Geführte Ultraschallwellen zur Bewertung der Schadensakkumulation in Faser-Kunststoff-Verbunden

Abstract

Die Arbeit stellt eine Methode zur berührungslosen Bewertung von Ermüdungsschädigung und verschiedenen Defekten in Faser-Kunststoff-Verbunden vor. Die Eignung der zerstörungsfreien Methode wird durch umfangreiche Untersuchungen und den Vergleich mit anderen Prüfverfahren gezeigt. Flach- und Rohrprüfkörper aus glasfaserverstärktem Kunststoff dienen als Untersuchungsobjekte. Eine besondere Herausforderung stellt die Heterogenität des Faserverbundwerkstoffes (hergestellt mit Resin Transfer Moulding aus Multi-Axial-Gelege bzw. trockener Wickelung) dar. Die Prüfkörper werden schrittweise mit uni- und biaxialen Lasten ermüdet, um mit wiederholter zerstörungsfreier Prüfung die Ermüdungsschädigung verfolgen zu können. Neben der Verwendung verschiedener Spannungsverhältnisse (Zugschwell-, Wechsel- und Druckschwellbereich) wird auch der Effekt von Defekten (Porosität, Faserondulationen und Aufprallschäden) betrachtet. Die entwickelte Technik basiert auf luftultraschallerzeugten geführten Wellen im Mehrschichtverbund, wobei einseitige Zugänglichkeit hinreichend ist. Quantitativ gemessener Anstieg der Dämpfung sowie Abfall der Phasengeschwindigkeit korrelieren mit den konventionellen Indikatoren für globale Ermüdungsschädigung, Zwischenfaserrissdichte und resultierende Steifigkeitsdegradation. Die Streuung an Grenzflächen steigt mit der Zunahme der Rissdichte, was zu einem Dämpfungsanstieg der Welle führt. Der Zusammenhang zwischen Steifigkeitsdegradation und Abnahme der Phasengeschwindigkeit wird durch die Berechnung von Dispersionskurven mit der Globalmatrixmethode analysiert, wobei die Steifigkeitsdegradation einzelner Lagen mit einem bereits vorhandenen Modell aus den beobachteten Rissdichten ermittelt wird. Abrasterung mit geführten Ultraschallwellen erlaubt die Charakterisierung lokaler Defekte. Das Verfahren eignet sich, um den Effekt dieser Defekte auf die Ermüdungsmechanismen während der zyklischen Belastung zerstörungsfrei zu verfolgen. Thermografie- und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen bestätigen, dass mit der vielseitigen Luftultraschalltechnik inhomogen beschleunigte Degradation und versagensrelevante Defekte frühzeitig erfassbar sind. In vielen Fällen ist nicht nur ein baldiges Versagen prognostizierbar sondern auch der Ort von dem das Versagen der Rohrprüfkörper ausgeht.

A non-destructive technique for remote characterisation of fatigue damage and various defects in fibre reinforced polymers is presented. Its applicability is investigated in comprehensive studies and compared to competing methodologies. Therefore, coupon and tube specimens made of glass fibres and epoxy are manufactured by resin transfer moulding, which involves non-crimp fabric and filament winding, respectively. Defects examined before cyclic loading and monitored under fatigue loads include porosity, fibre waviness, and impact damage. Fatigue damage is induced by uni- and biaxial mechanical loads in specimens with and without defects. The study comprises fatigue damage induced by different load ratios (tension-tension, tension-compression, and compression-compression). Based on mode conversion of ultrasound in air, guided waves in composites are utilized as measures of progressive fatigue damage. Phase and amplitude as function of propagation distance enable to determine phase velocity and attenuation. Measured increase in attenuation and decrease in velocity correspond to observed formation of matrix cracks and resulting stiffness degradation. The non-contact measurements are performed with clamped coupons (in situ) and outside the servo-hydraulic testing machine (ex situ). Scattering on interfaces rises with increasing crack density, which results in higher attenuation of the wave. The correlation between stiffness degradation and drop in phase velocity is studied by calculating dispersion curves from single ply properties with and without matrix cracks using a finite element based model and the global matrix method. Accumulation of damage and effects of defects are monitored in area scans using air-coupled guided waves. Initiation and growth of delamination affected and unaffected by pre-damage are studied using the single-sided access configuration. Thermal imaging shows spots of accelerated damage evolution which coincide with conspicuous areas in the air-coupled area scans. High-speed imaging reveals that these spots initiate ultimate failure of the tube specimens. Concluding, air-coupled guided waves are suitable to assess global fatigue state and local defects in polymer-matrix composites. The versatile approach detects defects and spots of accelerated degradation being crucial for ultimate failure.