Lokalisierung der Interaktionsorte von Lambwellen in komplexen Faserverbundstrukturen

Abstract

Die vorliegende Arbeit ist thematisch in das wissenschaftliche Umfeld der zerstörungsfreien Prüfung und Strukturüberwachung von Faserverbundstrukturen einzuordnen. Nach gegenwärtigem Stand der Forschung existieren vielfältige Ansätze zur kontinuierlichen Strukturüberwachung. Diesen ist jedoch gemein, dass sie nur bedingt in der Lage sind, Schäden in komplexen Strukturen präzise zu lokalisieren. In dieser Arbeit wird die Anregung und Erfassung von Lambwellen genutzt, um anhand deren Ausbreitung auf Orte in der Struktur zu schließen, an denen diese Wellen mit Steifigkeitsübergängen interagieren. Das Ausbreitungsverhalten von Lambwellen ist in komplexen Faserverbundstrukturen orts- und richtungsabhängig. Der Kern dieser Arbeit besteht in der Hypothese, dass es die Kombination aus einer örtlich verteilten Erfassung der Wellenausbreitung, einer Signalverarbeitung, einer Laufzeitberechnung unter Berücksichtigung der orts- und richtungsabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten und eines darauf basierenden Rekonstruktionsansatzes ermöglicht, auch in komplexen Strukturen Interaktionsorte der Wellen abzubilden. Basierend auf dieser Hypothese wird zunächst ein Laservibrometriesystem entwickelt, mit dem sich die Wellenausbreitung mit hoher räumlicher Auflösung schnell und berührungsfrei erfassen lässt. Zur Validierung der räumlichen Erfassung der Probenauslenkung wird ein Referenzsystem entwickelt, welches durch Piezoaktuatoren definierte Auslenkungen im relevanten Frequenzbereich erzeugt und Messungen aus einer Vielzahl von Einfallswinkeln ermöglicht. Ein sog. Matching Pursuit Algorithmus wird aufbauend auf Literaturangaben derart weiterentwickelt und optimiert, dass er es ermöglicht, in gemessenen Signalen einzelne Wellenpakete zu identifizieren und diese mit wenigen Parametern in guter Näherung abzubilden. Mit den gewonnenen Informationen lassen sich einzelne Wellenpakete durch kürzere Pulse ersetzen, was eine höhere räumliche Auflösung der nachfolgenden Lokalisierung von Interaktionsorten ermöglicht. Die Lokalisierung der Orte, an denen Lambwellen mit der Struktur interagieren, basiert auf einem Rekonstruktionsansatz, welcher in ähnlicher Form auch in der konventionellen Ultraschallprüfung zur Anwendung kommt. Anhand der per Laservibrometer erfassten Signale wird für definierte Rekonstruktionsorte auf der Struktur eine Art Wahrscheinlichkeit dafür ermittelt, dass an diesen Orten Interaktionen stattfinden. Dies erfolgt durch Überlagerung und Projektion zeitlich verschobener Signale. Die Rekonstruktion wird zunächst anhand einfacher Strukturen entwickelt und validiert und es werden einzelne Aspekte zur Optimierung des Rekonstruktionsergebnisses näher betrachtet. Die Übertragung der Rekonstruktion auf komplexe Strukturen erfordert vor allem eine Laufzeitberechnung, welche orts- und richtungsabhängige Geschwindigkeiten berücksichtigen kann. Es wird ein Algorithmus entwickelt, welcher hierzu in der Lage ist. Dieser wird näher charakterisiert und experimentell validiert. Abschließend werden die zuvor weitgehend isoliert betrachteten Teilaspekte kombiniert und ihre Anwendung an einer CFK-Platte demonstriert. Die Platte besteht aus zwei Teilbereichen mit jeweils unterschiedlichen Laminataufbauten, welche durch eine Rampe voneinander getrennt sind. Das abschließende Beispiel validiert die Forschungshypothese im Rahmen der in dieser Arbeit betrachteten Parameter und Beispiele.