Einfluss von Inhomogenitäten in Folge der Großserienfertigung und Schäden auf die Wellenausbreitung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hühne; Privatdozentin Dr.-Ing. Natalie Rauter; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Weber
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418311604

Aufgrund des geschichteten Aufbaus und der resultierenden Grenzflächen in Faser-Metall-Laminaten (FML) ist das Risiko von Delaminationen innerhalb der Struktur stark erhöht. Eine Methode zur Erkennung solcher versteckten Schäden ist das auf geführten Ultraschallwellen (GUW) basierende Structural Health Monitoring (SHM). Ausgehend von den theoretischen Grundlagen wurden die Ausbreitung von GUW in FML vor der Forschungsgruppe kaum untersucht. Der Hauptunterschied zwischen dem Ausbreitungsverhalten in faserverstärkten Polymeren (FRP) sowie isotropen Strukturen und FML sind die Impedanzsprünge über die Dicke sowie sowohl produktions- als auch designbedingte Inhomogenitäten. Die wichtigsten Ausbreitungseigenschaften wurden außerhalb der Forschungsgruppe nur in wenigen Veröffentlichungen behandelt. Diese konzentrieren sich auf die Kombination von glasfaserverstärkten Polymeren (GFK) und Aluminium. Daneben gibt es weitere Arbeiten, die sich mit den Grenzflächen zwischen Metall und GFK beschäftigen. Diese Veröffentlichungen und die innerhalb der Forschungsgruppe erzielten Ergebnisse aus der ersten Förderperiode zeigen, dass die theoretischen Grundlagen von GUW auch die Wellenausbreitung in FML abdeckt. Diese Erkenntnis ist nicht auf GFK-Aluminium beschränkt, sondern gilt auch für kohlenstofffaserverstärkte Polymer-Stahl-Laminate. Neben den werkstoffbedingten Komplexitäten, die unterschiedliche Zustandscharakteristika umfassen, entstehen durch den Herstellungsprozess von Großserienbauteilen weitere Inhomogenitäten, die die Wellenausbreitung und damit die Schadensdetektion maßgeblich beeinflussen. Wichtige Aspekte sind dabei lokale Hybridisierungen und Splices. Die Integration solcher Phänomene erfordert eine erhöhte Komplexität des numerischen Modellierungsansatzes, z.B. durch Interphasenmodellierung. Darüber hinaus ist eine umfassende Validierung der numerischen Modelle mit experimentellen Daten notwendig, um ein tiefgreifendes Verständnis der Wellenausbreitung in FML und der Auswirkungen der strukturellen Komplexität auf die Schadensdetektion und die Konfiguration von SHM-Systemen für FML zu ermöglichen. Zusammenfassend werden in diesem Teilprojekt die Auswirkungen von konstruktions- und fertigungsbedingten Inhomogenitäten in FML-Strukturen und deren Folgen für ein SHM-System auf experimenteller und numerischer Ebene untersucht. Hieraus wird folgende Forschungshypothese abgeleitet: Basierend auf den Erkenntnissen der ersten Förderperiode sind GUW ein geeignetes Mittel, um Schäden in FML zu erkennen. Dies gilt auch dann, wenn produktions- und konstruktionsbedingte Übergangszonen auftreten. Die Auswertung der gemessenen Signale erfordert eine umfassende numerische Modellierung, welche sowohl geometrische und materielle Unsicherheiten als auch Multiskalenansätze beinhaltet. Die entwickelten numerischen Modelle können durch experimentelle Untersuchungen validiert werden, was zu einer zuverlässigen Anwendung der Methode an realen Strukturen führt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 3022: Ultraschallüberwachung von Faser-Metall-Laminaten mit integrierten Sensoren