Forschungsprojekte

Untersuchungen zu Anwendungsbereichen der Pulsed Laser Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI)

Die Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) ist ein interferometrisches Messverfahren zur Untersuchung von Oberflächenverschiebungen. Die durch Bewegungen oder Verformungen zustande kommenden Oberflächenverschiebungsfelder werden mittels vergleichender Analyse gewonnen. Verglichen werden die zu verschiedenen Objektzuständen gehörenden Laser Speckle Muster. Diese Laser Speckle Muster entstehen durch Interferenzen des von einer rauen Oberfläche reflektierten und gestreuten Laserlichtes, das zur Objektbeleuchtung eingesetzt wird.

Mit der ESPI Technik können dreidimensionale Oberfächenverschiebungen gemessen werden, die die Größenordnung der Lichtwellenlänge besitzen. Die Pulsed ESPI Technik bietet weitere Vorteile:

• Flächiges Messen von transienten und dynamischen Vorgängen
• Weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen

Augenblicklich untersuchte Anwendungsbereiche sind:

• Ausbreitungserscheinungen von Oberflächenwellen in unterschiedlichen Strukturen (dünne Metal-, Kunststoff- und CFK-Platten bis hin zum Originalgleissegment einer festen Fahrbahn), in Verbindung mit
• unterschiedlichen Anregungsmethoden (Impulshammer, Piezo- und Ultraschallanregung),
• Oberfächenverformungen in dünnen Strukturen (Metall-, Kunststoff- und CFK-Platten, etc.) aufgrund thermischer Anregung.

Beabsichtigt ist der Einsatz der Pulsed ESPI Technik in den Bereichen Qualitätssicherung, Strukturüberwachung, sowie Fehler- und Schadenserkennung und -einschätzung. Begleitet werden die Messungen von FE Simulationen zur Vorbereitung der Experimente und zum Vergleich mit Messergebnissen.

Versuchsaufbau für experimentelle Untersuchungen an einer festen Fahrbahn mit der Puls-ESPI Technik

Schwingungsmessungen an einem geschotterten Gleissegment mit Holografischer Interferometrie. Die Holografische Interferometrie ist eine der ESPI Technik verwandte Messtechnik. Links das Hologramm, rechts die vertikalen Verschiebungen

ESPI Messungen zur Erfassung der Wellenfront in einer festen Fahrbahn. Dargestellt ist der Schienenzwischenraum, die Wellenfront passiert eine Reihe der eingebetteten Schwellen. Links ein Phasenbild, rechts: dreidimensionale Darstellung des Verschiebungsfeldes

Literaur:

Anwendungen der Pulsed ESPI Technik:

• R. Lammering, M. Plenge, T. Walz
  Qualitätssicherung von Massivbaukonstruktionen mit Hilfe der Puls-ESPI-Technik am Beispiel Fester Fahrbahnsysteme
  In: Bauingenieur (79) No. 11, [2004], pp. 528-533
• R. Lammering, M. Plenge
  Qualitätssicherung Fester Fahrbahnsysteme mit Hilfe der Puls-ESPI-Technik
  In: VDI-Berichte Nr. 1825 ‚Modalanalyse und Identifikation‘, [2004], pp. 177-189

Grundlagen der ESPI Technik werden behandelt z.B. in:

• R. Jones, C. Wykes
  Holographic and Speckle Interferometry
  CambridgeUniversity Press, 1989

Lichtmikroskopische Beobachtung der Mikrostruktur von Formgedächtnislegierungen während spannungsinduzierter Umwandlung

Angeregt durch eine Veröffentlichung von Shaw und Kyriakides (Shaw, J.A.; Kyriakides, S.: On the Nucleation and Propagation of Phase Transformation Fronts in a NiTi Alloy. Acta mater., Vol. 45, pp. 683-700, 1997.) wurden verschiedene lichtmikroskopische Untersuchungen der Mikrostruktur von Formgedächtnis-legierungen durchgeführt. Ziel dieser Experimente waren nähere Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung der von Shaw und Kyriakides beschriebenen Transformationsbänder bei verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten.

Dazu wurden sowohl polykristallines Nickel-Titan, als auch ein- und polykristalline Proben aus Kupferbasislegierungen poliert und in einer speziell angefertigten Prüfmaschine (Bild 1) gezogen. Während der Belastung konnte die Probenoberfläche durch ein Metallmikroskop beobachtet und gefilmt werden. Trotz der Bildung von Umwandlungsbändern (Bilder 2 und 3) entstehen einzelne Martensitplatten über die gesamte Probenlänge verteilt. Deutlich wird auch der starke Einfluß der Korngrenzen auf die Fortpflanzung der Umwandlung, während Kratzer und Löcher vom Polieren praktisch keinen Einfluß haben (Bild 4). Schon nach wenigen Lastzyklen zeigen sich unter dem Mikroskop lokale bleibende Verformungen, obwohl die plastische Verformung der Probe nur sehr gering ist (Bild 5). Ein weiterer interessanter Effekt ist die Umverteilung der durch Belastung bei sehr hohen Dehnungsraten entstandenen Martensitplatten. Dieser ist sowohl bei Einkristallen (Bild 6) als auch bei Polykristallen (Bild 7) nachweisbar.

Diese Arbeit erfolgte in Kooperation mit Frau Professor L. Cate Brinson vom Mechanical Engineering Department der Northwestern University.

Bild 1:
Versuchsaufbau

Bild 2:
Makroskopische Fotos der Probenoberfläche (NiTi)

Bild 3:
Makroskopische Bänder durch das Mikroskop betrachtet (NiTi)

Bild 4:
Einfluss von Kratzern und Defekten (NiTi)

Bild 5:
Entwicklung lokaler bleibender Deformationen (NiTi)

Bild 6:
Umverteilung der Martensitvarianten nach Belastung bei hoher Dehnungsgeschwindigkeit,
beobachtet am Einkristall (CuAINi)

Bild 7:
Umverteilung der Martensitvarianten nach Belastung bei hoher Dehnungsgeschwindigkeit,
beobachtet am Polykristall (CuAIMnZn)

Ansprechpartner: Dr.–Ing. Ina Schmidt

Publikationen und Vorträge:

• L. C. Brinson, I. Schmidt, R. Lammering
  Stress-Induced Transformation Behavior of a Polycrystalline NiTi Shape Memory Alloy: Micro and Macromechanical Investigations via in situ Optical Microscopy
  Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 52, 1549-1571, 2004
• I. Schmidt, R. Lammering, L. C. Brinson
  Micro and macromechanical Observation of Polycrystalline NiTi Using in situ Optical Microscopy
  Journal de Physique IV, 112, 655-658, 2003
• I. Schmidt, R. Lammering, L. C. Brinson
  Micro and Macromechanical Observation of Polycrystalline NiTi using in situ Optical Microscopy
  ICOMAT02, Helsinki, June 11, 2002
• L. C. Brinson, I. Schmidt, R. Lammering
  Micro and Macromechanical Investigations of CuAlNi Single Crystal and CuAlMnZn Polycrystalline Shape Memory Alloy
  Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, 13, 761-772, 2002
• I. Schmidt, A. Vishnevski, R. Lammering, L. C. Brinson
  Studies of SMA response to cyclic loading: strain rate and cycle dependence with microstructural observations
  MMC 2001 Conference, San Diego, June 27, 2001

