Nichtlineares dynamisches Materialverhalten zur defektselektiven zerstörungsfreien Prüfung

Abstract

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.

Vibrometry is a well know method of nondestructive testing. The state of a specimen is characterized by its linear mechanical transfer function either by the human ear or with technical testing equipment ("vibrometry"). Changes in resonances caused by a defect can be determined in comparison to a reference spectrum obtained on an intact sample. These eigenvibrations depend also on the geometry of the component. As a variation in size cannot be avoided due to the production process, a change in geometry and a critical damage may result in the same spectrum. In order to avoid such problems this thesis investigates whether local nonlinear (therefore geometry independent) material properties can be used for nondestructive testing and especially for which kinds of defects and materials such a technique is applicable. Nonlinearity is observed where boundaries are acoustically ex-cited to move with respect to each other in contact. As most types of defects are correlated with such boundaries, they can be determined by the local generation of higher harmonics. To achieve this a sample is insonified by high power ultrasound and the resulting vibration on the surface is analysed: a defect is marked by higher harmonics, whereas the intact area only shows the excitation frequency. Using these harmonics for imaging a defect selective image of the sample is produced because the intact area does not contribute to the signal. First the mechanisms are discussed that distort an excitation wave thereby generating higher harmonics. Classical material nonlinearity with a stress-strain de-pendence without discontinuities is not able to describe these processes behaving mostly like a discontinuous nonlinear modulation. A quasi analytical approach is presented. Besides integrated and surface mounted piezoceramic actuators also ultra-sound welding generators prove to be a well applicable source to excite nonlinearities in a component. Additionally, the dependence on both the power level and the bandwidth of the excitation signal have been analysed. The detection of the local acoustical response on the surface of the sample was performed with a scanning laser vibrometer, which allows fast and precise measurements with high lateral reso-lution. By using high power ultrasound excitation and interferometric detection relevant damages (e.g. cracks and delaminations) could be revealed in various kinds of material. The main focus was on new material composites (e.g. fibre reinforced ceramics, polymers, and adhesive bonds) because the well established nondestructive testing methods are not so well applicable to them. However, due to the employment of these new materials in safety relevant areas (like aerospace and automotive industry) damage detection is highly important. It is shown that this new defect selective method is able to perform a reliable quality inspection in both production and maintenance.