DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Vorträge > Luft- und Raumfahrt 1: Print

Geführte Wellen in Plattenstrukturen und deren Wechsel wirkung mit Strukturelementen und Defekten

Bernd Köhler, Fraunhofer IZFP/EADQ, Dresden,
(korresponierender Autor: Tel.: ++49 3512648242, E-Mail: bernd.koehler@eadq.izfp.fraunhofer.de)
Frank Schubert, Fraunhofer IZFP/EADQ, Dresden,
Michael Kehlenbach, EADS, München
Rudolf Bilgram, EADS, München
Kontakt: Dr. rer.nat. Bernd Köhler

Zusammenfassung

Die Nutzung von geführten Wellen in Platten und plattenartigen Strukturen stellt eine elegante Möglichkeit zur Detektion von Schäden in großflächigen Bereichen dar. Dabei können drei verschiedene Ansätze zum Ziel führen. Die Aufzeichnung und Auswertung der Schallsignale, die bei der Defektentstehung auftreten (Schallemission), die Änderung der Antwort der Struktur auf aktive Schwingungsanregung durch Piezosensoren vor und nach der Entstehung der Defekte (Resonanz- oder Signaturanalyse) und die direkte Beobachtung und Bewertung der an den Defekten gestreuten bzw. durch diese transmittierten Ultraschallsignale (Ultraschallmethoden). Unabhängig vom gewählten Ansatz muss die Plattenwellenausbreitung, die Wechselwirkung der Wellen mit Strukturelementen wie Stringern, und die Wechselwirkung mit den interessierenden Defekten bekannt sein. Nur die einfachsten Fälle werden durch Lehrbuchwissen und analytische Methoden beschrieben. Deshalb wird die Wellenausbreitung experimentell durch Abtastung mit einem Laservibrometer untersucht. Vorliegender Beitrag berichtet über entsprechende Arbeiten an Plattenstrukturen aus Faserverbundmaterialien. Die Besonderheiten der Wellenausbreitung in der ungestörten Platte und die Streuung an eingebrachten Schäden (Impakt) werden diskutiert.

1. Einleitung

In den letzten Jahren hat das Forschungsgebiet des "Structural Health Monitoring" erheblich an Bedeutung gewonnen. Ziel dieses Forschungsgebietes ist die Realisierung einer automatischen Zustandsüberwachung von Bauwerken oder Fahrzeugstrukturen durch fest mit der Struktur verbundene bzw. in die Struktur integrierte Sensoren. Auch im Bereich der Luftfahrt gibt es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für derartige automatisierte Inspektionssysteme. Ziele hierbei sind die Reduktion von Inspektionskosten, die Durchführung von zerstörungsfreien Bauteilprüfungen in von außen nicht zugänglichen Bereichen oder die Anwendung neuer Konstruktionsprinzipien zur Gewichtsreduktion von zukünftigen Flugzeugstrukturen.
Der Einsatz von Lamb-Wellen wird als eine effektive Methode diskutiert Schäden in großflächigen Bereichen plattenartiger Strukturen zu detektieren. Lamb-Wellen werden mit einem oder mehreren Wandlern angeregt und mit den gleichen oder anderen Wandlern empfangen. Informationen über die Struktur können dabei beispielsweise über Laufzeit-, Streuung-, Abschattung- und Modenkonversionseffekte gewonnen werden. Ein Vergleich der Messwerte vor und nach der Defektentstehung erlaubt deren Charakterisierung. Ein effektives Health Monitoring auf dieser Basis erfordert ein klares Verständnis der beteiligten Wellenphänomene. Die Dispersion der Lamb-Wellen in der ungestörten Platte, die Streuung an strukturellen Inhomogenitäten wie beispielsweise Stringern und die Streuung an den Schäden ist zu studieren. In Faserverbundwerkstoffen ist die Abweichung der Wellenausbreitung vom isotropen Verhalten zu beachten. Auch bei der Anregung von Lambwellenmoden durch verschiedene Wandler besteht Forschungsbedarf.
Zunächst wurde die Wellenausbreitung in Platten aus isotropen Materialien (Aluminium) und der Einfluss einer Flachbodenbohrung als Fehler studiert [1,2]. Als weiterer Schritt wurden strukturelle Inhomogenitäten wie konstruktionsbedingte Wanddickenvariationen und Strukturen mit Stringern als Versteifungselementen [3] einbezogen, wobei dem Basismaterial jedoch weiterhin isotrope Eigenschaften zugeschrieben werden. Gleichzeitig wurde der Einfluss verschiedener Konstruktionen von anregenden Wandlern auf die Aufbildung verschiedener Wellenmoden studiert [3].
In der vorliegenden Arbeit werden nun die verwendeten Methoden auf Faserverbundwerkstoffe, insbesondere auf Platten aus kohlefaserverstärkte Kunststoffen (CFK) angewendet.