Mechanische Eigenschaften von gespritzten NiTi-Schichten

Wegen der Phasenumwandlung des Kristallgitters besitzen superelastische Formgedächtnislegierungen eine besondere Fähigkeit, unter konstanten Spannungen große Dehnungen zu entwickeln. Da außerdem die direkte (Austenit-Martensit) Umwandlungsspannung erheblich größer ist als die für die Rückumwandlung nötige Spannung, bildet sich eine ausgeprägte mechanische Hysterese. In Abhängigkeit von der Richtung verläuft die Phasenumwandlung unter Wärmefreisetzung bzw. unter Wärmeabsorption. Im Vergleich zu konventionellen metallischen Werkstoffen führt das ungewöhnliche Verhalten zu einer erheblichen mechanischen und thermischen Energiedissipation und macht die Anwendung von superelastischen Formgedächtnislegierungen attraktiv für Dämpfungszwecke.

Der gebräuchlichste Weg zur Dämpfungsverbesserung von konventionellen Materialien ist die Herstellung von Beschichtungen, die zur Herstellung von Verbundwerkstoffen führen. Moderne Spritzverfahren ermöglichen Beschichtungen mit NiTi auf Substraten wie Stahl, Aluminium oder Kupfer. Einige Spritzverfahren lassen aber auch eine Reihe von Kunststoffen sowie Gläser und Keramiken zu.

Die Hauptaufgabe des Projektes ist die Entwicklung beschichteter Strukturen bestehend aus metallischem Substrat und ein- oder beidseitiger NiTi-Beschichtung. Vorzugsweise wird für diese Aufgabe das Kaltgasspritzen (CS) genutzt. Die Vorteile dieses Prozesses bestehen in der geringen Änderung der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur des gespritzten Materials, in der zuverlässigen Bindung verschiedener Materialarten und in der Möglichkeit, dicke beliebig geformte Schichten zu erhalten. Alternative Spritzverfahren, beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Vakuumplasmaspritzen (VPS), wurden ebenfalls getestet. Die Herstellung von Schichten erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffkunde der Helmut-Schmidt-Universität.

Weitere Aufgaben bestehen in der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von gespritzten Schichten aus Formgedächtnislegierungen. Fußend auf den Untersuchungen der Basiswerkstoffe der beschichteten Struktur werden weitere mechanische Tests durchgeführt. So sollen die Bindung der gespritzten Schicht auf dem Substrat und die residualen Spannungen nach dem Spritzen bestimmt werden.

Die Untersuchung potenzieller Anwendungen superelastischer Formgedächtnislegierungen für die strukturelle Dämpfung im Bereich niedriger Frequenzen und großer Amplituden oder für die Energieabsorption von Stoßwellen ist in diesem Projekt von großem Interesse.

Veröffentlichungen:

• A. Vishnevsky, I. Schmidt, R. Lammering
  Characterization of Superelastic NiTi Shape Memory Alloy Specimens from Conventional Material and Sprayed-on Layers
  Proceedings of the Int. Conf. on Adaptive Struct. (ICAST) 2005, Paris, 9-12 October, 2005

Vorträge:

• A. Vishnevsky, I. Schmidt, R. Lammering
  Characterization of Superelastic NiTi Shape Memory Alloy Specimens from Conventional Material and Sprayed-on Layers
  ICAST 2005, Paris, 9-12 October, 2005
• A. Vishnevsky, R. Lammering, I. Schmidt
  Transformation behavior of NiTi sheets in optical, thermographical and mechanical investigations
  The 2nd European Conference on SMST: Engineering and Biomedical Applications, Baden-Baden, 3-7 October, 2004

Mehrfeldvariationsformulierungen für Strukturen mit piezoelektrischen Materialien

Flächige Sandwichstrukturen mit applizierten piezoelektrischen Keramiken

Adaptive Strukturen sind in der Lage, auf willkürliche äußere Einflüsse selbsttätig zu reagieren. Sie sind gekennzeichnet durch eine Integration der Aktuatoren und Sensoren in die Gesamtstruktur. Hierdurch wird eine Verbesserung des Strukturverhaltens z.B. hinsichtlich Komfort, Tragfähigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber passiven Strukturen erreicht. Indem z.B. sogenannte Piezopatches, dünne piezokeramische Plättchen, auf eine passive Struktur appliziert werden, wird eine Sandwichkonstruktion erzeugt, durch die eine aktive Regelung des Systems möglich wird. Für die Berechnung dieser komplexen Strukturen stellen kommerzielle Programme zumeist nur Volumenelemente mit Verschiebungsansätzen zur Verfügung. Da jedoch insbesondere die Verwendung von Composite-Elementen sinnvoll ist, wird die Entwicklung geschichteter Schalenelemente notwendig. Die Übertragung der bekannten hybriden Variationsformulierungen auf diese gekoppelten elektromechanischen Probleme ist bisher nur vereinzelt umgesetzt. Mit dieser Methode besteht die Möglichkeit, eine Verbesserung der Finite-Element-Rechnung zu erzielen. Für eine Zweifeldvariationsformulierung, bei der zusätzlich zu den Verschiebungs-freiheitsgraden ein elektrischer hinzukommt, ist eine numerische Umsetzung mit linearem Ansatz für die Verschiebungen und konstantem sowie linearem Ansatz für das elektrische Potential umgesetzt worden. Bei einer Dreifeld-variationsformulierung wird dann mit der dielektrischen Verschiebung analog zu den hybriden Methoden noch ein weiterer Freiheitsgrad eingeführt, der jedoch auf Elementebene wieder eliminiert wird und somit beim Lösen des Gleichungssystems nicht mehr in Erscheinung tritt. Für alle unabhängigen Variablen sind lineare Ansatzfunktionen gewählt worden. Diese verschiedenen Variationsformulierungen werden nun anhand eines Beispiels verglichen.
Eine gelenkig gelagerte Platte, die mit piezoelektrischen Sensoren auf beiden Seiten bestückt ist (Bild 1), wird mit einer Einzellast für einen Zeitschritt belastet. Mittels einer transienten Rechnung wird das Ausschwingverhalten für einen repräsentativen Punkt auf der Platte untersucht. Die Verschiebungen und das elektrische Potential der Sensoren werden in den Frequenzbereich transformiert und für die verschiedenen variationellen Formulierungen verglichen. Hierbei zeigt sich, dass die Verschiebungen für alle Formulierungen mit einer analytischen Lösung sehr gut übereinstimmen (Bild 2). Die Lage der Eigenfrequenzen des Systems stimmen ebenfalls mit der analytischen überein. Ein analoger Verlauf der fouriertransformierten des elektrischen Potentials im Vergleich zu den Verschiebungen beweist, dass durch das Sensorsignal die Schwingungsform der Platte eindeutig wiedergegeben werden kann (Bild 3). Auch hierbei kann ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung der verschiedenen Finite-Element-Formulierungen festgestellt werden.

