Modellierung und numerische Berechnung der Ultraschallwellenausbreitung in heterogenen Strukturen unter Einbeziehung von Schädigungen

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Im TP3 wird von der Forschungshypothese ausgegangen, dass sich geführte Ultraschallwellen auch in heterogenen Werkstoffverbunden zur Fehlererkennung nutzen lassen.Deshalb konzentrieren sich die Arbeiten in der beantragten Fortsetzungsperiode des PAK357 auf die Nutzung von Ultraschallwellen/Lambwellen zur Schadensüberwachung in dünnen Leichtbaustrukturen mit einem heterogenen Materialaufbau. Darunter werden Materialien verstanden, die makroskopisch nicht als homogen angesehen werden können.Der Fokus liegt auf luftfahrttypischen Sandwichstrukturen mit waben- und schaumförmigen Kernschichten und dünnen Deckschichten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (Honeycomb-Sandwich, Schaumsandwich, Hohlkugelplatte).Während für die Modellierung der Deckschichten einschließlich der Einbeziehung der aufgeklebten piezoelektrischen Aktuatoren und Sensoren auf Ergebnisse aus der ersten und zweiten Förderperiode zurückgegriffen werden kann, wirft die Einbeziehung der Kernschicht mit ihren inneren Grenzflächen neue, bisher nicht beantwortete Fragestellungen auf. Für derartige heterogene und anisotrope Werkstoffverbunde stehen gegenwärtig weder ausreichend leistungsfähige Simulationsmethoden bereit, noch gibt es ein gesichertes Wissen über die Ausbreitung von Ultraschallwellen und deren Interaktion mit Strukturschäden. Es kann allerdings auf Grund der eigenen Vorarbeiten erwartet werden, dass mit Hilfe von Ultraschallwellen auch bei derartigen Werkstoffverbunden zuverlässige Aussagen über den momentanen Gesundheitszustand einer Struktur zu gewinnen sind.Das Ziel der Arbeiten besteht also darin, notwendige Grundlagen zu schaffen, damit eine zuverlässige Schadensdetektion auch für diese Klasse von Strukturbauteilen zukünftig sichergestellt ist. Um dieses Ziel zu erreichen, erfolgt im TP3 eine problemspezifische Weiterentwicklung numerischer Berechnungsmethoden zur effektiven Simulation der Wellenausbreitung und zum Entwurf von SHM-Systemen. Unter Nutzung dieser Entwicklungen sollen die Arbeiten im TP3 auch bisher nicht verstandene Phänomene klären, z.B. wie sich Ultraschallwellen in heterogenen Strukturen ausbreiten, wie die Wellen mit inneren Grenzflächen zwischen den Deckschichten und dem Waben- bzw. dem Schaumkern sowie mit Schäden (z.B. Ablösen der Deckschichten, Schädigungen in der Kernschicht) interagieren (Modenkonversion, Reflexionen und Transmissionen) und wie ein Schadensüberwachungssystem zweckmäßig zu gestalten ist. Diese Arbeiten erfolgen in enger Abstimmung und Kooperation mit den Teilprojekten TP4 und TP5. Die für die Untersuchungen im Teilprojekt TP3 erforderlichen experimentellen Arbeiten werden in der bewährten Kooperation mit den Teilprojekten TP1 (3D-Laser-Scanning-Vibrometrie) und TP2 durchgeführt.