Numerische und experimentelle Untersuchung der Wellenausbreitungsvorgänge in periodischen Wellenleitern

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Lothar Gaul (†)
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 168225261

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Ultraschall-basierte Prüfverfahren werden in vielen Bereichen der Strukturüberwachung eingesetzt. Angeregt durch piezoelektrische Aktuatoren breiten sich Ultraschallwellen im zu überwachenden Kabel aus und interagieren sensitiv mit verschiedenen Schadenstypen. Die Auswertung der reflektierten Wellen ermöglicht neben der reinen Detektion auch eine Lokalisierung und Identifizierung des Schadens. Mithilfe der Ausbreitungsgeschwindigkeiten kann die Position des Defekts bestimmt werden. Rückschlüsse auf die Schadensgeometrie werden durch Abgleich der Wellenamplituden mit numerischen Simulationsdaten gewonnen. Als Beispiel dient ein Messaufbau zur Analyse der Wellenausbreitung in Kabeln. Messungen werden mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers (LDV) durchgeführt. Ein Schadenserkennungsalgorithmus identifiziert zwei Wellenpakete als die angeregte Longitudinal- bzw. Biegewelle. Bei zwei weiteren Wellenpaketen handelt es sich um reflektierte Wellenpakete infolge eines Risses. In Zukunft gilt es, weitere Schritte in Richtung realer Anwendungsbeispiele zu unternehmen. So müssen die Aktuatoren für reale, mehradrige Kabel an der Oberfläche der Litzen in der äußeren Lage angebracht werden. Ferner sollten Möglichkeiten untersucht werden, die die Anregung unerwünschter Biegewellen reduziert. Im Falle von Überlandleitungen sorgt der elektrische Widerstand der Kabel zu einer Erwärmung der Leitung. Auf die Auswirkung von Temperaturschwankungen hinsichtlich der Wellenausbreitung und der Kopplungsmechanismen in mehradrigen Kabeln sollte daher näher eingegangen werden. Der Einsatz wellenbasierter Prüfverfahren von Kabelsträngen ist in vielen ingenieurwissenschaftlichen Anwendungsgebieten denkbar. Kabelstränge finden u.a. in Seilbrücken, Fahrstühlen und Überlandleitungen Verwendung.

Publications

• Structural health monitoring of cylindrical structures using guided ultrasonic waves. Acta Mechanica, 223 (8), S. 1669-1680, 2012
  Gaul, Lothar, Sprenger, Helge; Schaal, Christoph; Bischoff, Stefan
  
• Study of Mode Conversion at Defects in Rope Structures using Ultrasonic Waves. GAMM 2012 - Darmstadt. Darmstadt, Deutschland, 26.-30. März 2012
  Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar
  
• Analysis of wave propagation in periodic 3D waveguides. Mechanical Systems and Signal Processing, 40 (2), S. 691-700, 2013
  Schaal, Christoph, Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar
  
• Fuzzy Arithmetical Assessment of Wave Propagation Models for Multi-Wire Cables. IMAC 2013 - Orange County (Los Angeles), USA, 11.-14. Februar 2013
  Schaal, Christoph; Hanss, Michael
  
• Simulation of Guided Wave Interaction with Defects in Rope Structures. IMAC 2013 - Orange County (Los Angeles), USA, 11.-14. Februar 2013
  Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar
  
• Efficient Wave Scattering Analysis for Damaged Cylindrical Waveguides. Journal of Sound and Vibration, 333 (18), S. 4203- 4213, 2014
  Bischoff, Stefan; Schaal, Christoph; Gaul, Lothar
  
• Wave Analyses in Structural Waveguides Using a Boundary Element Approach. IMAC 2014 - Orlando (Florida), USA, 10.-13. Februar 2014
  Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar
  
• Energy-based models for guided ultrasonic wave propagation in multi-wire cables. International Journal of Solids and Structures, 64-65, S. 22-29, 2015
  Schaal, Christoph; Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar
  
• Damage Detection in Multi-Wire Cables using Guided Ultrasonic Waves. Structural Health Monitoring May 2016, Volume: 15 issue: 3, page(s): 279-288
  Schaal, Christoph; Bischoff, Stefan; Gaul, Lothar