Bild 1:
Finite Element Netz einer Platte mit piezoelektrischen Sensoren

 Bild 2:
Fouriertransformierte der Verschiebungen

    Bild 3:
Fouriertransformierte des elektrischen Potentials

Ansprechpartner: Dipl.–Ing. S. Mesecke-Rischmann , Prof. Dr.–Ing. R. Lammering

Laufzeit: Seit 1998

Publikationen:

• S. Mesecke, R. Lammering
  FE-Formulierungen für piezoelektrische Flächentragwerke
  PAMM, Proc. Appl. Math. Mech. 1 (2001), pp. 209-210
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  Dynamics of Layered Structures with Bonded Piezoelectric Material
  PAMM, Proc. Appl. Math. Mech. 2 (2002), pp. 244-245
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  Hybrid Finite Element Formulations for Layered Structures with Piezoelectric Material
  WCCM V, Proc. Fifth World Congress on Computational Mechanics (2002), http//wccm.tuwien.ac.at
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  On the Finite Element Analysis of Layered Structures with Thin Piezoelectric Actuators and Sensors
  EUROMECH Colloquium 444, Critical Review of the Theories of Plates and Shells and New Applications (2002)
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  FE-Formulation for Nonlinear Piezoelectric Material Behaviour in the Small Signal Range
  International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences ICCES’03 (2003)
• R. Lammering, S. Mesecke-Rischmann
  Finite Element Analysis of Piezoelectric Structures with Nonlinear Behavior
  Workshop on Smart Materials and Structures SMART’03 (2003)
• R. Lammering, S. Mesecke-Rischmann
  Multi-Field Variational Formulations and Related Finite Elements for Piezoelectric Shells
  Smart Mater. Struct. 12 (2003), pp. 904-913
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering, F. Yang
  Advanced Shell Element Formulations for Coupled Electromechanical Systems
  In P. Neittaanmäki, T. Rossi, S. Korotov, E. Oñate, J. Périaux and D. Knörzer (eds.), European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS 2004 (2004)
• F. Yang, S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  Shear-Locking-Free Finite Shell Elements for Piezoelectric Layered Structures
  WCCM VI, Proc. Sixth World Congress on Computational Mechanics (2004)

Vorträge:

• S. Mesecke, R. Lammering
  FE-Formulierungen für piezoelektrische Flächentragwerke
  Jahrestagung der GAMM 2001, Zürich, 12.-15.02.2001
• R. Lammering, T. H. Brockmann, S. Wiesemann, S. Mesecke
  Zur Berechnung adaptiver Strukturen mit piezoelektrischen Wandlern
  Abschlußkolloquium des Innovationskollegs ADAMES, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 17.05.2001
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  Dynamics of Layered Structures with Bonded Piezoelectric Material
  Jahrestagung der GAMM 2002, Augsburg, 25.- 28.03.2002
• R. Lammering, T.H. Brockmann, S. Wiesemann, S. Mesecke
  Adaptive Struktursysteme auf der Basis piezoelektrischer Sensoren und Aktoren
  Mechanik-Kolloquium im Fachbereich Maschinenbau, Universität Kaiserslautern, 04.07.2002
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  Hybrid Finite Element Formulations for Layered Structures with Bonded Piezoelectric Material
  WCCM V, Fifth World Congress on Computational Mechanics, Wien, 07.-12.07.2002
• S. Mesecke-Rischmann, R. Lammering
  FE-Formulation for Nonlinear Piezoelectric Material Behaviour in the Small Signal Range
  International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences ICCES’03, Corfu, 24.-29.07.2003
• R. Lammering, S. Mesecke-Rischmann
  Finite Element Analysis of Piezoelectric Structures with Nonlinear Behavior
  Workshop on Smart Materials and Structures SMART’03, Jadwisin, Poland, 02.-05.09.2003
• R. Lammering, S. Mesecke-Rischmann, F. Yang
  Assumed Strain Shell Elements for Layered Piezoelectric Structures
  Jahrestagung der GAMM 2004, Dresden, 21.-26.03.2004

Lamb-Wellen zur Schadensdetektion in Platten und Schalen

Versteckte Strukturschäden von Flächenbauteilen schnell und effizient zu detektieren ist Gegenstand dieses Forschungsprojekts. Mit Hilfe der Ausbreitungseigenschaften von hochfrequenten elastischen Wellen in dünnwandigen Bauteilen können Rückschlüsse auf vorhandene Defekte gezogen werden. Als besonders geeignet haben sich die über die komplette Bauteildicke wirkenden Lamb-Wellen [1] erwiesen.

Ziel der Arbeiten ist die numerische Simulation der Erzeugung und Ausbreitung von Lamb-Wellen in komplexen Strukturen und die Detektion von Strukturschäden. Im Sinne des Konzepts adaptiver Strukturen soll die Generierung der Wellen mit Hilfe piezoelektrischer Keramiken erfolgen. Für einfache Konfigurationen werden die Berechnungsverfahren analytisch verifiziert [2]. Die Wellen sollen mit Hilfe des Puls-ESPI (Electronic-Speckle-Interferometry)-Verfahrens berührungslos erfasst werden. Daher soll die Erzeugung der Wellen auf die Erfordernisse der Detektion mittels der Speckle-Interferometrie optimiert werden.

Bild 1: Symmetrische Lamb-Wave (Schnitt durch die Platte)

Bild 2: Antimetrische Lamb-Wave (Schnitt durch die Platte)

Literatur:

• H. Lamb
  On Waves in an Elastic Plate
  Proc. of the Roy. Soc. of London, Series A , 114-128, 1917
• V. Giurgiutiu
  Tuned Lamb Wave Excitation and Detection with Piezoelectric Wafer Active Sensors for Structural Health Monitoring
  Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 291-305, 2005

Piezoelektrische Faserverbundwerkstoffe – Dynamik adaptiver rotierender Strukturen

Adaptive Faserverbunde in rotierenden Strukturen

Der piezoelektrische Effekt stellt die Grundlage für Wandlerapplikationen im Hinblick sowohl auf Aktorik als auch auf Sensorik dar. Keramische Materialien vom PZT-typ werden häufig für diese Aufgaben eingesetzt und sind in der Lage einen breiten Frequenzbereich abzudecken. Ihre Fähigkeiten in Hinblick auf die erzielbaren Verschiebungen, die Möglichkeiten der Formgebung und die Widerstandsfähigkeit  gegen Bruch sind begrenzt. Um diese Situation zu verbessern, kann man das piezokeramische Material in Faserform in eine Polymermatrix einbetten. Dabei wird das elektrische Feld parallel zur Polarisierungsrichtung entlang der Fasern durch fingerförmig ineinandergreifende Elektroden aufgebracht. Dieser Aufbau ermöglicht adaptive Strukturen mit hohem Integrationsgrad bezüglich der aktiven, sensorischen und passiven Eigen-schaften. Der den piezoelektrische Faserverbundwerkstoffen innewohnende anisotrope Charakter ermöglicht die Entwurfsoptimierung für spezielle Anforderungen.

