Auf dem Weg zu einer integrierten Strukturüberwachung von Faserverbundwerkstoffen

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Auf dem Weg zu einer integrierten Strukturüberwachung von Faserverbundwerkstoffen"

Theodor Gerhardt
vor 5 Jahren
Abrufe

1 Folie 1 Auf dem Weg zu einer integrierten Strukturüberwachung von Faserverbundwerkstoffen Daniel Schmidt, Wolfgang Hillger, Artur Szewieczek, Maria Moix-Bonet, Christoph Heinze, Florian Raddatz, Peter Wierach, Michael Sinapius

2 Folie 2 Motivation für SHM-Systeme - SHM-Systeme (Structural Health Monitoring) ermöglichen eine kontinuierliche Prüfung von Bauteilen im Betrieb auf Schäden - Vorteile eines SHM-Systems: - verlängerte bzw. nutzungsangepasste Inspektionsintervalle - höhere zulässige Spannungen bzw. erweitertes Leichtbaupotential

3 Folie 3 SHM-Gesamtsystem Struktur - Wellenausbreitung - Welleninteraktion mit Schäden und Strukturbauteilen Aktuatoren und Sensoren - Wellenanregung und -empfang - Strukturkonforme Integration - Netzwerkkommunikation - Energieversorgung Signalverarbeitung - Signalaufbereitung - Eindeutige Schadensindikatoren - Algorithmen zur Schadensdetektion

4 Folie 4 SHM-Gesamtsystem Wie muss ein SHM-System konzipiert sein, um Schäden zuverlässig unter verschiedenen Betriebs- und Umweltbedingungen detektieren und lokalisieren zu können? - detailliertes Verständnis zur Ausbreitung und Interaktion von Lambwellen - Gewährleistung der Beobachtbarkeit von unterschiedlichen Schadenszenarios bei einem gegebenen Aktuator-Sensor-Netzwerk - Nutzung von eindeutigen Indikatoren zur Schadensdetektion - spezifische Analyse und Systementwicklung im Hinblick auf das Anwendungsszenario

5 Folie 5 Ausbreitung und Interaktion von Lambwellen - Untersuchung der Wellenausbreitung und -interaktion: - luftgekoppelte Ultraschallprüfköpfe - Laser-Scanning-Vibrometer auf Basis einer modularen Forschungsplattform - nummerische Methoden Aktuator Schaden Ultraschallsystem Ultraschallsensor CFK-Platte Aktuator Laser-Scanning-Vibrometer (modulare Forschungsplattform) CFK-Platte Aktuator Wellenausbreitung (Laser-Scanning-Vibrometer)

Moden aus: S 0 -Mode - symmetrische Moden, S 0 S n - antisymmetrische Moden, A 0 A n A 0 -Mode

6 Folie 6 Ausbreitung von Lambwellen in der Struktur - Lambwellen bilden unterschiedliche Moden aus: S 0 -Mode - symmetrische Moden, S 0 S n - antisymmetrische Moden, A 0 A n A 0 -Mode - Ausbreitungsgeschwindigkeit der Moden ist abhängig von: - Frequenz (Dispersion) - Plattendicke - Elastizitätsgrößen, Dichte Phasengeschwindigkeiten in einer quasiisotropen CFK-Platte

7 Folie 7 Ausbreitung von Lambwellen in der Struktur - Anisotropie von Faserverbundwerkstoffen führt zu richtungsabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten Phasengeschwindigkeiten in einer quasiisotropen CFK-Platte

8 Folie 8 Ausbreitung von Lambwellen in der Struktur - Wellenausbreitung wird zusätzlich beeinflusst durch: - materialabhängige Dämpfung - thermische und mechanische Spannungen - Feuchte, Materialalterung Dämpfung in einer quasiisotropen CFK-Platte

9 Folie 9 Ausbreitung von Lambwellen in der Struktur - Wellenausbreitung wird zusätzlich beeinflusst durch: - materialabhängige Dämpfung - thermische und mechanische Spannungen - Feuchte, Materialalterung T T Ausbreitung des S 0 -Mode in einer CFK-Struktur

Zeit www.dlr.de Folie 10 Interaktion von Lambwellen in der Struktur - Lambwellen besitzen eine hohe Sensitivität gegenüber Schäden - Interaktion von Lambwellen an Strukturinhomogenitäten, wie bspw.

