Evaluation of the Degradation of Fiber Composites by Integrated Structural Health Monitoring

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Rolf Lammering
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2015 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 246293183

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Untersuchungen zur Ausbreitung von Lambwellen in Faserverbunden bei zunehmender Degradation des Werkstoffs standen im Mittelpunkt der durchgeführten Forschungsarbeiten. In Faserverbunden beginnt die Werkstoffdegradation bereits unter Gebrauchslasten und beruht auf mikrostrukturellen Schäden. Diese führen bei der Ausbreitung von elastischen Wellen zu nichtlinearen Effekten, die zum einen experimentell untersucht und zum anderen in der Modellbildung berücksichtigt wurden. In experimentellen Untersuchungen wurden Probekörper aus unidirektionalen Kohlenstofffaserverbunden verwendet. Es wurde eine schwellende zyklische Zugbelastung aufgebracht, um eine lastinduzierte Schädigung zu erzeugen. Anschließend wurde die Ausbreitung von elastischen Wellen untersucht, wobei den nichtlinearen Effekten ein besonderes Augenmerk galt. Darüber hinaus wurde der Elastizitätsmodul der Probekörper als Indikator für den Steifigkeitsverlust des Werkstoffs bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die zunehmende Schädigung durch einen abnehmenden Elastizitätsmodul und einen steigenden Grad der Nichtlinearität, feststellbar durch den akustischen Nichtlinearitätsparameter, gekennzeichnet ist. Die numerischen Untersuchungen erfolgten sowohl an unidirektionalen Kohlenstofffaserverbunden als auch an Kreuzverbunden. Es wurde zum einen der Einfluss der geometrischen Nichtlinearität allein untersucht, zum anderen der Einfluss von strukturintegrierten Rissen, die auf der Grundlage von mikroskopisch aufgenommenen Fotografien modelliert wurden. Schließlich wurde ein nichtlineares hyperelastisches Stoffgesetz formuliert, mit Hilfe dessen der geschädigte Werkstoff abgebildet werden kann, ohne Risse im Einzelnen modellieren zu müssen. Der Grad der Schädigung kann näherungsweise über den im Stoffgesetz enthaltenen Nichtlinearitätsparameter erfasst werden. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen erlauben die Schlussfolgerung, dass nichtlineare geführte Wellen, speziell kumulativ höherharmonische Moden, geeignet sind, um mikrostrukturelle Schädigungen auf Grund von Ermüdungserscheinungen auch in Faserverbundbauteilen zu detektieren. Die vorgestellte hyperelastische Potentialformulierung ermöglicht zudem die numerische Simulation der Entstehung und Ausbreitung eines sekundären Wellenfeldes auf Grund der materiellen Nichtlinearität in transversal-isotropen Strukturen.

Publications

• Impact Damage Detection in Composite Structures Considering Nonlinear Lamb Wave Propagation. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2015
  N. Rauter, R. Lammering
  
• Investigation of the Higher Harmonic Lamb Wave Generation in Hyperelastic Isotropic Material. Physics Procedia, 2015
  N. Rauter, R. Lammering
  
• Numerical simulation of the nonlinear wave propagation based on the cumulative second harmonic Lamb wave generation in isotropic media considering material and geometrical nonlinearities. Smart Materials and Structures, 2015
  N. Rauter, R. Lammering
  
• Nonlinear Elastic Waves for Evaluation of Composite Material Deterioration. Engineering Transactions 64(4), S. 597-604, 2016
  R. Lammering, N. Rauter
  
• On the detection of fatigue damage in composites by use of second harmonic guided waves. Composite Structures, 2016
  N. Rauter, R. Lammering, T. Kühnrich
  
• Analyse des Einflusses der Werkstoffdegradation auf die nichtlineare Wellenausbreitung in unidirektionalen Compositen – Experimentelle Untersuchung mit numerischer Analyse und Modellbildung – , Bericht aus dem Institut für Mechanik (ISSN 0939-2343), Heft Januar 2017
  N. Rauter
  
• Lamb-Wave Based Structural Health Monitoring in Polymer Composites, Springer International Publishing, 2017
  R. Lammering, U. Gabbert, M. Sinapius, T. Schuster, P. Wierach (ed.)
  
• A constitutive model for the analysis of second harmonic Lamb waves in unidirectional composites. International Journal of Solids and Structures, 2018
  N. Rauter, R. Lammering
  
• Zur Wellenausbreitung in geschichteten Faserverbundstrukturen unter Verwendung nichtlinearer Stoffgesetze, Bericht aus dem Institut für Mechanik (ISSN 0939-2343), Heft August 2020
  Ngoc Nguyen Vu