Strukturkonformität - Schlüssel für Adaptronik und Funktionsintegration
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- Viktoria Martin
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1 Institut für Adaptronik und Funktionsintegration Strukturkonformität - Schlüssel für Adaptronik und Funktionsintegration Johannes Michael Sinapius DLR-Wissenschaftstag
2 Adaptronik Adaptronik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die den Aufbau adaptiver, das heißt selbstanpassender, aktiv reagierender Bauteile erforscht. 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 2
3 Forschungsansätze für adaptive Systeme in der Luftfahrt 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 3
4 Herausforderungen in allen Disziplinen des Hochleistungsleichtbaus und der Funktionsintegration Herausforderungen an Werkstoffentwicklung Entwurfsmethoden Auslegung und Konstruktion Fertigungstechnologien Systemintegration und heute auch Produktionstechnik Beispielhaft gezeigt für integrierte Bauteilüberwachung 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 4
5 Integrierte Bauteilüberwachung durch autonome Systeme Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen Spezifischen Bauteilschäden Forderungen nach bedarfsgerechten Wartungsintervallen, erhöhter Betriebssicherheit 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 5
6 Wege zur autonomen integrierten Bauteilüberwachung Autonome Bauteilüberwachung beinhaltet: Energieversorgung Informationssammlung und aufbereitung Kommunikation Entscheidungsfähigkeit Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 6
7 Integrierte Bauteilüberwachung durch geführte und beobachtete Wellenausbreitung Aktorik zur Wellenanregung Integrierte Sensoren zur Detektion der Wellenbeugung oder Wellenreflektion Rekonstruktion des Schadensortes und der Schadensgröße möglich? 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 7
8 Demonstrator für Einrichtungsbegutachtung SFB/TRR 133 Integrierte Bauteilüberwachung von Faserverbunden durch autonome Systeme 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 8
9 Welleninteraktion mit Modellfehler Piezoaktor Quelle: Prof. G. Mook, OvgU Magdeburg -PAK Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 9
10 Lambwellen Piezoaktor Quelle: Prof. G. Mook, OvgU Magdeburg -PAK Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 10
11 Diagnosepfad Ziele: Autonome Schadensdetektion hinsichtlich Existenz Ort Art Ausmaß U t Energie Struktur U t Informationserfassung Informationsauswertung 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 11
12 Sammlung und Wandlung von Umgebungsenergie Eigenversorgung des Überwachungssystems aus Umgebungsenergie, z.b. Licht Wärme Vibration 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 12
13 Piezoelektrische Harze Forschungsansatz für Faserverstärkte Kunststoffe Piezoelektrische Harze Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie Nutzung der Energiewandelnden Eigenschaften von piezoelektrischen Keramiken 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 13
14 Autarke Energieversorgung Piezoelektrische Harze aus Piezoelektrischem Keramikpulver Epoxidharz ggf. Additive Umwandlung von Schwingungs-energie in elektrische Energie 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 14
15 Prinzipversuch zur Demonstration des Effektes Funktionsmuster für Piezoelektrische Harze aus PZT-Keramikpulver (PIC255), Partikelgröße 1,9 m 3K-Epoxidharz LY556/HY917/DY070 Erhöhung der Permittivität durch weitere nanoskalige Additive 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 15
16 Strukturkonforme Integration Sprunghafte Eigenschaftsänderung an den Phasengrenzen Strukturkonformität durch Schaffung von Interphasen Quelle: C.Arlt, Wirkungsweisen nanoskaliger Böhmite in einem Polymer und seinem Kohlenstofffaserverbund unter Druckbelastung, Dissertation, Magdeburg Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 16
17 Anregung der Lambwellen Anregung über Flächenaktoren Im Film zu sehen: zunächst der schnelle, langwellige S0-Mode, anschließend der kurzwellige langsamere A0-Mode 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 17
18 Strukturkonformität durch Wellenlängenanpassung Nutzung von interdigitalen Elektrodenstrukturen Strukturkonforme Auslegung der Elektrodenstruktur auf die halbe Wellenlänge (λ) Piezokomposite mit eingebetteten piezokeramischen Platten Vortrag von D. Schmidt 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 18
19 Wellenreflektionen Beeinflussung des Wellenfeldes durch Wellenreflektionen an Kanten, Versteifungselementen Anisotrope Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe Vortrag von D. Schmidt 50kHz -PAK Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 19
20 Strukturkonformität durch Richtungsselektivität Berücksichtigung der strukturellen Eigenschaften durch richtungsselektive Aktoren und Sensoren Schadenslokalisierung durch Triangulation auch bei Anisotropie -PAK357/2 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 20
21 Einkopplung der Wellen Begrenzte Welleneinkopplung durch unterschiedliche und anisotrope Schallkennimpedanzen Aktor (PZT): Ns/m 3 CFK: Ns/m 3 1, Ns/m 3 Reflektion an Übergängen und Ausbildung von Eigenfrequenzen und -formen Einfluss auf die Wellenausbreitung FEM Exp. Quelle: Prof. G. Mook, OvgU Magdeburg -PAK357/2 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 21
22 Energieeffizienz durch resonante Anregung Plattendicke bestimmt Anregungsfrequenz Resonanter Betrieb der Aktoren im elektrischen Schwingkreis Low-Power Aktoreinheit für Reichweite > 2,5 m in CFK Eingangsleistung : ~125 μw 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 22
23 Strukturkonformität durch Impedanzanpassung Sensoren beeinflussen die Wellenausbreitung Impedanz-angepasste Sensoren, z.b. PVDF-Folien LSP: Lötstützpunkte PZT: Piezokeramische Sensoren PVDF: PVDF-Sensoren 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 23
24 Wechselwirkung mit Schäden Nutzung der Modenkonversion zur Schadenserkennung Nutzung punktueller Informationen zur Schadenserkennung Piezoaktor Ø15 mm, Dicke 2 mm Vortrag von D. Schmidt Wechselwirkung von S Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 24
25 SHM gerechte Konstruktion von Strukturbauteilen Berücksichtigung der Welleninteraktion mit Strukturinhomogenitäten Reduktion von Reflektionen und Modenkonversionen Gewährleistung der Beobachtbarkeit von Schäden 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 25
26 Strukturkonforme Integration von Bauteilüberwachung Abstimmung aller Elemente eines SHM-Systems auf die primären Eigenschaften des Bauteils 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 26
27 Zusammenfassung 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 27
28 Zusammenfassung Die Herstellung von Strukturkonformität ist zentrale Herausforderung für Adaptronik und Funktionsintegration und ein Schlüssel für erfolgreiche Realisierung adaptronischer Systeme 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 28
29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank an Dr. C. Arlt, Dr. W. Hillger, M. Kubicka, Prof. Dr. G. Mook, Dr. H.P. Monner, D. Schmidt, A. Szewieczek, Dr. P. Wierach und viele andere mehr 18. Oktober 2012 Sinapius DLR-Wissenschaftstag 2012 Seite 29
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