Auswirkungen von Umwelteinflüssen und Schädigungen auf das Ausbreitungs- und Dämpfungsverhalten von Lamb-Wellen in Faserverbundwerkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die durch das Vorhaben erreichten Fortschritte liegen insbesondere in dem Erkenntnisgewinn zu den Auswirkungen von Umgebungseinflüssen auf die Ausbreitung von Lamb-Wellen und das Messsystem. Die piezoelektrischen Aktoren und piezoelektrischen Sensoren sind in dem untersuchten Fall auf der Strukturoberfläche aufgeklebt. Innerhalb des Projekts wurde ein vollständiges, aktives Structural-Health-Monitoring-(SHM)-System von der transienten Anregung bis zur Auswertung der Sensorantwort in einem Modell, welches mittels MATLAB in eine Softwareanwendung umgesetzt wurde, für symmetrische Laminataufbauten verwendet und experimentell für niedrige Moden verifiziert. Das Modell umfasst die Abmessungen der Piezoelemente, den piezoelektrischen Effekt bei der Anregung und der Detektion, den Einfluss der Klebeschicht zwischen Piezoelement und Struktur sowie die Wellenausbreitung im Material. Für die analytische Berechnung der richtungsabhängigen Wellenausbreitung wurde auf Basis der höheren Plattentheorie dritter Ordnung mit einem Ansatz 2. Ordnung für die Verschiebung in z-Richtung die frequenzabhängige Phasenund Gruppengeschwindigkeit rein elastischer Wellen aus den anisotropen Materialsteifigkeiten des Wellenleiters ermittelt. Die Berechnung der richtungs- und frequenzabhängigen Materialdämpfung erfolgt über den Imaginärteil der komplexen Steifigkeit. Für die Darstellung der Frequenzabhängigkeit wurde sowohl das Hysteresemodell als auch das Kelvin-Voigt-Modell wahlweise verwendet und bei der Berechnung der Laufzeiten der niedrigsten elf Moden berücksichtigt. Bei bekannter Wegstrecke, eingehender Welle und Frequenz kann der Auslenkungsverlauf berechnet werden. Durch diese Darstellung der Messkette können Umweltauswirkungen und deren gegenseitige Beeinflussung verdeutlicht und in Relation zueinander gesetzt werden. Es wurde der signifikante Einfluss des Messsystems auf die ermittelten Dispersionskurven der Lamb-Wellen nachgewiesen. Bei der Charakterisierung der Lamb-Wellenausbreitung müssen die Einflüsse des Messsystems berücksichtigt werden. Das entwickelte Verfahren kann insbesondere in der Auslegungsphase entsprechender SHM-Systeme nützlich sein, um z. B. Fragen zur Sensordichte zu beantworten. Eine praktikable Erkennung einer Schädigung ist systembedingt nur begrenzt möglich. In experimentellen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass die Auswirkungen von Feuchtebelastung die Detektionsschwelle für typische Schäden erhöhen, aufgrund nicht vorhandener Kompensation. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurden Kompensationsmethoden für die Auswirkungen von nicht-schädigenden Einflüssen auf die Lamb-Wellenausbreitung und das Messsytem geschaffen, die an die Erfordernisse der Strukturzustandsüberwachung von polymeren Faserverbundstrukturen angepasst sind. Dafür wurden Verfahren zur analytischen Vorhersage der Signaländerung, zur Kompensation mittels angepasster Signalverarbeitung und zur Berücksichtigung für SHM-Systeme geschaffen und angewendet. Die Vorhersage der Signaländerung ist jedoch praktisch nicht durchführbar. Für die Signalverarbeitung wurde der Ansatz der lokalen temporalen Kohärenz an die transiente Anregung angepasst und experimentell umgesetzt. Die Rekonstruktion des Impaktverlaufs durch passive Messungen konnte mit nachfolgenden aktiven Messungen zur Kennwertbestimmung verbessert werden. Für das entwickelte Vorgehen zur adaptiven Impakterkennung ist die Fragestellung von Interesse, wie sich das Verhalten der ausgelösten Wellen infolge von Schlagereignissen mit Materialschädigung unter Umwelteinflüssen entwickelt. Für den Fall der Schädigung ist das in diesem Vorhaben entwickelte Verfahren zur Rekonstruktion des Schlagkraftverlaufs nicht verifiziert. Die Anwendbarkeit des Verfahrens gilt es zu untersuchen, etwa mit dem Ansatz einer Grenzwertkorrektur. Trotz der Fortschritte lassen sich Signalveränderungen mit den angewandten Methoden durch sich ändernde Umgebungsbedingungen nicht ausreichend kompensieren, um auf Lamb-Wellen basierende SHM-Systeme zur Überwachung realer Faserverbundstrukturen vorteilhaft einzusetzen. Abschließend konnte in dem Vorhaben nur eine Auswahl von nicht-schädigenden Einflussfaktoren betrachtet werden. Für ein robustes und einsatzfähiges SHM-System ist aber die Untersuchung aller potenziell auftretenden Einflüsse mit geeigneten Kompensationsverfahren zu empfehlen, um Fehlalarme zu reduzieren und die Funktionssicherheit abzusichern. Es besteht weiter Forschungsbedarf, um die SHM-Systeme robuster und zuverlässiger zu gestalten und deren Praxistauglichkeit zu demonstrieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A compensation method to account for environmental effects on active Lamb-wave based SHM; Tagungsbandbeitrag: 4th International Symposium on NDT in Aerospace, Augsburg, Deutschland, 13.–15. November (2012) Tu.3.B.2, 10 Seiten
Schubert, K. J.; Block, T. B.; Brauner, C.; Herrmann, A. S.
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On the influence of moisture absorption on Lamb wave propagation and measurements in viscoelastic CFRP using surface applied piezoelectric sensors; Composite Structures 94 (2012) 3635–3643
Schubert, K.; Herrmann A. S.
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A compensation method for environmental influences on passive Lamb wave based impact evaluation for CFRP; Key Engineering Materials 569– 570 (2013) 1265–1272
Schubert, K. J.; Herrmann, A. S.
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Beitrag zur Strukturzustandsüberwachung von faserverstärkten Kunststoffen mit Lamb-Wellen unter veränderlichen Umgebungsbedingungen; Science Report aus dem Faserinstitut Bremen, Hrsg.: Herrmann, A. S.; Logos Verlag, Berlin, 7 (2013)
Schubert, K. J.
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Relevance of environmental influences for Lamb wave based SHM with piezoelectric elements, ICCM 19, 19th International Conference on Composite Materials, Montreal, Canada, (2013) 12 Seiten
Schubert, K. J.; Focke, O.; Herrmann, A. S.
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Non-damage related influences on Lamb wave based SHM of CFRP structures; Structural Health Monitoring13 (2014) 158–176
Schubert, K.; Brauner, C.; Herrmann, A. S.