Das Verhalten eines solchen  piezoelektrischen Faserverbundes kann aus den Materialeigenschaften seiner Bestandteile und einer Reihe von Geometrie-parametern mit Hilfe eines analytischen Modells abgeleitet werden. Auf Grundlage dieses Wissens können dann einzelne Schichten mit individueller Konfiguration und Ausrichtungen miteinander verbunden werden. Dies geschieht mittels der klassischen Laminationstheorie, die zur Berücksichtigung der piezoelektrischen Kopplungen entsprechend erweitert wurde. Der resultierende mehrschichtige piezoelektrische Faserverbund kann schließlich als Material für die dünnen Wände eines Balkens mit einzelligem Querschnitt verwendet werden. Dabei wird eine schubweiche Balkenformulierung mit zusätzlicher Wölbtorsion genutzt. Für die statische Analyse einer solchen Balkenstruktur läßt sich eine analytische Lösung angeben.

Das oben beschriebene Konzept eines aktiven Balkens kann auf die Rotorblätter eines Hubschraubers angewendet werden, um Lärm und Vibrationen aufgrund verschiedener aeroelastischer Wechsel-wirkungen zu reduzieren. Die effizienteste Möglichkeit zur aktiven Beeinflussung der Blattdynamik liegt in der Ausnutzung der aerodynamischen Kräfte durch die Veränderung des Anstellwinkels. Das Ziel ist somit die Untersuchung des Potentials der aktiv induzierten Torsion und der hierbei anzuwendenden Aktivierungsschemata. Ausgehend von der Kinematik des Rotors und unter Berücksichtigung der speziellen Materialeigenschaften kann mit Hilfe des Prinzips der virtuellen Verrückungen und der Methode der finiten Elemente eine Lösung gewonnen werden. Neben der Abschätzung der Leistungsfähigkeit zur Entwurfsoptimierung kann das entwickelte Modell als Grundlage für Untersuchungen unter Einbeziehung der Regelungstechnik dienen.

Bild 1:
Piezoelektrischer Faserverbund

Bild 2:
Optiale Faserorientierung

Bild 3:
Rotationseinfluß auf Eigenform

Bild 4:
Antwort auf piezoelektrische Erregung

Ansprechpartner:  Dipl.–Ing. T. H. Brockmann, M.S.E. , Prof. Dr.–Ing. R. Lammering

Laufzeit: seit 1999

Vorträge:

• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Finite Beam Elements for Rotating Piezoelectric Fiber Composite Structures
  Second MIT Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics, Cambridge, Massachusetts, USA, 17.-20. Juni 2003
• R. Lammering, T. H. Brockmann
  Modelling and Finite Element Formulation of Piezoelectric Fiber Composite Beams
  Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik 2003, Padua, Italien, 24.-28. März 2003
• T. Brockmann and R. Lammering
  Active Damping of Helicopter Rotor Blades with Piezoelectric Fiber Composites
  2nd International Workshop on Damping Technologies, Stellenbosch, Südafrika, 24.-26. März 2003
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Adaptive Concepts to Reduce Noise and Vibrations of Helicopter Rotors
  13. Arbeitstagung „Anwendungen der Akustik in der Wehrtechnik“, Meppen, 24.-26. Sept. 2002
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Dynamics of Rotating Piezoelectric Fiber Composite Beams
  International Conference on Noise and Vibration Engineering, Leuven, Belgien, 16.-18. Sept. 2002
• R. Lammering, T. H. Brockmann, S. Wiesemann, S. Mesecke
  Adaptive Struktursysteme auf der Basis piezoelektrischer Sensoren und Aktoren
  Mechanik-Kolloquium im Fachbereich Maschinenbau, Universität Kaiserslautern, 4. Juli 2002
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Analysis of Piezoelectric Fiber Composite Structures and Finite Element Validation
  2nd European Conference on Computational Mechanics, Krakau, Polen, 26.-29. Juni 2001
• T. H. Brockmann
  Analysis of Piezoelectric Fiber Composite Beams – Statics
  Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Braunschweig, 7. Juni 2001
• R. Lammering, T. H. Brockmann, S. Wiesemann, S. Mesecke
  Zur Berechnung adaptiver Strukturen mit piezoelektrischen Wandlern
  Abschlußkolloquium des Innovationskollegs ADAMES, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 17. Mai 2001
• T. H. Brockmann
  Strukturmechanische Analyse von piezoelektrischen Faserverbundwerkstoffen
  Seminar über Mechanik und Strömungsmechanik, Universität der Bundeswehr Hamburg, 24. April 2001
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Analysis of Piezoelectric Fiber Composite Beams
  SPIE 8th International Symposium on Smart Structures and Materials, Newport Beach, USA, 4.-8. März 2001
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  An Analytic Approach to Piezoelectric Fiber Composites – Design Study of Active Beams with Closed Cross-Sections
  Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik 2001, Zürich, Schweiz, 12.-15. Feb. 2001
• T. H. Brockmann
  Analytische Betrachtung piezoelektrischer Faserverbundwerkstoffe
  Seminar über Mechanik, Universität der Bundeswehr Hamburg, 18. Mai 2000
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  An Analytic Approach to Piezoelectric Fiber Composites – From Micromechanics Modeling to Beam Behavior
  Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik 2000, Göttingen, 2.-7. April 2000
• T. H. Brockmann
  Adaptives Rotorblatt
  Eurocopter Deutschland GmbH, München, 15. März 1999

Veröffentlichungen:

• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Derivation of Finite Beam Elements for Rotating Piezoelectric Fiber Composite Structures
  Computers & Structures (submitted, 2004)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Finite Beam Elements for Rotating Piezoelectric Fiber Composite Structures
  Computational Fluid and Solid Mechanics 2003, K.J. Bathe (Ed.), Elsevier, Amsterdam (2003).
• R. Lammering and T. Brockmann
  Modelling and Finite Element Formulation of Piezoelectric Fiber Composite Beams
  Proceeding in Applied Mathematics and Mechanics, Bd. 3 (1), pp. 294-295, Weinheim (2003)
• T. Brockmann and R. Lammering
  Active Damping of Helicopter Rotor Blades with Piezoelectric Fiber Composites
  Proceedings of the 2nd International Workshop on Damping Technologies, Stellenbosch (2003)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Adaptive Concepts to Reduce Noise and Vibrations of Helicopter Rotors
  Tagungsband der 13. Arbeitstagung „Anwendungen der Akustik in der Wehrtechnik“, Meppen (2002)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Dynamics of Rotating Piezoelectric Fiber Composite Beams
  Proceedings of the International Conference on Noise and Vibration Engineering (ISMA2002), Leuven (2002)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Analysis of Piezoelectric Fiber Composite Structures and Finite Element Validation
  Proceedings of the 2nd European Conference on Computational Mechanics, Krakau (2001)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  Analysis of Piezoelectric Fiber Composite Beams
  In Smart Structures and Materials 2001: Smart Structures and Integrated Systems, L. Porter Davis (Ed.), Proceedings of SPIE Vol. 4327, pp. 460-471, (2001)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  An Analytic Approach to Piezoelectric Fiber Composites – Design Study of Active Beams with Closed Cross-Sections
  Proceeding in Applied Mathematics and Mechanics, Bd. 1 (1), pp. 139-140, Weinheim (2002)
• T. H. Brockmann, R. Lammering
  An Analytic Approach to Piezoelectric Fiber Composites – From Micromechanics Modeling to Beam Behavior
  Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, Bd. 81 (2), pp. 281-282, Berlin (2001)

Gleisdynamik

Die Entwicklung und der Einsatz moderner Hochgeschwindigkeitszüge in den letzten Jahren gehen mit einer wachsenden Beanspruchung des Fahrwegs einher und machen eine umfassende Analyse des Gesamtsystems, bestehend aus Oberbau und Untergrund, erforderlich.

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms ‚Systemdynamik und Langzeitverhal-ten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund‘ werden am Baugrundversuchsstand des Instituts für Mechanik der Universität der Bundeswehr Hamburg umfangreiche Untersuchungen zum Thema ‚Dynamisches Verhalten von Gleis und Untergrund bei geschädigtem Oberbau‘ durchgeführt.

An diesem Versuchsstand kommen sowohl die klassischen Verfahren der Schwingungsmesstechnik als auch die holografische Interferometrie zur dynamischen Verformungsanalyse zum Einsatz.

Wesentliche Bestandteile des Untersuchungsprogramms sind:

• Bestimmung der strukturdynamischen Eigenschaften der Gleiskomponenten (Bild 1)
• Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Einzelschwellen auf dem Untergrund
  mit und ohne Lagefehlern (Bild 2)
• Erfassung der Schwelleninteraktion bei alleiniger Kopplung über den Boden (Bild 3)
• Messungen bei zusätzlicher Kopplung über die Schienen (Bild 4)
• Untersuchung zum kurzzeitdynamischen Verhalten eines Gleissegments im geschotterten Gleisbett unter dem Einfluss von Schwellenhohllagen (Bild 5)
• Vergleich mit in-situ Experimenten (Bild 6)
• Vergleich mit numerischen Ergebnissen (Bild 7)

Bild 1

Bild 2

Bild 3

Bild 4

Bild 5

Bild 6

Bild 7

Alle Versuche werden im Maßstab 1:1 durchgeführt. Ziel der Untersuchungen ist es, anhand der Ergebnisse die Auswirkung von Bettungssteifigkeiten und Schwellenhohllagen als Folge von Langzeitschädigungen und den Einfluss von Nichtlinearitäten auf die Kurzzeitdynamik und Schwelleninteraktion zu bewerten. Neben den Ankopplungsbedingungen der Schwelle, der Frequenz und der Anregungsamplitude sind die statische Vorlast, der Anregungsort und die Richtung der dynamischen Last wichtige Versuchsparameter. Die im Labor gewonnenen experimentellen Daten werden mit denen aus in-situ Messungen abgeglichen und dienen darüber hinaus der Verifizierung theoretischer Modelle, die im Rahmen des Schwerpunktprogramms entwickelt werden.

Ansprechpartner: Dr.–Ing. Michael Plenge

Publikationen:

• M. Plenge, R. Lammering
  The Dynamics of Railway Track and Subgrade with Respect to Deteriorated Sleeper Support
  In: K. Popp and W. Schiehlen (Eds.): System Dynamics and Long-Term Behavior of Railway Vehicles, Track, and Subgrade. Lecture Notes in Applied Mechanics, Springer Verlag, to appear 2002
• R. Lammering, M. Plenge
  Traffic Induced Wave Propagation in Inhomogeneous Soils
  Submitted to: Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 2001
• R. Lammering, M. Plenge
  Experimentelle Untersuchungen zur Beeinflussung der Wellenausbreitung im Gleisoberbau infolge von Langzeitschädigungen
  Tagungsband zur 12. Tagung Anwendung der Akustik in der Wehrtechnik, Meppen, 26.-28.9.2000
• M. Plenge, R. Lammering
  Änderung des Schwingungsverhaltens des Gleisoberbaus unter Vertikal- und Lateralanregung infolge von Gleislagefehlern
  VDI-Berichte Nr. 1568, Dynamik von Fahrzeug und Fahrweg, 41 – 64, 2000
• R. Lammering, M. Plenge
  Investigations on Railway Tracks with Special Emphasis on Partially Unsupported Sleepers due to Voids
  Engineering Transactions, 48, 3, 293-307, 2000
• M. Plenge, R. Lammering
  Vibration Analysis of Railway Tracks by Holographic Interferometry
  Proc. 7th International User Meeting Ettemeyer GmbH, Neu-Ulm, 3-19, 2000
• M. Plenge, R. Lammering
  Dynamisches Verhalten von Gleis und Untergrund bei geschädigtem Oberbau
  Zwischenbericht zum DFG – Forschungsvorhaben LA 1067/2-1 im DFG – Schwerpunktprogramm Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund, August 1999

Beurteilung der Wirksamkeit von Schwingungsisolierungsmaßnahmen

Bauwerkserschütterungen werden durch Maschinenbetrieb im Bauwerk oder einlaufende Bodenwellen verursacht, die z.B. durch Verkehr, Industrieanlagen, Bautätigkeit o.ä. generiert werden. In einem dicht besiedelten Gebiet hat die Erschütterungsquelle aufgrund ihrer geringen Entfernung große Wirkung. Übermäßige Bauwerkser-schütterungen können nicht nur zu Bauwerksschäden führen, sondern auch schwingungsempfindliche Anlagen und das Wohlbefinden des Menschen beeinträchti-gen. Zur Vermeidung oder Reduzierung von Bodenwellen bedarf es einer richtigen Vorhersage der auftretenden Erschütterungen, geeigneter Auslegung von Bauwerken oder Maßnahmen an der Erschütterungsquelle, am Übertragungsweg Baugrund oder am Bauwerk.