10 Zeit Folie 10 Interaktion von Lambwellen in der Struktur - Lambwellen besitzen eine hohe Sensitivität gegenüber Schäden - Interaktion von Lambwellen an Strukturinhomogenitäten, wie bspw. Schäden, Versteifungen, Bauteilrändern: - Reflexion, Transmission und Absorption - Modenkonversion - Streuung Aktuator Schaden S 0 A 0 S 0 A 0 A 0 FE-Simulation der Welleninteraktion an einem Schaden (B-Bild) Weg

Zeit www.dlr.de Folie 11 Interaktion von Lambwellen in der Struktur - Lambwellen besitzen eine hohe Sensitivität gegenüber Schäden - Interaktion von Lambwellen an Strukturinhomogenitäten, wie bspw.

11 Zeit Folie 11 Interaktion von Lambwellen in der Struktur - Lambwellen besitzen eine hohe Sensitivität gegenüber Schäden - Interaktion von Lambwellen an Strukturinhomogenitäten, wie bspw. Schäden, Versteifungen, Bauteilrändern: - Reflexion, Transmission und Absorption - Modenkonversion - Streuung Aktuator S 0 Stringer S 0 A 0 A 0 FE-Simulation der Welleninteraktion an einem Stringer (B-Bild) Weg

- Einbettung von spröden piezokeramischen Platten in ein Polymer: - Aushärtung des

unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Polymers und der Piezokeramik -

12 Folie 12 Aktuatoren und Sensoren - piezokeramische Wandler als Aktuatoren und Sensoren - Einbettung von spröden piezokeramischen Platten in ein Polymer: - Aushärtung des Polymer wird zwischen C - Druckvorspannung der Piezokeramik durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Polymers und der Piezokeramik - Druckvorspannung erlaub die Belastung mit Zugspannungen - erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer Elektr. Isolation und mech. Druckvorspannung Elektr. Kontakte Flexible Elektrode Piezokeramik

Piezokompositen: - flexible Kabellösungen - verschiedene Stecker, wie bspw.

13 Folie 13 Aktuatoren und Sensoren - Robustes Aktuator-Sensor-Netzwerk in Form von Piezokompositen: - flexible Kabellösungen - verschiedene Stecker, wie bspw. Koaxialsteckern - verschiedene Formen und Ausführungen der Piezokeramiken - Integration zusätzlicher Elektronik, wie bspw. Multiplexer, Vorverstärker oder Burstsender möglich

14 Folie 14 Aktuatoren und Sensoren - Herstellung von aktiven Faserverbundstrukturen (Co-Curing) - Integration in den Fertigungsprozess von Faserverbundstrukturen in Form eines Piezokomposit-Halbzeugs - Kein zusätzlicher Klebeprozess notwendig

15 Folie 15 Aktuatoren und Sensoren - Anregung und Empfang mit piezokeramischen Wandlern - spezifisches Amplitudenverhältnis der einzelnen Moden S 0 A 0

16 Folie 16 Aktuatoren und Sensoren - Anregung und Empfang mit piezokeramischen Wandlern - spezifisches Amplitudenverhältnis der einzelnen Moden A 0 S 0 S 0 A 0 A 0 = 100% S 0 24%

17 Folie 17 Aktuatoren und Sensoren - Reduktion des komplexen Wellenausbreitungsfelds durch modenselektive Wandler - Verstärkung bzw. Abschwächung der Amplituden einzelner Moden S 0 A 0 Modenselektive Wandler

18 Folie 18 Aktuatoren und Sensoren - Reduktion des komplexen Wellenausbreitungsfelds durch modenselektive Wandler - Verstärkung bzw. Abschwächung der Amplituden einzelner Moden A 0 S 0 S 0 A 0 A 0 = 100% S 0 0, 6%

