Evaluation of the Degradation of Fiber Composites by Integrated Structural Health Monitoring
Final Report Abstract
Untersuchungen zur Ausbreitung von Lambwellen in Faserverbunden bei zunehmender Degradation des Werkstoffs standen im Mittelpunkt der durchgeführten Forschungsarbeiten. In Faserverbunden beginnt die Werkstoffdegradation bereits unter Gebrauchslasten und beruht auf mikrostrukturellen Schäden. Diese führen bei der Ausbreitung von elastischen Wellen zu nichtlinearen Effekten, die zum einen experimentell untersucht und zum anderen in der Modellbildung berücksichtigt wurden. In experimentellen Untersuchungen wurden Probekörper aus unidirektionalen Kohlenstofffaserverbunden verwendet. Es wurde eine schwellende zyklische Zugbelastung aufgebracht, um eine lastinduzierte Schädigung zu erzeugen. Anschließend wurde die Ausbreitung von elastischen Wellen untersucht, wobei den nichtlinearen Effekten ein besonderes Augenmerk galt. Darüber hinaus wurde der Elastizitätsmodul der Probekörper als Indikator für den Steifigkeitsverlust des Werkstoffs bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die zunehmende Schädigung durch einen abnehmenden Elastizitätsmodul und einen steigenden Grad der Nichtlinearität, feststellbar durch den akustischen Nichtlinearitätsparameter, gekennzeichnet ist. Die numerischen Untersuchungen erfolgten sowohl an unidirektionalen Kohlenstofffaserverbunden als auch an Kreuzverbunden. Es wurde zum einen der Einfluss der geometrischen Nichtlinearität allein untersucht, zum anderen der Einfluss von strukturintegrierten Rissen, die auf der Grundlage von mikroskopisch aufgenommenen Fotografien modelliert wurden. Schließlich wurde ein nichtlineares hyperelastisches Stoffgesetz formuliert, mit Hilfe dessen der geschädigte Werkstoff abgebildet werden kann, ohne Risse im Einzelnen modellieren zu müssen. Der Grad der Schädigung kann näherungsweise über den im Stoffgesetz enthaltenen Nichtlinearitätsparameter erfasst werden. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen erlauben die Schlussfolgerung, dass nichtlineare geführte Wellen, speziell kumulativ höherharmonische Moden, geeignet sind, um mikrostrukturelle Schädigungen auf Grund von Ermüdungserscheinungen auch in Faserverbundbauteilen zu detektieren. Die vorgestellte hyperelastische Potentialformulierung ermöglicht zudem die numerische Simulation der Entstehung und Ausbreitung eines sekundären Wellenfeldes auf Grund der materiellen Nichtlinearität in transversal-isotropen Strukturen.
Publications
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Ngoc Nguyen Vu
(See online at https://doi.org/10.24405/9640)