Unterschiedliche Maßnahmen zur Abschirmung von Bodenwellen werden untersucht:

• auf die Baugrundoberfläche platzierte Nachbarfundamente unterschiedlicher Geometrie
• in den Boden eingebettete horizontale Platten (VIB: Vibration impeding bodies)
• in den Boden eingelassene Schlitze (verfüllt und unverfüllt)
• in den Boden eingebrachte senkrechte Platten oder Gasmatten
• in den Boden eingebrachte Pfahl-/Rohrreihen
• Wälle und Gräben
• Flexible Abschirmbauwerke

Ansprechpartner: Dr.–Ing. Michael Plenge

Publikationen:

• M. Plenge, B. Verbic, L. Gaul
  Theoretische und experimentelle Analyse der Schwingungsiso-lierung von Strukturen mit Hilfe von in Boden eingebetteten Platten
  D-A-CH-Tagung `Aktuelle Probleme des Erdbebeningenieurswesens und der Baudynamik´, Hrsg. K. Kernbichler, Graz (1996), 57-71
• L. Gaul, M. Plenge, B. Verbic
  Optoelectric Measurement and Boundary Element Calculation of Vibration Isolation for Machine Foundations on Soil
  ZAMM 77 (1997) Suppl. 2, S485-S488

Detektion von Baugrundinhomogenitäten

Durch Schwingungsanregung des Baugrundes breiten sich vom Anregungsort Wellen in den Boden und an seiner Oberfläche aus. Bei ungestörter Wellenfortpflan-zung bildet sich um den Schwingungserreger ein kreisförmiges Oberflächenwellen-feld aus. Ist in dem Boden jedoch ein Störkörper eingebettet, so ergeben sich an diesen Orten Störungen der konzentrischen Wellen.

Die Amplituden der Oberflächenwelle des Erdreiches und der Störwellen durch den eingebetteten Körper sind so gering, dass sie nur mit Mitteln der optischen Messtechnik (Wellenoptik) detektiert werden können. Die Ortung der Störkörper erfolgt durch Anwendung der holografischen Interferometrie, die den interessierenden Flächenausschnitt von oben holografisch vermisst und die Verformungen im Erdreich in Form von Höhenlinien darstellt. Dadurch kann die Lage und Form von Störkörpern im Erdreich eindeutig erfasst werden. Ein aufgefundener Störkörper ist gegebenenfalls im Anschluss daran als Mine zu identifizieren.

Ansprechpartner:  Dr.–Ing. Michael Plenge

Publikationen:

• L. Gaul, M. Plenge
  Progress in 3D BE Calculations and Optoelectronic Measurements of Soil-Structure Interaction
  In Banerjee, P. K. and Kobayashi, S. (Eds.):  Advanced Dynamic Analysis by Boundary Element Methods. Elsvier, 1992
• L. Gaul, M. Plenge
  Berechnung und Messung von Körperschallausbreitungen- Identifikation bodenverlegter Störkörper
  7. Arbeitstagung `Anwendungen der Akustik in der Wehrtechnik´, Hrsg. K. Nixdorf, Meppen (1990), 180-201

Anwendungen von Formgedächtnislegierungen mit pseudoelastischem Materialverhalten bei dynamischer Belastung

Die mechanische Hysterese, die in Spannungs-Dehnungs-Diagrammen von Formgedächtnislegierungen sichtbar wird, führt zu einer hohen Material-dämpfung. Der Flächeninhalt der Hysterese ist ein Maß für die während eines Lastzyklusses dissipierte Energie. Dieser Effekt, der in Kombination mit dem Formgedächtniseffekt und der Pseudoelastizität auftritt, findet erst seit wenigen Jahren Beachtung.

Form und Größe der Hysteresen und damit auch die Dämpfungskapazität des Materials hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zuerst ist die Temperatur zu nennen, die das Materialverhalten sehr empfindlich beeinflußt (Bild 1). Darüber hinaus spielen jedoch auch Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozeß und Wärmebehandlung, Dehnungsamplitude (Bild 2), Belastungsgeschwindigkeit, Verteilung der einzelnen Phasen und die Lastgeschichte eine wichtige Rolle. Anwendungen zur Nutzung der Dämpfung existieren bisher nur auf dem Gebiet des Bauwesens in Form von Elementen zur erdbebensicheren Lagerung von Gebäuden.

Bild 1:
Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften von Nickel-Titan-Draht im Zugversuch   

Bild 2:
Amplitudenabhängigkeit der Eigenschaften

Prüfung weiterer Einsatzmöglichkeiten von pseudoelastischen Formgedächtnislegierungen unter Ausnutzung ihrer Dämpfung werden verschiedene Experimente an Bauteilen aus NiTi durchgeführt. Bild 3 zeigt beispielhaft einen Feder-Masse-Schwinger mit NiTi-Federn. Erste Ergebnisse zeigen, daß NiTi bei einer Belastung im Bereich der Umwandlungsspannung (Ausnutzung der Pseudoelastizität) eine stark amplitudenabhängige Dämpfung aufweist. Die Übertragungsfunktionen in Bild 4 wurden aus der Beschleunigung der Masse und der anregenden Kraft bestimmt. Als Kurvenparameter ist die Beschleunigungsamplitude angegeben.

Bild 3:
Versuchsaufbau des Feder-Masse-Schwingers

Bild 4:
Übertragungsfunktionen bei Variation der Erregeramplitude

Ansprechpartner:  Dr.–Ing. Ina Schmidt

Publikationen:

• I. Schmidt
  Untersuchungen zur Dämpfungskapazität superelastischer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen
  Helmut-Schmidt-Universität, Universität der Bundeswehr Hamburg, Bericht aus dem Institut für Mechanik, 2004
• I. Schmidt, R. Lammering
  Experimental Investigations on the Damping Behaviour of Superelastic NiTi
  Journal de Physique IV, 115, 11-20, 2004
• I. Schmidt, R. Lammering
  The damping behaviour of superelastic NiTi components
  Materials Science and Engineering A, 378, 70-75, 2004
• R. Lammering, I. Schmidt
  Experimental investigations on the damping capacity of NiTi components
  Smart Materials and Structures, 10, 853-859, 2001
• I. Schmidt, R. Lammering
  Dynamisches Verhalten einer superelastischen NiTi – Legierung
  Technische Mechanik, 20, 51-60, 2000
• R. Lammering, I. Schmidt
  The Damping Capacity of Shape Memory Alloys and its Use in the Development of Smart Structures
  In: Gabbert, U.; Tzou; H.S. (Eds.) IUTAM – Symposium on Smart Structures and Structronic Systems, pp. 121-128, Kluwer Acad. Pub., Dordrecht, 2001
• I. Schmidt, R. Lammering
  Pseudoelastic NiTi – Alloys under Cyclic Loading. Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik
  Proc. of GAMM 1999, 453-454, 2000