2. Methoden zum Studium der Wellenausbreitung in Plattenstrukturen

Analytische Lösungen der Wellenausbreitung sind nur für einfache Fälle verfügbar. Beispiele sind Volumenwellen, Grenzflächenwellen wie beispielsweise die Rayleighwellen und Wellen in isotropen homogenen Platten, die Lambwellen. Im Gegensatz zu den anderen genannten Moden sind Lamb-Wellen im allgemeinen Fall dispersiv. In der Regel werden unter den Plattenwellen nur die Lösungen betrachtet, bei denen die Teilchenschwingung Komponenten in Wellenausbreitungsrichtung und senkrecht zu Plattenoberfläche besitzt. Sie werden in symmetrische (bezüglich Spiegelung an der Plattenmittelebene) Lösungen S0, S1, ... und asymmetrische Lösungen (A0, A1, ...) eingeteilt. Aber es existieren auch horizontale Scherwellen [4] bei denen die Schwingungsrichtung in der Plattenebene senkrecht zu Ausbreitungsrichtung verläuft. Auch hier können symmetrische und antisymmetrische Lösungen unterschieden werden (SH_S0, SH_A0,...).
Die Dispersionsdiagramme sind sehr hilfreich für das Verständnis der Wellenausbreitung in einfachen Fällen. So ist es möglich die Frequenzen, bei denen die Dispersion Null - oder wenigstens kein - ist und bei der nur wenige Wellenmoden ausbreitungsfähig sind auszuwählen. Kompliziertere Situationen, für die keine gut handhabbaren analytischen Lösungen existieren, betreffen beispielsweise die Streuung an strukturellen Inhomogenitäten, die Wellenausbreitung in anisotropen oder/und inhomogenen Medien oder die Anregung von Wellen mit unterschiedlichen Varianten von Wandlern. Abhilfe kann die numerische Simulation der Wellenausbreitung und die experimentelle Untersuchung mittels Laserinterferometrie schaffen.
Experimentelle Untersuchungen der Wellenausbreitung werden vorteilhaft berührungslos und rückwirkungsfrei mit der Laservibrometrie durchgeführt. Das auf der Basis des kommerziell erhältlichen, scannenden Laservibrometers (PSV 300) aufgebaute Messsystem LASUS (LASer Detektion von UltraSchall) erlaubt die Erfassung und Abbildung von Ultraschallwellen bis 20 MHz. Die Wellenausbreitung kann wahlweise als Folge von Zeitschnitten (Videoanimation) oder B-Bildern dargestellt werden.
Laservibrometer messen die Schwingkomponente in Strahlrichtung. Üblicherweise ist dies die Komponente in Richtung Plattennormale (out-of-plane). Um auch die inplane Komponente zu erfassen, wird der Laserstrahl unter einem flachen Winkel auf die Oberfläche gerichtet. Dabei wird weniger Licht in die Interferometeroptik gestreut mit dem Effekt erhöhten optischen Rauschens. Unterhalb von 1 MHz kann die Situation durch Verwendung von Retroreflexfolie verbessert werden. Oberhalb dieser Frequenz müssen andere Maßnahmen getroffen werden (siehe [5] für ein Beispiel hierzu).

