NDE) techniques highlights the necessity for developing methodologies that enable the quantitative characterization of the mechanical behavior of materials and structures without compromising their structural integrity. Such techniques play a crucial role in sustainability, safety, and life-extension of structures and industrial components, as they can be applied throughout all stages of their service life. The objective of this doctoral dissertation is the development, implementation, and experimental validation of automated non-destructive methodologies based on ultrasonic techniques and advanced data processing, aiming at the quantitative assessment of the mechanical behavior and degradation of materials. A central concept of this work is the transition from pointwise measurements to repeatable and spatially distributed property evaluation through systematically organized computational frameworks. Within this context, four distinct non-destructive methodologies were developed. Initially, a nonlinear acoustic methodology based on bulk waves was developed for the evaluation of composite materials, enabling the detection and quantification of early-stage microstructural changes. Subsequently, a methodology based on Rayleigh surface waves and nonlinear acoustics was developed to monitor fatigue evolution in metallic materials, allowing the identification of critical stages prior to macroscopic failure. In parallel, an integrated methodology for fatigue life assessment of metallic materials under High-Cycle and Low-Cycle Fatigue (HCF/LCF) conditions was implemented, emphasizing automation of experimental control and comparison of experimental results with classical theoretical models. Finally, a fully automated computational Scanning Acoustic Microscopy (SAM) methodology was developed for mapping the local surface mechanical response of materials through spectral analysis of the V(z) curve. The results of this dissertation demonstrate that the combination of ultrasonic techniques with automated data processing can provide reliable and objective tools for the quantitative evaluation of material degradation and mechanical behavior. The main scientific contribution of this work lies in the development of a coherent computational framework for non-destructive evaluation, which can be extended to a wide range of materials and applications, contributing substantially to modern materials science and industry.

Η αυξανόμενη ανάγκη για αξιόπιστες και αποδοτικές μη καταστροφικές τεχνικές ελέγχου (Non-Destructive Evaluation – NDE) καθιστά επιτακτική την ανάπτυξη μεθοδολογιών που επιτρέπουν τον ποσοτικό χαρακτηρισμό της μηχανικής συμπεριφοράς υλικών και δομών, χωρίς την υποβάθμιση της ακεραιότητάς τους. Οι τεχνικές αυτές συμβάλλουν καθοριστικά στην αειφορία, την ασφάλεια και την παράταση της διάρκειας ζωής κατασκευών και βιομηχανικών εξαρτημάτων, παρέχοντας δυνατότητα εφαρμογής σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής τους. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη, υλοποίηση και πειραματική επικύρωση αυτοματοποιημένων μη καταστροφικών μεθοδολογιών, βασισμένων σε υπερηχητικές τεχνικές και προηγμένη επεξεργασία δεδομένων, με σκοπό την ποσοτική αποτίμηση της μηχανικής συμπεριφοράς και της φθοράς υλικών. Κεντρικός άξονας της εργασίας αποτελεί η μετάβαση από τη σημειακή μέτρηση στην επαναλήψιμη και χωρικά κατανεμημένη αξιολόγηση ιδιοτήτων, μέσω συστηματικά οργανωμένων υπολογιστικών πλαισίων. Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκαν τέσσερις διακριτές μη καταστροφικές μεθοδολογίες. Αρχικά, αναπτύχθηκε μεθοδολογία μη γραμμικής ακουστικής με χρήση ακουστικών κυμάτων χώρου (bulk waves) για την αξιολόγηση σύνθετων υλικών, επιτρέποντας την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση πρώιμων μικροδομικών μεταβολών. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μεθοδολογία βασισμένη σε επιφανειακά κύματα Rayleigh και μη γραμμική ακουστική για την παρακολούθηση της εξέλιξης της κόπωσης μεταλλικών υλικών, με δυνατότητα εντοπισμού κρίσιμων σταδίων πριν τη μακροσκοπική αστοχία. Παράλληλα, υλοποιήθηκε ολοκληρωμένη μεθοδολογία αποτίμησης διάρκειας ζωής μεταλλικών υλικών υπό συνθήκες υψηλού και χαμηλού κύκλου κόπωσης (HCF/LCF), με έμφαση στην αυτοματοποίηση του πειραματικού ελέγχου και τη σύγκριση πειραματικών δεδομένων με κλασικά θεωρητικά μοντέλα. Τέλος, αναπτύχθηκε πλήρως αυτοματοποιημένη υπολογιστική μεθοδολογία ακουστικής μικροσκοπίας σάρωσης (SAM) για τη χαρτογράφηση της τοπικής επιφανειακής μηχανικής απόκρισης υλικών, μέσω φασματικής ανάλυσης της καμπύλης V(z). Τα αποτελέσματα της διατριβής καταδεικνύουν ότι ο συνδυασμός υπερηχητικών τεχνικών με αυτοματοποιημένη επεξεργασία δεδομένων μπορεί να οδηγήσει σε αξιόπιστα και αντικειμενικά εργαλεία αξιολόγησης φθοράς και μηχανικής συμπεριφοράς. Η κύρια επιστημονική συνεισφορά της εργασίας έγκειται στη διαμόρφωση ενός συνεκτικού υπολογιστικού πλαισίου για μη καταστροφικούς ελέγχους, το οποίο μπορεί να επεκταθεί σε ευρύτερο φάσμα υλικών και εφαρμογών, συμβάλλοντας ουσιαστικά στη σύγχρονη επιστήμη των υλικών και στη βιομηχανία.