Quantitative spektrale Auswertung nichtlinearer Ultraschall- und Körperschwingungen zur Bewertung von Fügeverbindungen und Materialschädigungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Detektion von mikrostrukturellen Defekten mittels Ultraschall ist nur bedingt mit dem klassischen linearen Ultraschall möglich. Aus diesem Grund bedarf es der Betrachtung nichtlinearer Effekte, die sich auch in gemessenen Ultraschallsignalen abbilden. Solche nichtlinearen Phänomene sind bedingt in der traditionellen Fast Fourier Transformation (FFT) und deren Ableitungen (STFT), besser jedoch in der Wavelet Transformation (WT) und besonders gut in der Hilbert-Huang-Transformation (HHT) zu erkennen. Aus diesem Grund wurde die HHT entsprechend der empirischen Moden Dekomposition (EMD) in intrinsische Moden Funktionen (IMF) zerlegt, die u.a. ein Ausdruck des nichtlinearen Verhaltens in einem Werkstoff sind. Die Transformationsmethoden wurden an verschiedenen Probenkörpern mit steigender Komplexität angewandt. Zuerst erfolgten Untersuchungen auf Basis der Klanganalyse und damit niederfrequent an Aluminiumstäben mit und ohne künstlichen Riss. Es hat sich gezeigt, dass ein so deutlicher Schaden wie der künstliche Riss mit allen hier betrachteten Verfahren in einem bestimmten Frequenzband deutlich erkannt werden kann. Auch bei kleinen hochfrequent ermüdeten Biegebalken aus CFK konnten bereits Imperfektionen aus höher harmonischen Frequenzen erkannt und das Verhalten dieser Frequenzen in Abhängigkeit von der Imperfektionsgröße auch numerisch nachgewiesen werden. In dem ebenfalls komplexen Fall einer geklebten Aluminiumverbindung ist gezeigt worden, dass die Klebung per se Nichtlinearitäten aufweist und dass diese besonders gut zeitaufgelöst über die HHT dargestellt werden können. Man erkennt, dass zeitaufgelöst, verschiedene Moden unterschiedlich stark in Erscheinung treten und dass es partielle Periodizitäten (Muster) in diesem Verhalten gibt. Es wird auch aufgezeigt, wie das nichtlinear elastische Werkstoffverhalten im Zusammenhang mit einer Wellenausbreitung im ein- und zweidimensionalen Raum simuliert werden kann. Schließlich werden Simulationsergebnisse einer über Luftultraschall angeregten geklebten Blechprobe gezeigt und wie aus den über die Klebung abgegebenen ‚Leckagesignalen’ möglicherweise Rückschlüsse auf die Integrität einer Klebung gezogen werden können. Prinzipiell hat das Forschungsvorhaben bewiesen, dass nichtlineare Effekte in Werkstoffen und Bauteilen von hoher Relevanz sind, sie mit einer Vielfalt von Signaltransformationsverfahren detektiert werden können und dass sie besonders kleine Werkstoffimperfektionen bereits gut zu erkennen vermögen. Nachteilig ist sicher noch die teilweise schwierige Art einer einfachen Beschreibung der nichtlinearen Effekte, die somit auch die derzeitige Vermittlung der Effekte für eine praktische Anwendung noch erschwert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Schwingungen von Stäben als Modell für die Klangprüfung; DGZfP-Jahrestagung (2010), Erfurt
Rabe, U.; Geng, K.; Goebel, M.; Balijepalli, R.; Walte, F.; Valeske, B.
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Characterisation of CFRP through enhanced ultrasonic testing methods; Applied Composite Materials, Vol.19 (2012), No.6, pp.913-919
Helfen, T. B.; Sridaran Venkat, R.; Rabe, U.; Hirsekorn, S.; Boller, C.
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Nonlinear ultrasonic testing of carbon fibre reinforced plastics in the very high cycle fatigue regime In: Proceedings of Meetings on Acoustics, Int. Conf. on Nonlinear Elasticity in Materials, Vol.16 (2012), Art. 045004, 6 pp.
Rabe, U.; Helfen, T. B.; Weikert, M.; Hirsekorn, S.; Herrmann, H.-G.; Boller, C.; Backe, D.; Balle, F.; Eifler, D.
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Simulation based smart sensing design for fatigue damage detection in CFRP using non-linear phenomena; Proc. of the Internat. Conf. on Smart Materials and Structures (CANSMART 2015), Vancouver/Kanada
Boller, C.; Bagchi, S.; Sridaran Venkat R., Starke P., Mitra, M.