3. Experimentelles: Aufbau der CFK Platten und Methoden der Wellenanregung

Als Konstruktionsmaterialien im Flugzeugbau interessieren vielfach quasiisotrope Faserverbundplatten. Man stapelt dabei mehrere Schichten mit unterschiedlicher Faserlage übereinander. Verschiedene Aufbauvarianten sind möglich. Abb. 1 zeigt üblicherweise verwendete Faserorientierungen bestehend aus mindestens 8 Lagen. Die Bezeichnung (0/45/-45/90)2S steht für die Folge der Faserorientierungen, wobei S2 besagt, dass die vorstehende Folge gespiegelt an der unteren Plattenoberfläche wiederholt wird. Die Platte ist dann mit 8 Lagen 1 mm dick. Dickere Platten werden durch Stapelung mehrerer solcher Folgen hergestellt. Interessant für die Wellenausbreitung ist die Symmetrie des Systems gegenüber Drehungen um die Plattennormale (z-Richtung). Beide Varianten zeigen (wie alle Faserverbunde) eine Symmetrie bei Drehung um 180 °. Allerdings ist die Symmetrie bezüglich Drehung um 90° schon weitgehend gestört. Insbesondere wird sich die Steifigkeit bei Biegung um die x-Achse von der um die y-Achse deutlich unterscheiden. Es ist schon von daher zu vermuten, dass Wellenmoden mit einem wesentlichen Anteil von Biegungen eine gewisse Anisotropie aufweisen.


Abb 1: Zwei übliche Aufbauvarianten von CFK-Platten mit 8 Faserschichten. Variante 1: (0/45/-45/90)2S, Variante 2: (0/45/90/-45)2S . Die verwendete Platte (d = 2 mm) hat 16 Faserlagen.

Für die Messungen wurde eine 16 - Schicht CFK-Platte mit einer Dicke von 2 mm und Abmessungen von 580 mm (horizontal) und 480 mm (vertikal) verwendet. In die Platten wurden zwei Impaktschäden mit unterschiedlicher Energie eingebracht. Bei 10 J resultierte ein Durchschlag während bei 3.5 J die Schädigung auf der Rückseite visuell als kleiner Riss gerade sichtbar wird. Ultraschall-C-Scan Untersuchungen zeigen, dass sich der innere Schaden - vermutlich eine Delamination - in einer Richtung über einen Bereich von mindestens 40 mm erstreckt.
Die Abbildung 2 zeigt einige der möglichen Varianten, in Plattenstrukturen elastische Wellen anzuregen. Bei Kopplung von Normalprüfköpfen (a) über einen Flüssigkeitsfilm, wie dies in der Ultraschallprüfung voluminöser Objekte üblich ist, werden sich in Platten ausbreitende elastische Wellen vorwiegend von den Prüfkopfbegrenzungen ausgesendet. In ersten Versuchen hat sich diese Anordnung als nicht besonders effektiv erwiesen. In vielen Studien zum Health Monitoring werden deshalb Piezoscheiben direkt auf die Struktur geklebt. Die DickenEigenresonanzen dieser Scheiben liegen im MHz Bereich. Infolge freier Randbedingungen auf der Schwingerrückseite koppelt die Dickenschwingung jedoch praktisch nicht in die Platte. Vielmehr wird die über die Querkontraktion erzeugte radiale Komponente genutzt. Diese Anregungsform ist sehr breitbandig. Die Variante (c) wurde in [3] näher untersucht. Obwohl typische Scheerwellenprüfköpfe zum Einsatz kommen, wird in Platten ein hoher Anteil an symmetrischen Moden (insbesondere S0) angeregt. Diese Anregungsform hat eine Reihe von Vorteilen, ist aber mit dem Nachteil verknüpft, dass die Wandler wegen dem notwendigen Dämpfungskörper vergleichsweise voluminös sind.
In dieser Arbeit wurde die Variante b verwendet. Der Piezowandler aus PZT befand sich auf der der Messfläche gegenüberliegenden Seite, hat eine Dicke von 0.2 mm und einem Durchmesser von 8mm. Die elektrische Anregung erfolgte durch einen Impuls der Dauer 2.5 µs mit einer Amplitude von 100 V.


Abb 2: Drei mögliche Varianten der Anregung von Plattenwellen, a) Normalprüfköpfe der Ultraschallprüfung bestehend aus Piezoscheibe und Dämpfungskörper (DK), b) geklebte Piezoscheiben und c) Scherwellenprüfköpfe der Ultraschallprüfung.

Die Abtastung der Wellenausbreitung erfolgt mit dem System LASUS. Diese Eigenentwicklung basiert auf einem kommerziellen Scanning Laser Vibrometer. Zur Verbesserung der optischen Rückstreueigenschaften wurde eine Retroreflexfolie aufgebracht. Wahlweise kann die Spiegelsteuerung und Datenerfassung mit dem Vibrometersystem selbst oder - insbesondere für höhere Frequenzen - durch externe Steuerung und Datenerfassung erfolgen. Die Auswertung erfolgt weitgehend mit unter LabView programmierter Software. In allen nachfolgenden Messungen wurde das Vibrometer senkrecht vor die Messfläche positioniert. Dies hat den Vorteil einfacher Interpretierbarkeit der Bilder. Symmetrische Wellenmoden niedriger Ordnung werden jedoch nur sehr schwach abgebildet, da die Hauptschwingungskomponenten in der Plattenebene liegen. In der Regel können die symmetrischen Wellenmoden aber dennoch sichtbar gemacht werden, so dass Schlussfolgerungen über ihre Dispersion und Richtungsverteilung gezogen werden können.

