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Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes in Composite-Druckgefäßen mittels Modalanalyse
(2017)
Auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit sowie des damit einhergehenden Gewichtsvorteils kommt es bei der Auslegung von Druckgefäßen vermehrt zum Einsatz von faserverstärkten Kunststoffverbunden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wird das Alterungsverhalten von Atemluftflaschen in Verbundbauweise untersucht, um künftig genauere Aussagen zur Abschätzung der Lebensdauer geben zu können. Gegenstand der hier aufgezeigten Untersuchungen bilden dabei Typ-III Druckgefäße mit metallischen Liner und einer kohlefaserverstärkten Armierung. Als wichtiger, der Betriebsfestigkeit zugrunde legender Parameter wurden Druckeigenspannungen im Aluminium-Liner ausgemacht, welche fertigungsseitig zur Steigerung der Lastwechselfestigkeit in die Druckgefäße induziert werden.
Ziel ist es, mit Hilfe einer Modalanalyse die aufgezeigten inneren Spannungsverhältnisse durch eine genaue Betrachtung der modalen Parameter zu identifizieren und zu bewerten. Durch den Aufbau eines Finite-Elemente Modells und einer anschließenden Sensitivitätsanalyse der Fertigungsparameter werden zunächst Potential und Aussagekraft des Analyseverfahrens geprüft und bewertet. Anschließend erfolgt eine Eingrenzung relevanter Schwingformen sowie eine Abschätzung zu erwartender spannungsabhängiger Änderungen entsprechender modaler Kennwerte. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines geeigneten Prüfstandes werden, darauf aufbauend, im Rahmen einer Betriebsschwingungsanalyse erste Messungen an Atemluftflaschen unterschiedlicher Alterungs- und Schädigungsstufen durchgeführt. Durch einen Vergleich mit Simulationsergebnissen und Erkenntnissen aus alternativ durchgeführten Eigenspannungsmessungen erfolgt abschließend eine kritische Bewertung der experimentell gewonnenen Ergebnisse.
Im EMRP-Projekt VITCEA werden komplementäre ZFP-Verfahren zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen weiterentwickelt und validiert. In diesem Beitrag werden Ergebnisse verschiedener Techniken der aktiven Thermografie und des Ultraschalls vorgestellt. Die Nachweisempfindlichkeiten bezüglich künstlicher und natürlicher Fehler mit unterschiedlichen lateralen Ausdehnungen und in verschiedenen Tiefen werden miteinander verglichen.
Leichtbaustrukturen aus Verbundwerkstoffen stellen einen immer größeren Anteil im Flugzeug- und Automobilbau dar. Hiermit steigt die Nachfrage nach zuverlässigen, zerstörungsfreien Prüfmethoden, welche an solche Strukturen angepasst sind. Besonders Luftultraschall (LUS) eignet sich für diese Aufgabe, da hier kein Koppelmedium benötigt wird. Derzeit wird für diese Methode jedoch oft ein beidseitiger Bauteilzugang für eine Prüfung in Durchschallung vorausgesetzt. Handelsübliche Prüfköpfe für Luftultraschallanwendungen nutzen zudem meist Anpassschichten um den Impedanzunterschied zwischen Schwinger und Luft zu reduzieren. Sowohl Signal-Rausch-Abstand als auch die Bandbreite der resultieren-den Prüfköpfe ist für viele Anwendungen jedoch nicht ausreichend. Durch den Einsatz von Ferroelektreten wie zellulärem Polypropylen (zPP) kann hingegen vollständig auf Anpassschichten verzichtet werden. Hierbei handelt es sich um polarisierte, zelluläre Polymerschichten mit sehr geringer Dichte, Steifigkeit und Schallgeschwindigkeit.
In diesem Beitrag stellen wir drei verschiedene Sende-Empfangs-Prüfköpfe vor, welche auf zellulärem Polypropylen basieren. Anhand von Schallfeld, Signal-Rausch-Abstand und Sendepegel werden diese Prüfköpfe charakterisiert. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen von Referenzprüfköpfen ohne Sende-Empfangs-Charakteristik verglichen. Bei den Referenzprüfköpfen werden sowohl handelsübliche LUS-Prüfköpfe, sowie bisher entwickelte Prüfköpfe aus zellulärem Polypropylen berücksichtigt.