Analyse der Ausbreitung von Lambwellen in Faserverbunden mit örtlichen Defekten unter komplexen Umgebungsbedingungen in Faserverbunden

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Rolf Lammering
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2008 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 84621171

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Die im Berichtszeitraum durchgeführten Arbeiten befassten sich mit der Frage, ob Schäden in Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff auch dann mit Hilfe von geführten Ultraschallwellen detektiert werden können, wenn komplexe Analysebedingungen vorliegen. Komplexe Analysebedingungen liegen allein aufgrund der Anisotropie, des geschichteten Aufbaus und der mikrostrukturellen Inhomogenität von Faserverbundwerkstoffen vor. Hier kommt es zu Konversionen von einer symmetrischen in eine antisymmetrische Wellenform (kontinuierliche Modenkonversion), die bei isotropen Wellenleitern nicht beobachtet werden. Im Rahmen des Projekts wurden zum einen Verbunde aus unidirektionalen Schichten untersucht, zum anderen solche aus Köpergewebe. Unter Berücksichtigung der Werkstoffaufbaus auf mesoskopischer Ebene konnten jeweils Modelle erstellt werden, die die kontinuierliche Modenkonversion erfassen und in numerischen Simulationen abbilden. Diese Modelle basieren zum einen auf der Modellierung örtlich unterschiedlicher Faservolumengehalte, zum anderen auf der Erfassung der Rovings und deren Geometrie. Es kommt zu einer sehr guten Übereinstimmung von numerischen und experimentellen Ergebnissen. Komplexe Analysebedingungen liegen ebenfalls vor, wenn der Wellenleiter Versteifungselemente aufweist, z. B. Stringer. Mit den in der ersten Projektphase entwickelten Untersuchungsmethoden wurden Strukturen mit Versteifungselementen untersucht. Auch hier konnten experimentell beobachtete Phänomene, z.B. stehende Wellen, nachgewiesen werden. Weiterhin waren geschädigte Strukturen Gegenstand der Untersuchungen. Mit dem Time-Reversal-Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass es ohne Kenntnis eines Gutzustandes (baseline) arbeitet, wurden Platten mit Schäden analysiert. In experimententellen und numerischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass mit diesem Verfahren der Ort eines Schadens sehr gut bestimmt werden kann und dass eine grobe Aussage über dessen Größe möglich ist. Das Projekt hat zu zahlreichen Publikationen geführt und die Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Frau Prof. Glushkova und Herrn Prof. Glushkov in Krasnodar, Russland, befördert.

Publications

• Elastische Wellen in faserverstärkten Kunststoffplatten – Modellierung und Berechnung mit spektralen finiten Elementen im Zeitbereich, Bericht aus dem Institut für Mechanik (ISSN 0939-2343), Heft Dezember 2014
  B. Hennings
  
• Group velocity of cylindrical guided waves in anisotropic laminate composites J. Acoustical Society of America, 135 (1), 148-154
  E. Glushkov, N. Glushkova, A. Eremin, R. Lammering
  
• Estimation of effective elastic properties of layered composite fiber-reinforced plastic plates by piezoelectrically induced guided waves and laser Doppler vibrometry, Composite Structures, 125, 449-458, 2015
  A. Eremin, E.V. Glushkov, N.V. Glushkova, R. Lammering
  
• Guided Wave Propagation and Diffraction in Plates with Obstacles: Resonance Transmission and Trapping Mode Effects, Physics Procedia, 70, 447-450, 2015
  E. Glushkov, N. Glushkova, A. Eremin, R. Lammering
  
• Trapped mode effects in notched plate-like structures, Journal of Sound and Vibration, 358, 142-151, 2015
  E. Glushkov, N. Glushkova, A. Eremin, R. Lammering
  
• Material modeling for the simulation of quasi-continuous mode conversion during Lamb wave propagation in CFRP-layers, Comp. Structures, 151, S. 142-148, 2016
  B. Hennings, R. Lammering
  
• Lamb-Wave Based Structural Health Monitoring in Polymer Composites, Springer, 2017
  R. Lammering, U. Gabbert, M. Sinapius, T. Schuster, P. Wierach (ed.)