TY - THES A1 - Wachsmuth, Janne T1 - Analyse der Schallemissionssignale aus Ermüdungsrisswachstum und Korrosionsprozessen Untersuchung der Möglichkeiten für die kontinuierliche Zustandsüberwachung von Transportbehältern mittels Schallemissionsprüfung N2 - Die Schädigung von Gefahrgutbehältern während ihres Transports durch Korrosion und Ermüdungsrisswachstum sind Ursache von Unfällen, die Menschenleben gefährden, die Umwelt schädigen und hohe Sachschäden verursachen. Um solchen Unfällen vorzubeugen, werden präventive Intervallprüfungen durchgeführt. Diese sind jedoch kostenintensiv, unter anderem durch die Standzeit der Transportmittel. Eine Alternative bietet die Idee einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung (SEP). So sollen Materialfehler sofort nach dem Entstehen entdeckt und repariert werden können. Die Schallemissionsprüfung ist eine online Methode der Familie der zerstörungsfreien Prüfung. Schallemission (SE) wird durch Veränderungen im Material erzeugt und durch elastische Wellen als Körperschall transportiert. Erzeugt das Schallemissionsereignis genug Energie, damit sich eine elastische Welle bis zum Rand eines Bauteils ausbreiten kann, entsteht dort eine Oberflächenverschiebung im Pikometer-Bereich, die mithilfe von piezoelektrischen Sensoren detektiert werden kann. Der Sensor gibt ein elektrisches Signal aus. Aus diesem transienten SE-Signal lassen sich SE-Parameter wie die Maximalamplitude oder die Frequenz extrahieren. Durch Methoden der Signalanalyse können Signalgruppen in der Zeit- und Frequenzebene untersucht werden. Durch Wellenmodenanalysen lassen sich beispielsweise Aussagen über die Art der Quelle machen. Diese Methoden werden angewendet, um aus dem SE-Signal Rückschlüsse auf die Quelle der Schallemission zu ziehen. Werden definierte Schadensmechanismen erkannt, können Hinweise auf den Schadenszustand des Bauteils gegeben werden. Durch Schallemission, die durch den Rissfortschritt erzeugt wird, kann beispielsweise ein Zusammenhang zur Rissfortschrittsrate und zum Spannungsintensitätsfaktor geschlossen werden. Eine neue Entwicklung im Bereich der Schallemissionsprüfung ist die Mustererkennung von SESignalen. Aus den Signalen werden spezifische Merkmale extrahiert, die sie ihren Schadensmechanismen zuordnen sollen. Für die Schadensmechanismen Korrosion und Ermüdungsrisswachstum findet in dieser Arbeit eine vergleichende Analyse von SE-Signalen statt. Die Schadensmechanismen werden anwendungsnah auf großen Platten in der Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht generiert und ihre SE-Signale definiert aufgenommen. Dafür werden Resonanzsensoren verwendet, die auf der einen Seite durch ihre Frequenzabhängigkeit sehr empfindlich die kleinste Oberflächenbewegungen reagieren und somit auch für die Anwendung in einer Zustandsüberwachung geeignet sind, jedoch andererseits frequenzbasierte Methoden der Signalanalyse erschweren. Es werden reines Ermüdungsrisswachstum, Ermüdungsrisswachstum unter dem Einfluss von Korrosion sowie reine Oberflächenkorrosion generiert. Die Signalgruppen der Schadensmechanismen werden anhand ihrer Parameter verglichen; anhand von Wellenmodenanalysen können erste Unterschiede, trotz des starken Sensoreinflusses im Frequenzbereich, festgestellt werden. Der Schadenszustand der Proben wird durch bruchmechanische Kenngrößen in Zusammenhang mit SE-Parametern der Signalgruppen gebracht. Ferner findet eine Mustererkennung der SE-Signale statt. Dafür werden zwei Methoden des überwachten Lernens verwendet: eine automatisierte Merkmalsauswahl mithilfe eines kommerziellen Mustererkennungssystems, bei dem hauptsächlich frequenzabhängige Merkmale generiert werden sowie eine parameterbasierte Mustererkennung. Bei der parameterbasierten Mustererkennung wird die Einteilung in Signalklassen aufgrund der Häufigkeitsverteilung der SE-Parameter aus den Signalen der untersuchen Schadensmechanismen vorgenommen. Dabei ergeben beide Methoden, insbesondere für die Schädigung durch Korrosion, eine gute Zuordnung der SE-Signale in die richtige Schädigungsklasse. Abschließend findet unter Berücksichtigung der Nachweisbarkeit von SE-Ereignissen und der Klassifizierbarkeit von SE-Signalen eine Einschätzung zu Chancen und Risiken der permanenten Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung statt. Dazu werden unter anderem eigene Messungen an Tankfahrzeugen hinzugezogen sowie Ergebnisse aus zyklischer und statischer Belastung verglichen. Es wird eine Abschätzung zur Wahl der Überwachungsmethode an Gefahrgutbehältern gegeben. N2 - Fatigue crack growth and active corrosion processes are the main causes of structural failures of transport products like road tankers, railway tank cars and ships. To prevent those failures, preventive, time-based