4. Die Wellenausbreitung in ungestörten CFK Platten

Alle gewonnenen Messergebnisse können als Satz von Momentanwerten (Teilchenverschiebungen oder -verschiebungsgeschwindigkeiten) über einem dreidimensionalen Raum aufgefasst werden. Dieser Raum wird von den beiden Ortskoordinaten der Messoberfläche und der Zeit aufgespannt. Es erweist sich als günstig, solche Datensätze durch die Anfertigung von Schnitten entlang verschiedener Ebenen zu visualisieren. Abbildung 3 zeigt derartige Schnitte für die Messung an der ungestörten Platte. Damit auch schwache Wellenmoden sichtbar werden, wurde eine Skalierung gewählt die andere Bildbereiche stark übersteuert.

Abb 3: Wellenausbreitung in der ungestörten CFK-Platte, Zeitschnitt bei t = 50 µs (links unten), Zeit-Ortsdarstellung für einen vertikalen Schnitt (y = 235 mm, oben links) und einen horizontalen Schnitt (x = 330 mm, unten rechts), Zeitsignal im Zentrum der Ultraschallquelle (übersteuert oben rechts).

Bei dieser Messung sind - wie in den vorhergehenden Messungen an isotropen Platten, zwei Wellenmoden mit deutlich unterschiedlicher Wellenausbreitungsgeschwindigkeit identifizierbar. Wir nennen sie "quasi S0" (qS0) und "quasi A0" (qA0) Mode. Beide Wellenmoden zeigen eine zwar kleine aber dennoch deutlich erkennbare Abweichung von der Rotationssymmetrie. Diese Abweichung zeigt sich einerseits in lokalen "Deformationen" der Kreisbögen in der Nähe einer horizontalen Linie durch den anregenden Wandler (siehe Marke 1 in Abbildung 3 bei qS0 und rechtes Teilbild von Abb. 4 für qA0). In vertikaler Richtung ist eine solche lokale Deformation nicht erkennbar (ohne Bild). Andererseits ist insbesondere bei der qA0-Mode in dem Zeitschnappschuss der Abb. 3 eine deutliche Abweichung der Wellenfronten von der Kreisform (Marke 2) erkennbar, die zeigt dass auch global die Phasengeschwindigkeit deutlich von der Ausbreitungsrichtung abhängt.
Als Dispersion wird eine Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeiten von der Frequenz bezeichnet. Dies ist damit verbunden, dass auch die Phasen von der Gruppengeschwindigkeit abweicht, d.h. die Punkte gleicher Phase bewegen sich nicht synchron mit den Wellenpaketen. In den Orts-Zeit Darstellungen der Abbildung 3 ist eine solche Abweichung deutlich für die qA0 Mode zu erkennen (Marke 3). Demgegenüber zeigt die qS0 Mode keine signifikante Dispersion (Marke 4) .

Abb 4: Schnappschuss der Wellenausbreitung nach 160 µs (rechts) mit deutlicher Ausprägung der qA0 Welle und zugehörige Zeitsignale für zwei Messpunkte, die Zeitachse ist in µs und Momentanwerte in beliebigen (für beide Signale gleichen) Einheiten.

In Abbildung 4 ist ein einzelner Zeitschnappschuss noch einmal herausgegriffen. Zwei Punkten gleicher Phasenlage der qA0 Welle sind die Wellenformen (A-Bilder) zugeordnet. Wie bereits in den Zeitschnappschuss andeutungsweise zu erkennen ist, ist die Amplitude entlang der horizontalen Achse deutlich angehoben. Der entsprechende Faktor kann aus den A-Bildern zu 2,1 abgelesen werden.

5. Die Wellenausbreitung in der CFK Platte nach Einbringung der Impaktschäden

Schnappschüsse der Wellenausbreitung in der Platte zeigt die Abbildung 5. In der hier gewählten Darstellung sind die Messergebnisse einem Photo der Messfläche überlagert, so dass der Durchschlag als Aufriss der Retroreflexfolie (1) sichtbar ist. Der Impakt 2 zeigt sich nur in den Wellenfeldern.
Beide Impacts zeigen zwei verschiedene Effekte auf das Wellenfeld. Einerseits wird das transmittierten Wellenfeld verzögert. Andererseits werden Streuwellen erzeugt. Bemerkenswert ist, dass der Einfluss des 3 J Impakts auf das Wellenfeld mindestes so groß bzw. größer ist, wie derjenige des Durchschlages. Dies gilt insbesondere für die laterale Ausdehnung des Bereiches, in dem die primäre Welle verzögert wird. Eine bisher ungeprüfte aber nahe liegende Vermutung führt dies auf die Asymmetrie der Ausdehnung des Schadens, hervorgerufen durch die Orientierung der aus Impaktrichtung hintersten Faserlage zurück. Ultraschalluntersuchungen zeigen hierfür ein Aspektverhältnis von etwa 3.

Abb 5: Wellenfeld der qA0-Welle zu verschiedenen Zeiten; 1: Durchschlag (Energie 10 J); 2: Position des Impakt mit 3.5 J (Schädigung visuell kaum sichtbar).

6. Schlussfolgerungen und weitere Arbeiten

Laservibrometrische Messungen des Ausbreitungsverhaltens von Plattenwellen liefern wichtige Erkenntnisse, die bei der Konzeption und späteren Nutzung von Systemen zum Health-monitoring auf der Basis von Lambwellen berücksichtigt werden müssen. So ist die Wellenausbreitung weder isotrop noch dispersionsfrei. Im vorliegenden Fall besteht nicht einmal eine Symmetrie bezüglich Drehung um 90°. Für die qA0 Welle, die für sehr niedrige Frequenzen als Biegewelle aufgefasst werden kann, ist dies auch aus dem Aufbau (siehe Abb. 1) ersichtlich.
Die Impaktschäden bewirken bezüglich der direkt transmittierten qA0 Welle eine deutliche Verzögerung. Streuwellenanteile sind aber so schwach, dass ohne weitere "Tricks" eine Separation von den ungestreuten Wellen schwierig ist. Laufende eigenen Arbeiten [6] haben die Einbeziehung weiterer Wellenmoden und die Separation von Wellenmoden bei Senden und Empfang durch Wandlerkonzepte zum Inhalt.

Literatur:

  1. B. Köhler, M. Kehlenbach, R. Bilgram, "Optical Measurement and Visualisation of Transient Ultrasonic Wave Fields", in: Acoustical Imaging, Vol. 27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp.315-322, in print.
  2. M. Kehlenbach, B. Köhler, X. Cao, H. Hanselka, "Numerical and Experimental Investigation of Lamb Wave Interaction with Discontinuities", Proceedings of the 4th International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, September 15-17, 2003.
  3. B. Köhler, F. Schubert, B. Frankenstein, "Numerical and experimental investigation of Lamb wave excitation, propagation and detection for SHM", Proc. of the 2nd European Conference on Structural Health Monitoring, Munich/Germany, July 7 - 9, 2004.
  4. K. F. Graff, "Wave Motion in Elastic Solids", Clarendon Press, Oxford, 1975, pp. 431-435
  5. B. Köhler, F. Schubert, "Optical Detection of Elastodynamic Fields of Ultrasonic Transducers", Ultrasonics , 40 (2002) pp. 741-74
  6. B. Köhler, F. Frankenstein, F. Schubert, M. Gurka, D. Sporn, "Health Monitoring für Komponenten aus Verbundmaterialien (CFK, GFK) mittels integrierter Piezofaserwandler -Anregung, Ausbreitung und Detektion von Plattenwellen", 7. AZT-Expertentage 2003, "Windenergieanlagen" Schäden und Abhilfemaßnahmen, 10 - 11. 11. 2003, Ismaning

Danksagung:

Unser herzlicher Dank gilt Herrn Dr. Berthold von der IMA Dresden GmbH für die Einbringung der Impaktschäden und Herrn Bittrich sowie Frau Noack für die Durchführung der Messungen. Besonderer Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung der Projekte KO 1386-1 und KO 1386-5 (Teilprojekt der Forschergruppe FOR384) in deren Rahmen wesentliche methodische und messtechnische Entwicklungen des hier eingesetzten Systems LASUS erfolgen konnten.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net