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Nichtlineares dynamisches Materialverhalten zur defektselektiven zerstörungsfreien Prüfung
(2002) Krohn, Nils; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die Schwingungsanalyse ist ein bewährtes Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Hierbei wird der Zustand eines Prüfkörpers durch seine lineare mechanische Übertragungsfunktion entweder gehörmäßig (Klangprüfung) oder meßtechnisch (Vibrometrie) charakterisiert. Veränderungen der Resonanzen, die durch einen Defekt hervorgerufen werden, können durch den Vergleich mit denen des intakten Bauteils erkannt werden. Diese Eigenschwingungen hängen aber auch wesentlich von der Geometrie eines Bauteils ab. Eine Variation der Abmessungen ist jedoch häufig produktionstechnisch nicht vermeidbar, so daß eine unbedeutende Fertigungstoleranz und ein kritischer Schaden das gleiche Meßergebnis hervorrufen können. Zur Vermeidung dieser Problematik wird in dieser Arbeit daher untersucht, ob sich lokal nichtlineares, also geometrieunabhängiges, Verhalten als Merkmal zur zerstörungsfreien Prüfung eignet, insbesondere für welche Defektarten und Materialien. Nichtlinearität tritt überall dort auf, wo sich berührende Grenzflächen existieren, die akustisch zu einer Relativbewegung angeregt werden können. Da die meisten in der Praxis relevanten Defekte solche zusätzlichen Grenzflächen aufweisen, läßt sich der Ort des Schadens an der lokalen Erzeugung höherer Harmonischer erkennen. Hierzu ist es notwendig, die Probe mit monofrequentem Leistungsultraschall zu beaufschlagen, um dann die resultierende Schwingung an der Probenoberfläche hinsichtlich ihres Frequenzspektrums zu analysieren. Im intakten Bereich ist nur die Anregungsfrequenz nachweisbar, am Ort des Schadens allerdings entstehen zusätzlich höhere Harmonische. Verwendet man diese Harmonischen als bildgebende Größe, so liefert die defektfreie Umgebung keinen Betrag zum Meßsignal: Ein defektselektives Abbild der Probe entsteht. Es werden zunächst die Mechanismen erläutert, die eine Anregungswelle verformen und höhere Harmonische erzeugen. Die klassische Materialnichtlinearität mit stetiger Spannungs-Dehnungsabhängigkeit kann diese Prozesse nicht mehr beschreiben, wenn es sich um eine unstetige nichtlineare Modulation handelt. Hierzu werden Ansätze einer quasi analytischen Beschreibung dargelegt. Neben integrierten und applizierten piezokeramischen Aktoren erwiesen sich auch Schweiß-Ultraschallgeneratoren als geeignete Anregungsquellen, um Nichtlinearitäten in einem Bauteil anzuregen. Zudem wurden die Pegelabhängigkeit und der Einfluß der Bandbreite des Anregungssignals untersucht. Die Detektion der lokalen Antwortschwingung auf der Probenoberfläche erfolgte durch ein scannendes Laser-Doppler-Vibrometer, das eine hohe laterale Ortsauflösung und kurze Meßzeiten bei hoher Genauigkeit ermöglichte. Mithilfe der Leistungsultraschallanregung und interferometrischer Detektion konnten praxisrelevante Schäden (z.B. Risse und Enthaftungen) in verschiedenen Werkstoffen detektiert werden. Als Probenmaterial wurden schwerpunktmäßig neue Materialverbunde (wie faserverstärkte Keramik, Faserverbundwerkstoffe und Klebverbindungen) gewählt, da hier die etablierten Prüfmethoden nur bedingt anwendbar sind. Der Einsatz dieser Werkstoffe in sicherheitsrelevanten Bereichen (z.B. Luft- und Raumfahrt sowie Automobilbau) bedingt sehr hohe Anforderungen an die Schadenserkennung. Es wird gezeigt, daß dieses neue defektselektive Verfahren zuverlässige Herstellungskontrolle und Wartung ermöglicht.