maintenance is performed. However, preventive inspections are costly and include the risk of not detecting a defect, which could lead to a failure within the next service period. An alternative is the idea of continuous monitoring of the whole structure by means of acoustic emission testing (AT). With AT, defects within the material shall be detected and repaired directly after their appearance. Acoustic emission testing is an online non-destructive testing method. Acoustic Emission (AE) arises from changes within the material and is transported by elastic waves through the material. If the AE event generates enough energy, the elastic wave propagates to the boundaries of the component, produces a displacement in the picometre scale and can be detected by a piezoelectric sensor. The sensor produces an electrical signal. From this AE signal, AE features such as the maximum Amplitude or the frequency can be extracted. Methods of signal analysis are used to investigate the time and frequency dependency of signal groups. The purpose of the signal analysis is to connect the AE signal with the originating AE source. If predefined damage mechanisms are identified, referencing the damage condition of the structure is possible. Acoustic emission from events of the actual crack Propagation process can for example lead to the crack growth rate or the stress intensity factor, both specific values from fracture mechanics. A new development in the domain of acoustic emission testing is the pattern recognition of AE signals. Specific features are extracted from the AE signals to assign them to their damage mechanisms. In this thesis the AE signals from the damage mechanisms corrosion and fatigue crack growth are compared and analysed. The damage mechanisms were generated application oriented, on plates within the heat affected zone of a weld. Their AE signals were recorded with resonant sensors. On the one hand resonant sensors are very sensitive and able to detect small displacements on huge structures, which makes them applicable for condition monitoring. On the other hand, resonant sensors have a great influence on the AE signals and hinder signal analyses and pattern recognition. Pure fatigue crack growth, fatigue crack growth in a corrosive environment and pure corrosion were applied. Signal groups of the damage mechanisms were compared by their AE features. Differences between signal groups could be made after wave mode analysis, despite the spectral influence of the AE sensors. The damage condition of the test plates is investigated with the combination of AE features of the signal groups and fracture mechanic parameters. Furthermore, two methods of unsupervised pattern recognition of the AE signals are being performed: A commercial classification system, where mainly frequency. based features are generated, and an AE feature based method. In the latter, classification takes place after the frequency distributions of the AE features of the signals from the examined damage mechanisms. Both methods result in an accurate classification for the AE signals, especially originating from corrosion damage mechanisms, in the correct damage class. T3 - BAM Dissertationsreihe - 142 KW - Zustandsüberwachung KW - Schallemissionsprüfung KW - Ermüdungsrisswachstum KW - zerstörungsfreie Prüfung KW - Mustererkennung KW - Korrosion KW - pattern recognition KW - corrosion KW - fatigue crack growth KW - acoustic emission testing KW - non-destructive testing KW - condition monitoring PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-354823 SN - 978-3-9817502-4-9 SN - 1613-4249 VL - 142 SP - 1 EP - 265 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-35482 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Basan, Ricardo T1 - Untersuchung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen mit Epoxidharzmatrix unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte N2 - Faserverbundwerkstoffe besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Die Anzahl der elastischen Größen und Festigkeiten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ist dadurch größer als zum Beispiel bei isotropen Werkstoffen. Die Festigkeiten und die Steifigkeiten in den verschiedenen Laminatrichtungen unterscheiden sich darüber hinaus um bis zu zwei Größenordnungen. Abhängig von der Belastungsart versagen Faserverbundwerkstoffe spröde oder duktil. Der Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in den verschiedenen Richtungen kommt daher eine grundlegende Rolle zu. Insbesondere die Bestimmung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ist aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Last-Verformungs-Verhaltens schwierig und mit den bestehenden Auswerteroutinen genormter Prüfverfahren teilweise