Untersuchung des Schädigungs- und Modalverhaltens von schnelldrehenden geometrisch komplexen Strukturen durch In-situ-Messtechnik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske; Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr. Edmund Koch
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Leichtbau, Textiltechnik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336228110

Faserverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit und ihres einstellbaren sukzessiven Schädigungsverhaltens hervorragende Eigenschaften zum Einsatz in modernen Hochleistungsrotoren. Die Heterogenität und Anisotropie des Materials erfordert neuartige numerische Modelle für die Auslegung und Beschreibung des Tragfähigkeitsverhaltens geschädigter Rotoren und insbesondere der schädigungsbedingten Verschiebung ihrer Eigenfrequenzen. Die Validierung derartiger Modelle erfordert In-Situ-Messtechniken zur Bestimmung des Schädigungszustandes und Modalverhaltens in Abhängigkeit der komplexen Lastzustände.Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde die Diffraction Grating Method (DGM) als Messverfahren unter Verwendung von - auf elementare Rotorstrukturen applizierten - Beugungsgittern und Auswertung des Fernfeldes systematisch untersucht und zur Validierung des numerischen Modells eingesetzt. Dabei konnten Schädigungen und Schwingungen drehzahlabhängig und ortsaufgelöst bei Geschwindigkeiten >260 m/s gemessen werden.Die Möglichkeiten der optischen Kohärenztomographie (OCT) für die Untersuchung von statisch und dynamisch belasteten Faserverbundwerkstoffen konnten aufgezeigt und die gesamte dreidimensionale Struktur eines Rotors visualisiert werden. Mittels polarisationssensitiver PS-OCT wurden gleichzeitig Spannungsänderungen, Zwischenfaserbrüche und das Deformationsfeld der Probe erfasst.Mess- und Simulationsergebnisse weisen eine hohe Übereinstimmung für ungeschädigte, jedoch nicht für geschädigte und erwärmte Strukturen auf. Weiter zeigte sich, dass geringe Schädigungen schwer durch die Bestimmung der Eigenfrequenzverschiebung erfassbar sind.In der zweiten Förderperiode soll daher das Dämpfungsverhalten als Indikator für geringe Schädigungen untersucht werden. Außerdem sollen die numerischen Modelle um den Einfluss von Temperaturfeldern erweitert und von mehrlagigen Scheibenrotoren hin zu komplexeren 3D Strukturen verallgemeinert werden. Hierfür sollen bei der DGM systematische Abweichungen durch Laserdirektschreiben der Beugungsgitter und durch die Nutzung adaptiver Optik auf <100 με reduziert werden.Die OCT soll erstmals an schnell rotierenden, komplexen Prüfkörpern zur 3D Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt werden, wobei der Messstrahl über rotierende optische Elemente nachgeführt wird. An statischen Proben soll die PS-OCT erstmals zur quantitativen Messung der ortsaufgelösten Dehnung und Spannung genutzt werden, um die Modelle der Schädigungsentwicklung zu testen und zu verbessern.Im Ergebnis steht ein numerisches Modell, das den Zusammenhang des strukturdynamischen Verhaltens geometrisch komplexer Faserverbundstrukturen in Abhängigkeit von Drehzahl, Temperaturfeld und Schädigungszustand vorhersagen kann. Zusätzlich stehen neuartige, robuste Methoden und Sensoren bereit, mit welchen eine In-Situ-Validierung des numerischen Modells erfolgt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen