Charakterisierung des strukturdynamischen Verhaltens von Faser-Metall-Laminaten unter Anregung geführter Ultraschallwellen

Das Ziel dieses Buches ist die Charakterisierung und Beschreibung des Ausbreitungsverhaltens geführter Ultraschallwellen (GUW) in Faserverbund-Metall-Laminaten (FML). Sie gliedert sich in drei experimentelle Untersuchungen. Im ersten Experiment wird das Phasenverhältnis der Schwingungen an Strukturober - und -unterseite als Maß für die Ähnlichkeit zu den für isotrope Materialien hergeleiteten Lamb-Wellen untersucht. Dazu erfolgt die Entwicklung eines Verfahrens zum Phasenwinkelvergleich, welches auf der Continuous Wavelet Transformation sowie der Short-Time Fourier-Transformation beruht. Damit kann anhand simulierter Zeitsignalverläufe in verschiedenen Strukturen gezeigt werden, dass sich auch in FML die geführten Wellen wie klassische Lamb-Wellen ausbilden. Auch in einer experimentellen Untersuchung an einem FML kann die Beobachtungen für gleichphasige Schwingungen bestätigt und für Schwingungen mit Phasenversatz geschlussfolgert werden. Im anschließenden Experiment wird die Frage adressiert, wie sich das Wellenausbreitungsverhalten im Inneren von FML verhält. Dazu werden auf piezoelektrischem Polyvinylidenfluorid (PVDF)-basierende Foliensensoren gewählt, die sich aufgrund ihrer geringen Abmaße und ihrer geringen akustischen Impedanz gut für die möglichst rückwirkungsarme Integration in flache Strukturen aus Faserverbundkunststoff (FVK) eignen. Die erwartete Wirkweise der PVDF-Foliensensoren unter GUW-Erfassung wird erklärt. Anschließend erfolgt die experimentelle Untersuchung des FML, in deren Rahmen die Wellenmoden identifiziert werden sowie eine Abschätzung des Verschiebungsfeldverlaufes entlang der Strukturhöhe gegeben wird. Die Ergebnisse liefern einen experimentellen Hinweis auf die Modenkopplung im gewählten Laminataufbau. Das dritte und letzte Experiment liefert den konkreten Anwendungsfall der Schadensdetektion und -charakterisierung in FML. Dazu werden im Rahmen einer Parameterstudie ein Referenzlaminat sowie zwei Laminate mit künstlichen Delaminationen bei ansonsten übereinstimmendem Laminataufbau gefertigt. Ziel ist zum einen die Untersuchung, inwiefern sich eine unterschiedliche relative Höhenlage eines Schadens im Wellenfeld der FML zeigt. Zum anderen soll geprüft werden, inwiefern sich Schadensinformationen über einen integrierten Sensor erfassen lassen. Flächige Vergleichsmessungen an den Plattenoberflächen über ein Laser-Doppler-Vibrometer dienen der Abschätzung der über die integrierten PVDF-Foliensensoren und unterstützen die Auswertung. Es kann gezeigt werden, dass anhand des horizontalen Scherwellenmoden zusätzliche Schadensinformation über den integrierten Sensor gewonnen werden kann. Über Wellenausbreitungsszenarien gelingt es das Auftreten einiger Wellenpakete in den Sensorzeitsignalen über Modenkonversion zu erklären. Es erfolgt eine Zusammenfassung der Ergebnisse sowie ein Ausblick auf mögliche Folgearbeiten zu jedem Experiment.

Liv Rittmeier ist seit 2017 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Mechanik und Adaptronik (ehemals Institut für Adaptronik und Funktionsintegration) an der Technischen Universität Braunschweig. Im Rahmen ihrer Forschung befasst sie sich mit dem Structural Health Monitoring über geführte Ultraschallwellen. Dabei hat sie sich insbesondere mit der Wellenausbreitung in Faserverbund-Metall-Laminaten beschäftigt und unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius die vorliegende Dissertation verfasst. Sie hat an der Leibniz Universität Hannover Maschinenbau studiert (Dipl.-Ing.).