fehlerbehaftet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Analyse der Schubeigenschaften in der Laminatebene durch eine neu entwickelte Schubvorrichtung, die eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Für die Probekörper dieser Schubvorrichtung wird auf der Grundlage von Messergebnissen ein lastabhängiges Modell der Schubspannungsverteilung entwickelt, das die Materialnichtlinearität berücksichtigt und bei der Analyse der Versuchsergebnisse zur Anwendung kommt. In vergleichenden Untersuchungen der Interaktion benachbarter Schichten an glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten mit ein- und zweiachsiger Orientierung kann gezeigt werden, dass bei identischem Schubspannungszustand in den Einzelschichten bis zu 60% größere Schubfestigkeiten der zweiachsig verstärkten Verbunde vorliegen. Die orthogonal verstärkten Laminate sind schadenstoleranter, da sich Zwischenfaserbruche nicht ungehindert ausbreiten können, sondern an den um 90° gedrehten Fasern gestoppt werden. In Laminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung führt dagegen der erste Riss unmittelbar zum Trennbruch. Die Verifizierung dieser Beobachtung erfolgt mittels des Verfahrens der Röntgenrefraktions- topographie. In Schubzugversuchen erfolgt die Korrelation der mechanischen Belastungssituation mit der mikrostrukturellen Analyse der inneren Schädigungsentwicklung des Werkstoffs. An zweiachsig verstärkten Kohlenstofffaserlaminaten unter Zwischenfaserbruchbeanspruchung kann gezeigt werden, dass die Degradation der intralaminaren Schubsteifigkeit mit der Zunahme an inneren Oberflachen als Maß für die Zwischenfaserbruchdichte einhergeht. Einachsig verstärkte Verbunde versagen dagegen relativ spröde bereits durch den ersten Zwischenfaserbruch und damit ohne Zunahme der Mikrorissdichte. Die Zusammenfassung der Erkenntnisse spiegelt sich in der Verbesserung des Auswerteverfahrens des in DIN EN ISO 14129 genormten Schubzugversuchs wider. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitat des Schubmoduls und der Faserrotation infolge der großen Verformungen während des Schubzugversuchs erfolgt in einem Iterationsprozess die stuckweise Anwendung der Klassischen Laminattheorie zur Bestimmung der Einzelschichtspannungen. Die Bewertung der Ergebnisse des Schubzugversuchs mit diesem Analyseverfahren hinsichtlich der Belastungsgrenzen resultiert in einer guten Übereinstimmung mit dem Festigkeitsmodell nach Puck. Die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der intralaminaren Schubfestigkeit mittels des in der industriellen Anwendung weit verbreiteten Normversuchs. T3 - BAM Dissertationsreihe - 74 KW - Zwischenfaserbruch KW - interfibre failure KW - nonlinearity KW - test methods KW - in-plane shear KW - composite materials KW - Faserverbundwerkstoffe KW - intrlaminare Schubeigenschaften KW - Prüfverfahren KW - Nichtlinearität PY - 2011 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-848 SN - 978-3-9814281-3-1 SN - 1613-4249 VL - 74 SP - 1 EP - 170 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-84 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Anders, Stefan T1 - Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes eines Composite-Hybridhochdruckbehälters N2 - Die Automobilindustrie sucht nach Lösungen, um Emissionen zu reduzieren, und nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen, deren Verfügbarkeit über die nächsten Dekaden abnehmen wird. Aus diesem Grund gewinnen komprimiertes Erdgas sowie Wasserstoff als Energieträger zunehmend an Bedeutung. Um befriedigende Reichweiten mit komprimiertem Gas zu erreichen, wird ein Betriebsdruck von 20 MPa bis zu 70 MPa (nur Wasserstoff) angewandt. Die Hochdruckbehälter müssen die statischen und die dynamischen Innendruck- sowie die thermische Belastung ertragen. Gleichzeitig soll der Behälter eine sichere, aber auch eine wirtschaftliche Leichtbaustruktur sein, welche nur mit Hybridstrukturen (Metall- oder Polymerliner mit Kohlefaser- bzw. Glasfaserumwicklung an der Außenseite) realisiert werden kann. Wegen der Vielzahl an veränderlichen Produktionsparametern zeigen Composite- und speziell Hybridstrukturen große Streuungen in ihrem Strukturverhalten. Die dargestellten Versuchsdaten, welche an industriell gefertigten Composite-Hybriddruckbehältern gemessen wurden, zeigen dieses Problem. Um das Material im Sinne des Leichtbaus effizient zu nutzen und um gleichzeitig einen hohen Grad an Sicherheit mit reproduzierbarem Strukturverhalten zu realisieren, wird ein besseres Verständnis für das Verhalten des Hybriddesigns benötigt. Neben der Betrachtung der Imperfektionen im Composite und der benötigten Messmethoden für die Charakterisierung der Strukturparameter ist das Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit die Simulation des Eigenspannungszustandes, resultierend aus der Produktion und dem Betrieb, sowie dessen Auswirkung. Um den Einfluss der verschiedenen Strukturparameter auf das Verhalten des Hochdruckbehälters mittels einer Sensitivitätsanalyse zu untersuchen, wurde ein geschlossen analytisches parametrisiertes Modell erstellt. Für die effektive Parametervariation sind hierfür analytische Modell von Vorteil im Vergleich zu FEM-Modellen. Das vorgestellte nichtlineare analytische Modell berücksichtigt den Einfluss des Eigenspannungszustandes des Autofrettageprozesses, in welchem der Liner kontrolliert durch Innendruck plastifiziert wird. Ebenso werden die Steifigkeitsdegradation infolge von Zwischenfaserbrüchen im Composite bei der Erstbeanspruchung (Degradationsmodell nach Puck), die thermischen Eigenspannungen infolge der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der temperaturabhängige E-Modul des Harzsystems berücksichtigt. Die umfangreichen Versuchsdaten validieren die analytische Simulation zufriedenstellend. Die Simulation zeigt, dass der Schichtspannungszustand inklusiv des Eigenspannungszustandes stark von den Parametern Temperatur und Innendruck während der Produktion sowie im Betrieb abhängig sind. Diese Effekte sind bei einer erweiterten Spannungsanalyse der Behälterstruktur zu berücksichtigen. N2 - The automotive industry is looking for solutions to reduce emissions and the dependency on fossil fuels, whose availability is predicted to decrease over the next decades. For this reason, compressed natural gas and hydrogen as energy are gaining more and more in importance as replacements for fossil fuels. In order to achieve a satisfying energy density for automotive application with compressed gas storage systems an operating pressure from 20 MPa up to 70 MPa (hydrogen only) is applied. The pressure cylinder has to withstand the static and dynamic pressure as well as temperature loads. At the same time the cylinder has to be an economical and safe light weight structure which can be accomplished with hybrid structures (metal or polymer liner with carbon or glass fiber winding on the outside) only. Due to their multi-dependency on production parameters composite structures and especially hybrid structures show a high spread in structural parameters. The presented test data which had been measured on industrial composite-hybrid pressure cylinders of the same type revealed this problem. In order to exploit the material properties with a high degree of lightweight optimization efficiently, a high level of safety and, with an improved degree of reproducibility at the same time, a better understanding of the structural behavior of hybrid design is necessary. Besides considering the imperfection of the composite layer and the use of appropriate measuring methods to determine the structural parameters, the main concern of the presented work is to simulate the level and the influence of residual stresses occurring during production and operation. To investigate the influence of variable structural parameters on the behavior of the high pressure cylinder by means of a sensitivity analysis a parametric analytical closed form model has been built. For this application, which is characterized by a wide range of parameters, analytical models are superior to FEM-models in flexibility and processing speed. The presented nonlinear analytical model considers the influence of the residual stresses introduced purposely by the autofrettage process in which the metal liner is loaded beyond the yielding point. It also takes into account the degradation of Young’s modulus caused by inter-fibre fracture during the first pressurization (according to Puck’s action-plane fracture criteria), the residual stress due to the different thermal coefficients of expansion (composite and metal) and the influence of temperature on the resin system close to the glass transition temperature. The large amount of acquired test data validated the analytical simulation satisfactorily. The simulation showed that the layer’s stress level including the residual stress strongly depends on the parameters temperature and pressure during production and also during operation of the cylinder. These effects have to be considered for a sophisticated stress analysis of the structure. T3 - BAM Dissertationsreihe - 37 KW - Autofrettage, KW - Composite-Metall-Hybrid Hochdruckbehälter KW - CLT KW - Temperatur-Fertigungseigenspannungen KW - 2D geschlossen-analytische Spannungsanalyse PY - 2008 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-1210 SN - 978-3-9812072-8-6 SN - 1613-4249 VL - 37 SP - 1 EP - 164 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-121 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -