Identifikation und Bewertung von Impactvorgängen mit einem wellenbasierten Verfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das primäre Ziel des am Faserinstitut bearbeiteten Teilprojektes lag in der Entwicklung eines Verfahrens zur Lokalisierung von Impacts und deren Bewertung durch Bestimmung der dabei auftretenden Belastungen des Materials. Vor allem kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit duroplastischer Matrix verfügen über relativ schlechte Impacteigenschaften. Impacts an CFK führen zudem zu internen Strukturschäden wie Delaminationen und Querrissen, die von außen nicht sichtbar sind. Die Detektion solcher Schäden ist aufwändig und kostspielig. Ein Verfahren zur Identifikation von Impacts würde daher die Detektion von Schäden und die Wartung von CFK Strukturen wesentlich vereinfachen. Untersuchungen zur Onlinedetektion von Schäden und Impacterkennung sind Im Rahmen der vor allem in den letzten 10-15 Jahren stark in den Vordergrund der Ingenieurwissenschaftlichen Diskussionen gerückten Structural Health Monitoring (SHM) Thematik von großem Interesse. Einer der Schwerpunkte der grundlagenbezogenen Arbeiten lag in der analytischen Beschreibung der Ausbreitung von Lamb-Wellen in anisotropen, viskoelastischen Faserverbundwerkstoffen. Lamb-Wellen, die auch als Plattenwellen, Biegewellen oder geführte Wellen bezeichnet werden, sind mechanische Wellen im Ultraschallbereich, die sich in der Ebene eines Bauteils ausbreiten. Lamb-Wellen treten je nach Frequenzbereich in unterschiedlichen Modi und Ordnungen auf und unterscheiden sich dabei in ihrem Ausbreitungs- und Dämpfungsverhalten teilweise erheblich voneinander. Für die bei Impactereignissen auftretenden und im Bereich des SHM am meisten verwendeten Lamb-Wellen Modi So, Ao und SHQ wurde im Rahmen des Projektes ein analytisches Materialmodell entwickelt und in eine Software implementiert. Zur experimentellen Überprüfung der Ergebnisse wurde ein Prüfstand aufgebaut, an dem mit Hilfe von Piezowandlern, Lamb-Wellen angeregt und aufgenommen wurden. Es wurde ein Frequenzbereich von 10 - 500 KHz untersucht. Die Übereinstimmung zwischen dem analytischen Modell und den experimentellen Ergebnissen war sehr gut. Das Dämpfungsverhalten von Lamb-Wellen wurde für sechs luftfahrttypische, kohlenstofffaserverstärkte Laminate zudem experimentell und analytisch untersucht. Zur Detektion und Bewertung von Impactvorgängen wurde eine Methode entwickelt und implementiert, die auf der Wavelet-Transformation, einer innovativen Signalverarbeitungsmethode, basiert. Die mit Hilfe von Piezowandlern aufgenommen Signale werden nach einem Impact hiermit analysiert und ausgewertet. Dies erleichtert die Bestimmung von Wellenankunftszeiten und macht so die Ortung von Impacts in Faserverbundstrukturen zuverlässiger. Experimentell wurden hierzu Impacts mit einem speziellen Hammer aufgebracht, der den Stoßkraftverlauf als Maßstab für die Belastung des Materials aufzeichnet. Für die Rekonstruktion des Stoßkraftverlaufes und damit der Bewertung eines Impacts wurde ein analytisches Strukturmodell verwendet, das die Ausbreitung von Biegewellen nach einem Impact beschreibt. Die entwickelte Methode wurde an kohlenstofffaserverstärkten Laminaten erfolgreich verifiziert. Dabei konnte die Impactstelle bis auf wenige cm genau lokalisiert werden, und der Stoßkraftverlauf mit ausreichender Genauigkeit rekonstruiert werden. Ein ursprünglich bei der Projektplanung nicht vorgesehener Punkt, der aber im Laufe der Entwicklungsarbeiten erkannt wurde und als ein Punkt von großem wissenschaftlichen aber auch wirtschaftlichen Interesse ist, lag in der Entwicklung einer neuartigen auf Lamb-Wellen basierten Methode zur Bestimmung der elastischen und viskoelastischen Materialeigenschaften von Faserverbundlaminaten. Die Methode geht von dem experimentell bestimmten Dispersions- und Dämpfungsverhalten der Plattenwellen aus und stellt im Grunde das inverse Problem des zuvor entwickelten Modells zur Berechnung von Lamb-Wellen dar. Dabei sind jedoch in diesem Fall nicht die Materialeigenschaften bekannt und das Lamb-Wellen Ausbreitungsverhalten gesucht, sondern umgekehrt werden die Materialeigenschaften zu einem bereits bekannten Lamb-Wellen Verhalten gesucht. Die Ergebnisse dieser neuartigen, im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methode, wurden mit Materialkennwerten aus zerstörenden und zerstörungsfreien Untersuchungen, die dem heutigen Stand der Technik entsprechen, erfolgreich gegenübergestellt. Die in diesem Rahmen entwickelte Methode ist im Gegensatz zu allen heute verfügbaren Techniken für Anwendungen direkt am Bauteil und im Betrieb geeignet, und kann leicht automatisiert werden. Dadurch ließen sich die Materialkennwerte einer sich im Betrieb befindenden Struktur wie z.B. einem Flugzeug, einem Auto oder auch die Flügel einer Windkraftanlage bestimmen und auftretende Materialschwächungen besser erkennen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of a FEA-based approach to localize impacts and determine their force histories, Proc. of Adaptronic Congress, Göttingen, May, 3-4, 2006
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S., König, C., Müller, J.
- Investigation on Wave Propagation in Composites as Requirement for Impact detection, Proc. of 25th International Congress of the Aeronautical Sciences, Hamburg, September 2006
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S., König, C , Müller, J.
- Numerische und experimentelle Untersuchung der Wellenausbreitung in Faserverbundstrukturen, Materialprüfung, Vol. 5, May 2006
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S., König, C , Müller, J.
- Attenuation of Lamb Waves in Composites: Models and possible Applications, Proc. of 6th International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford, September 2007
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S.
- On the propagation of Lamb Waves in viscoelastic composites for SHM applications. Key Engineering Materials, Vol. 347, pp. 543-548, 2007
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S.
- Propagation of Lamb Waves in viscoelastic Composites for Impact Monitoring Applications, Proc. of SAMPE Europe, Paris, March 2007
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S.
- Theoretical and experimental studies of Lamb wave propagation in attenuative composites, Proc. of SPIE, San Diego, March 2007
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S.
- Characterization of viscoelastic Unidirectional Composite Laminates using S0, A0 and SH0 Lamb waves, Proc. of 4th European Workshop on Structural Health Monitoring, Cracow, July 2008
Calomfirescu, M., Herrmann, A. S.
- Lamb Waves for Structural Health Monitoring in Viscoelastic Composite Materials, Dissertation, Fachbereich Produktionstechnik, Universität Bremen, 2008
Calomfirescu, M.