Richtcharakteristik der Wandler - Abstrahlung

19 Folie 19 Aktuatoren und Sensoren - Reduktion des komplexen Wellenausbreitungsfelds durch modenselektive Wandler - Nutzung der Richtcharakteristik der Wandler - Abstrahlung des Wellenfelds in bestimmte Richtungen akustisches Feld eines Interdigitalwandlers (CFK-Platte, f = 100kHz)

20 Folie 20 Simulation von virtuellen Sensoren - Aufnahme der Wellenausbreitung - virtueller Sensor ausgelegt auf die Wellenlänge des S 0 -Modes - Wellenlänge des S 0 -Modes: 49 mm Wellenausbreitung bei µs Berechnetes Sensorsignal (S 0 -Mode) Virtual Sensor Actuator A 0 Mode S 0 Mode

Wellenlänge des A 0 -Modes: 13 mm Wellenausbreitung bei

21 Folie 21 Simulation von virtuellen Sensoren - Aufnahme der Wellenausbreitung - virtueller Sensor ausgelegt auf die Wellenlänge des A 0 -Modes - Wellenlänge des A 0 -Modes: 13 mm Wellenausbreitung bei 200 µs Berechnetes Sensorsignal (S 0 -Mode) Virtual Sensor Actuator A 0 Mode Berechnetes Sensorsignal (A 0 -Mode) S 0 Mode

Sandwichstruktur aus CFK-GFK-Laminat inkl.

22 Folie 22 Konzept eines SHM-Systems - Schadensdetektion an einem Heckausleger des Helikopters EC135 - Sandwichstruktur aus CFK-GFK-Laminat inkl. Kupfermesh - Detektion von Impacts > 5J mithilfe von Lambwellen - Auswahl von geeigneten Schadensindikatoren in der Wellenausbreitung - Entwicklung eines Netzwerks von Aktuatoren und Sensoren sowie geeigneter Signalverarbeitung und -auswertung Eurocopter EC135 Halbschale des Heckausleger 22

mittels Luftultraschall - Modenkonversion an verschiedenen Strukturinhomogenitäten: B, D -

23 Folie 23 Konzept eines SHM-Systems - Aufnahme der Wellenausbreitung und -interaktion mittels Luftultraschall - Modenkonversion an verschiedenen Strukturinhomogenitäten: B, D - piezokeramische Sensoren C - Impact (10 J) E - Fügestelle des Sandwichkerns S 0 A 0 A 0 A 0 Messung der Wellenausbreitung mittels Luftultraschall B-Bild der Wellenausbreitung (f = 20 khz)

24 Folie 24 Konzept eines SHM-Systems - Auslegung des SHM-Systems für den Heckausleger: - nur unterhalb der Grenzfrequenzen von 25 khz werden Lambwellen erzeugt, die sich in der gesamten Dicke der Sandwichstruktur ausbreiten - Nutzung der Modenkonversion vom S 0 -Mode (λ = 185 mm) in den A 0 -Mode (λ = 25 mm) zur Schadensdetektion - ABER: Modenkonversion wird auch an applizierten Aktuatoren, Sensoren und Fügestellen erzeugt - wenige Aktuatoren (optimiert auf den S 0 -Mode) appliziert auf den Fügestellen des Sandwichkerns - luftgekoppelte Sensoren, um keine Modenkonversion hervorzurufen

25 Folie 25 Konzept - Nutzung von Multiplexern, um einzelne Sensoren auszulesen - Integration von Vorverstärkern in die Sensoren - Reduzierung des Verkabelungsaufwands Heckausleger mit SHM-System

26 Folie 26 Kontakt: Daniel Schmidt Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Lilienthalplatz Braunschweig Tel.: daniel.schmidt@dlr.de vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Ähnliche Dokumente

Strukturkonformität - Schlüssel für Adaptronik und Funktionsintegration

Institut für Adaptronik und Funktionsintegration Strukturkonformität - Schlüssel für Adaptronik und Funktionsintegration Johannes Michael Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 18.10.2012 Adaptronik Adaptronik