- Zustandsbewertung und Schadensidentifikation bei faserverstärkten Kunststoffen
- Strukturdynamische Analyse mit Bestimmung der Eigenfrequenzen, Eigenformen und modalen Dämpfungen
- Untersuchung des Einflusses von Schädigungen, Materialvariation und Prozessparametern auf das Schwingverhalten
Die Identifikation von Bauteilschäden an faserverstärkten Kunststoffen (FVK) kann eine große Herausforderung darstellen, da diese mit dem bloßen Auge oft nur schwer oder gar nicht entdeckt werden können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens DampSIM wurde eine neue Methode erarbeitet, um solche Schäden besser identifizieren zu können. Als Basis wird ein vibrationsbasierter Ansatz verwendet, der auch bei anderen Werkstoffen erfolgreich eingesetzt wird. Da bei FVK die sonst genutzten Eigenformen und Eigenfrequenzen oft nur wenig durch Materialschäden beeinflusst werden, wird dieser konventionelle Ansatz um die Einflussgröße der Werkstoffdämpfung erweitert. Die Dämpfung kommt als Schadensindikator infrage, da sich bei einer Schädigung im Inneren der Struktur neue Reibflächen ausbilden. Um diesen Effekt schrittweise zu untersuchen, wurden verschieden komplexe Geometiren betrachtet. Die grundlegenden Zusammenhänge wurden an stabförmigen Probekörpern erarbeitet, die im Projektverlauf um platten- und später um rohrförmige Probekörper erweitert wurden.
Um die Auswirkungen einer Schädigung zu bewerten, müssen diese zuerst in den Probekörper eingebracht werden. Dazu werden die Probekörper in einen festen Auflager verspannt und über ein Schlagpendel mit einem sphärischen Impaktor definiert geschädigt. Bei glasfaserverstärkten Kunststoffen, wie am Beispiel eines Glasfaserrohres ersichtlich wird, können diese Schäden über den Lichteinfall als dunkler gefärbte Flächen auch optisch sichtbar gemacht werden. Bei anderen Faserarten, wie bei Kohlenstofffasern, lackierten Strukturen oder auch bei innenliegenden Strukturen sind solche Schäden dagegen nur sehr schwer zu detektieren und können ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Das Schwingverhalten wird über ein Laser-Doppler-Vibrometer berührungslos erfasst und die erhaltenen Ergebnisse mit integrierbaren Sensoren abgeglichen. Aus den Signaldaten lassen sich wiederum die modalen Parameter ableiten, die den Zustand der Struktur quantifizierbar machen. So können Strukturen mit abweichendem Schwingverhalten erkannt werden. Dieser Zustand wird jedoch auch durch die große Bandbreite und Vielfalt an Material- und Werkstoffkombinationen der FVK-Strukturen beeinflusst und auch Quereinflüsse, wie Temperatur- und Feuchteänderungen, können vorliegen. Um diese Einflussgrößen zu bewerten, wurden umfangreiche Werkstoff- und Prozessuntersuchungen durchgeführt. Dadurch konnten Referenzdatenbanken aufgebaut und die Schwankungen innerhalb ausgewählter Probekörperserien bewertet werden. Über dadurch abgeleitete Verbesserungsansätze in der automatisierten Bewertungssoftware kann in Laborumgebung eine Schadensklassifiziereng durchgeführt werden, wobei sich auch ein industrietaugliches Bewertungs- und Überwachungssystem in Aussicht stellen lässt.
Projektpartner
Förderung
Das Projekt DampSIM wurde im Rahmen eines Förderprogramms der Bayerischen Forschungsstiftung gefördert.
Laufzeit: 01.12.2013 – 30.11.2016
Fördervolumen: 440.900 €
Publikation
Detection of Delamination Damages in Thin Composite Plates using Noncontact Measurement of Structural Dynamic Behavior Leichtbau Artikel In: Athens Journal of Τechnology & Engineering, Bd. 3, Nr. 4, S. 315-331, 2016, ISSN: 2241-8237. |
Ansprechpartner
Der Fachbereich Leichtbau des TC Neustadt/Donau widmet sich neben F&E-Tätigkeiten an klassischen isotropen Werkstoffen und Systemen im Sinne des System- und Strukturleichtbaus vor allem dem Stoffleichtbau.