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Composite-Druckbehälter werden für Speicherung und Transport von Gasen unter hohem Druck verwendet. Durch die gewichtssparende Struktur, die aus einem dünnwandigem Metallgefäß und Faserverbundwerkstoff-Ummantelung besteht, sind solche Behälter insbesondere für die Luftfahrt- und Automobilindustrie interessant, z.B. als Wasserstoffspeicher.
Die Druckprüfung ist ein konventioneller Test, um die Integrität von Metalldruckbehältern zu bewerten. Im Falle des Composite-Druckbehälters könnte eine solche Prüfung jedoch den Faserverbundwerkstoff überbeanspruchen und somit die verbleibende Lebensdauer der getesteten Komponente verringern. Infolgedessen ist es notwendig, Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und möglicherweise zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern zu entwickeln. Unser Ansatz verwendet geführte Ultraschallwellen und hat das Potenzial, kritische Schäden wie Risse im Metall und Faserbrüche und Matrixrisse in Faserverbundwerkstoff zu detektieren.
In diesem Beitrag wurde die Scaled Boundary Finite Elemente Methode benutzt, um die multimodale, geführte Wellenausbreitung in einem Mehrschichtverbund, der aus Metall und Kohlenfaserverbund entsteht, zu analysieren. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellenmoden und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Schäden. Diese Kenntnisse sollen für die Entwicklung von Verfahren zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern angewendet werden.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist nicht nur mit den Vorteilen einer Gewichtsreduzierung und einer verbesserten strukturellen Leistung verbunden, sondern auch mit der Gefahr von kaum sichtbaren Impakt- oder Herstellungsschäden. Eine der vielversprechenden Methoden zur Erkennung und Charakterisierung solcher Schäden basiert auf der Ausbreitung und Analyse geführter Ultraschallwellen. Der multimodale und dispersive Charakter dieser Wellen erschweren jedoch die Analyse. Verschiedene Signalverarbeitungsmethoden wurden vorgeschlagen, um die Interpretation von Signalen und die Extraktion der notwendigen Informationen über den Schaden zu erleichtern. Eine davon ist die Erstellung einer Wellenzahlkarte. Die Wellenzahlkarte erlaubt es jeden Punkt in einer hochaufgelöste Wellenfeldaufnahme eine Wellenzahl zuzuordnen. Diese Methode ermöglicht sowohl die Quantifizierung der Größe als auch der Tiefe des Schadens.
In diesem Beitrag wird diese Bildgebungsmethode auf delaminierte Aluminium-CFK-Verbundstrukturen angewendet. Solche Strukturen entsprechen den umwickelten Druckbehältern, die zur Speicherung von Gasen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie verwendet werden. Zunächst werden die numerischen Untersuchungen zur einfachen Delamination in unterschiedlicher Tiefe vorgestellt. Als nächstes wird die Analyse von experimentellen Ergebnissen von einer geschädigten Aluminium-CFK-Platte präsentiert. Das Ergebnis der Bildgebung ist eine dreidimensionale Darstellung, die sowohl die Größe als auch die Tiefe des Impakt-Schadens liefert.
Die Scaled Boundary Finite Elemente Methode (SBFEM) ist eine semi-analytische Methode, die vielversprechende Ergebnisse bei der Modellierung geführter Ultraschallwellen zeigt. Effizienz und niedriger Rechenaufwand der Methode werden durch Diskretisierung des Randes der Rechendomäne erreicht, während für die Domäne selbst die analytische Lösung verwendet wird. Mittels der SBFEM können verschiedene Arten von Fehlern können modelliert werden, z. Risse, Poren, Delamination, Korrosion, die in eine Struktur aus anisotropen und isotropen Materialien integriert sind.
In diesem Beitrag wird das SBFEM verwendet, um die Ausbreitung von geführten Wellen in einer Struktur zu analysieren, die aus einem isotropen Metall besteht, das an anisotropes Kohlefaserverstärktes Material gebunden ist. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellentypen (Modi) und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Defekten. Die erzielten Ergebnisse werden zur Entwicklung eines Zustandsüberwachungssystems für Composite-Druckbehälter verwendet, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie benutzt werden.
Der praktische Einsatz von SHM-Verfahren mit geführten Ultraschallwellen basiert auf einem fundierten Verständnis der speziellen physikalischen Zusammenhänge der Wellenausbreitung. Das umfasst nicht nur das multimodale Verhalten, welches von den Dispersionsdiagrammen repräsentiert wird, sondern auch die Vorhersage der Interaktion zwischen verschiedenen Wellenmoden und den zu erwartenden Fehlstellen.
Ziel des Workshops ist es, das Verständnis der Ausbreitung geführter Wellen zu verbessern und die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus der multimodalen Wellenausbreitung ergeben, an praktischen Beispielen zu demonstrieren. Die vorgestellten Szenarien beschränken sich dabei nicht nur auf eine Anregung grundlegender Dehnungs- und Biegewellen, sondern beziehen auch geführte Wellenmoden höherer Ordnung zur Verbesserung der Aussagekraft des Prüfergebnisses mit ein.
Nach einer theoretischen Einführung werden ausgewählte Demonstratoren, vorrangig mit Bezug zum Automobilbau, vorgestellt. Diese schließen Fragestellungen der Integration der Sensorik in gekrümmte Faserverbundbauteile ebenso mit ein, wie die Überwachung von Metall-Faserverbund-Komposit-Materialien, die in Drucktanks zum Einsatz kommen.
Die Scaled Boundary Finite Elemente Methode (SBFEM) ist eine semi-analytische Methode, die speziell für Modellierung von geführten Wellen weiterentwickelt und optimiert wurde. Da nur den Rand der Rechendomäne diskretisiert wird, hat die SBFEM einen geringen Rechenaufwand. In diesem Beitrag wird die SBFEM benutzt, um die Ausbreitung geführter Wellen in einer Metall-Faserverbund-Werkstoffstruktur zu analysieren. Mittels der SBFEM ist es möglich, verschiede Fehlertypen, z.B. Ermüdungsrisse, Poren, Delaminationen, Korrosion, in das numerische Modell zu integrieren und damit Defekt-Mode-Wechselwirkung zu analysieren. Die Ergebnisse wurden für die Entwicklung einer Methode zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern verwendet.