Vorträge:

• R. Lammering, I. Schmidt
  The Damping Capacity of Shape Memory Alloys and its Use in the Development of Smart Structures
  IUTAM – Symposium on Smart Structures and Structronic Systems, Magdeburg, 27.09.2000
• R. Lammering, I. Schmidt, S. Wiesemann
  Adaptive Struktursysteme auf der Basis von Formgedächtnislegierungen und Piezoelektrika
  Seminar Mechanik und Graduiertenkolleg Meerestechnische Konstruktionen. Technische Universität Hamburg-Harburg, 31.01.2000
• R. Lammering, I. Schmidt
  Zum Dämpfungsverhalten pseudoelastischer Formgedächtnislegierungen
  Seminar im SFB „Formgedächtnistechnik“, Ruhr-Universität Bochum, 24.10.2000
• I. Schmidt, R. Lammering
  Pseudoelastic NiTi – Alloys under Cyclic Loading
  Jahrestagung der GAMM 1999, Metz, 13.04.1999

Load Monitoring

In den letzten Jahren wird bei der Fertigung moderner Verkehrsmittel (Flugzeuge, Sattelauflieger) verstärkt die Integralbauweise eingesetzt. Um das damit verbundene, gegenüber der Differentialbauweise schlechtere Fail-Save-Verhalten kompensieren zu können, ist ein wesentlich höherer Inspektionsaufwand erforderlich. Doch gerade bei modernen Materialien wie Faserverbundwerkstoffen sind die klassischen Verfahren (Ultraschall-, Wirbelstromprüfung) entweder gar nicht oder nur unter unangemessenem Aufwand einsetzbar.

Angelehnt an das in letzter Zeit häufig diskutierte aktive Structural-Health-Monitoring soll hier ein rein passiv arbeitendes Load-Monitoring an 3D-Bauteilen realisiert werden.

Durch Überwachung von Komponenten mittels piezokeramischer Sensoren sollen Aussagen über die Belastungen, gegebenenfalls erforderliche Wartungen und die Restlebensdauer von Bauteilen, beispielsweise nach Stössen, möglich werden. Zeit- und kostenintensive Wartungszyklen können so optimiert werden.

Ansprechpartner: Dr.–Ing. A. Ungethüm

Bestimmung der effektiven Eigenschaften von Polymeren mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben in den letzten Jahren besondere Bedeutung erlangt. Ihre extreme Steifigkeit mit E-Moduln von bis zu 1 TPa und Zugfestigkeiten, die das 20-fache der Werte von hochfesten Stählen betragen, bei gleichzeitig sehr hoher Bruchdehnung, prädestinieren sie für den Einsatz zur Verstärkung von Kunststoffen.

Bei gleichem Volumengehalt haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Vergleich zu Fasern, deren Durchmesser im Mikrometerbereich liegen, wesentlich größere Grenzflächen mit der Matrix. Außerdem sind sie nach einer geeigneten chemischen Aktivierung (Funktionalisierung) in der Lage, die Eigenschaften der sie umgebenden Polymere zu verändern. Dieses führt zu einer weit größeren Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe als sich durch gegenwärtig verfügbare mikromechanische Modelle darstellen lässt.

Ziel der Forschungsarbeiten ist daher die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung und konstitutiven Beschreibung von Verbundwerk­stoffen, die aus einer Polymermatrix mit eingebetteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen  bestehen. Dabei sollen auch die mechanischen Eigenschaften bei Belastungen oberhalb des elastischen Bereichs berücksichtigt werden.

DFG-Gemeinschaftsprojekt: Integrierte Bauteilüberwachung in Faserverbunden durch Lambwellenanalyse
In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit der integrierten Bauteilüberwachung in Faserverbunden durch Analyse von Lambwellen nach deren gezielter Anregung durch piezokeramische Flächenaktuatoren. In Leichtbaukonstruktionen des Flugzeugbaus, des Schiffbaus und des Bauingenieurwesens finden sich oft stringerversteifte platten- oder schalenartige Tragwerke, die zunehmend in Faserverbundbauweise ausgeführt werden. Um Schäden an diesen Leichtbaukonstruktionen rechtzeitig erkennen und um Wartungsintervalle der tatsächlichen Beanspruchung anpassen zu können, werden in diesem Projekt Methoden zur Strukturüberwachung erforscht.

Wegen der Gefahr äußerlich nicht sichtbarer Schäden im Laminat kommt der integrierten Bauteilüberwachung gerade für Faserverbundbauteile eine zentrale Bedeutung. Die Analyse der Ausbreitung von hochfrequenten elastischen Wellen (Lambwellen) ist wegen ihrer hohen Sensitivität bezüglich Schäden vielversprechend. Eine effektive und kostengünstige Möglichkeit der Anregung von Lambwellen und der Messung ihrer Ausbreitung ermöglichen piezokeramische Flächenaktuatoren und -sensoren, die auf die zu untersuchenden Faserverbundbauteile in Form eines Netzwerkes appliziert oder integriert werden. Ein System zur integrierten Bauteilüberwachung ist in der nebenstehenden Abbildung skizziert.

Das Forschungsprojekt wird an der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg, der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Forschungszentrum Braunschweig bearbeitet. Es ist in 5 Teilprojekte untergliedert, die im Folgenden mit den Teilprojektleitern aufgeführt sind:

Teilprojekt 1:
Experimentelle Analyse und quantitative Beschreibung der Lambwellenausbreitung und -wechselwirkung mit innen liegenden Schäden

Leitung: Prof. Dr.–Ing. habil. Gerhard Mook, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Teilprojekt 2:
Selektive Anregung, Empfang und Auswertung von symmetrischen oder antisymmetrischen Lambwellenmoden

Leitung: Prof. Dr.–Ing. Michael Sinapius, Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Teilprojekt 3:
Modellierung des Verbundes Aktuator/Struktur und Sensor/Struktur und der Wirkung der Ankopplung auf die Wellenausbreitung in der ungeschädigten Struktur

Leitung: Prof. Dr.–Ing. habil. Dr. h.c. Ulrich Gabbert, Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Teilprojekt 4:
Modellierung der Ausbreitung von Lambwellen in Faserverbundkonstruktionen und Untersuchungen an generischen Schäden

Leitung: Prof. Dr.–Ing. Rolf Lammering, Institut für Mechanik, Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg

Teilprojekt 5:
Erforschung des inversen Zusammenhanges zwischen Sensorsignal und Strukturschaden: Mathematische Modellbildung, Analyse und Entwicklung von stabilen, numerischen Lösungsverfahren

Leitung: Prof. Dr. rer. nat. Thomas Schuster, Arbeitsgruppe für Numerische Mathematik, Universität des Saarlandes

DFG-Gemeinschaftsprojekt: Qualifizierung von funktionsintegrierten Vorschubeinheiten auf Basis von nachgiebigen Mechanismen in kleinen Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke
In diesem Projekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird, soll ein ganzheitliches Konzept zur Entwicklung von innovativen Vorschubeinheiten für kleine Werkzeugmaschinen entstehen. Die Forderung nach hochpräzisen und reibungsarmen Maschinen für die Vorschub- und Positioniertechnik kann durch Ingenieurlösungen basierend auf herkömmlichen Rotationsgelenken nicht befriedigt werden. Aussichtsreich ist stattdessen die Anwendung von nachgiebigen Mechanismen, die eine definierte Bewegung durch die elastische Verformung bestimmter Bereiche (den sogenannten elastischen Festkörpergelenken) zulässt. Elastische Festkörpergelenke sind nahezu reibungsfrei, haben kein Lagerspiel und arbeiten fast verschleißfrei. Diese Eigenschaften verleihen nachgiebigen Mechanismen eine enorme Präzision und qualifizieren die Technik für den Einsatz in der Mikrofertigung.

Bei der Entwicklung von nachgiebigen Mechanismen müssen jedoch einige Hürden über-wunden werden, denn eine einheitliche Entwicklungsmethodik existiert noch nicht. Die Pro-blematik berührt Aspekte der Mechanik, der Mathematik und der Fertigungstechnik, weswegen dieses Projekt durch ein interdisziplinär aufgestelltes Forscherteam bearbeitet wird.

Die Mechanik beschäftigt sich mit der Topologieerzeugung, d.h. mit der optimalen Verteilung von Material im Designraum, um den ersten Entwurf eines Mechanismus zu erhalten. Außerdem steht die Optimierung der geometrischen Form der elastischen Festkörpergelenkeim Fokus der Forschung. Diese Geometrie prägt das statische und dynamische Strukturverhal-ten und bestimmt somit die maximal zulässige Verformung des Mechanismus.  Des Weiteren ist die Modellierung, sowohl von einzelnen elastischen Festkörpergelenken, als auch des gesamten Mechanismus, ein wichtiger Bestandteil der Forschungsarbeit und dient als Grundlage für alle darauffolgenden Entwicklungsschritte.

In der Mathematik wird die Bewegungskurve des Werkzeuges untersucht. Die Arbeit wird es ermöglichen, durch eine verbesserte Ansteuerung der Aktuatoren die Vorschubbewegung effizienter zu gestalten und dabei die Bearbeitungszeit von Werkstücken zu verkürzen. Auf der fertigungstechnischen Seite steht die Umsetzung der vorangegangenen Entwicklungsschritte in eine schnelle und robuste Regelung im Zentrum der Bemühungen. Diese soll eventuelle Störungen durch Prozesskräfte bei der Bearbeitung ausgleichen und für verschiedene Werkzeuge einfach konfigurierbar sein.

Mit Hilfe der dargestellten Entwicklungsschritte  wird es möglich werden völlig neue Klassen von kleinen, modularen Werkzeugmaschinen zügig und bedarfsgerecht bereitzustellen. Es wird erwartet, dass diese neuen Maschinen erhebliche technische, ökonomische und ökologische Vorteile besitzen.

Ansprechpartner: M.Eng. Malte Rösner, Dipl.–Ing. Robert Friedrich

Projektpartner:

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg, Laboratorium für Fertigungstechnik:

Prof. Dr.–Ing. J.-P. Wulfsberg

Universität des Saarlandes, Professur für Numerische Mathematik:

Prof. Dr. rer. nat. T. Schuster

Untersuchung nichtlinearer Ausbreitungseigenschaften von Lamb-Wellen zur Bestimmung der Werkstoffdegradation
Auf Grund der deutlich besseren Steifigkeit- zu Gewicht- und Festigkeit- zu Gewichtsverhältnisse haben Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen vor allem in gewichtsrelevanten Bereichen wie dem Flugzeugbau an Bedeutung kontinuierlich zugenommen. Von entscheidender Bedeutung bei der Verwendung dieser Werkstoffe ist die rechtzeitige Entdeckung und Beurteilung vor allem von äußerlich nicht sichtbaren Schädigungen der Struktur.

Für diese Art der Bauteilüberwachung eignen sich besonders die Ausbreitungseigenschaften von elastischen Wellen (Lamb-Wellen). In diesem Projekt werden dazu die nichtlinearen Ausbreitungseigenschaften mit dem Schwerpunkt auf dem akustischen Nichtlinearitätsparameter β untersucht. Der Vorteil der nichtlinearen Ausbreitungseigenschaften gegenüber den linearen Ausbreitungseigenschaften liegt in der höheren Sensibilität in Bezug auf mikromechanische Werkstoffschädigungen, wie Faser- bzw. Matrixrissen und Delaminationen, und damit der Werkstoffdegradation.

Dabei geht das Modell der nichtlinearen Wellenausbreitung davon aus, dass bei monofrequenter Anregung zusätzlich Wellen entstehen, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Anregungsfrequenz ist (vgl. Schaubild). Diese zusätzlichen Wellen entstehen an Mikroschädigungen in dem Ausbreitungsmedium. Anhand der Amplituden der Welle mit der Anregungsfrequenz und einer der zusätzlich entstandenen Wellen kann die Nichtlinearität des Bauteils und damit ein Maß für die Werkstoffdegradation ermittelt werden. Dieser Parameter wird als akustischer Nichtlinearitätsparameter bezeichnet.

Ansprechpartner: Dr.–Ing. Natalie Rauter

Landesforschungsförderung Hamburg: Health-Monitoring von Faserverbundstrukturen mit Hilfe von Sensorarrays
Inhalt des Projektvorhabens

Faserverbundwerkstoffe weisen sehr gute spezifische Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf und werden vorteilhaft im Leichtbau verwendet. Da die Kenntnisse über die Schadensentstehung und -entwicklung jedoch noch lückenhaft sind, müssen Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen regelmäßig hinsichtlich ihres Schädigungszustands aufwändig inspiziert werden. Ziel des Vorhabens ist eine neuartige in situ Überwachung von Faserverbundstrukturen durch den Einsatz funktionaler Werkstoffe in Kombination mit elektrischen Leiterbahnen. Sie sollen strukturintegrierte Sensorarrays in großflächigen Faserverbundstrukturen bilden. Die Dickschichttechnik ermöglicht das Aufbringen der zahlreichen Sensorelemente und führt zu einer hohen Strukturauflösung sowie einem geringen Schichtauftrag. In Verbindung mit modernen Inkjet-Druckverfahren, lassen sich die Sensorarrays nahezu beliebig konfigurieren und auch auf nichtebene Flächen berührungslos aufbringen.

Projektbeginn und -dauer

1. Januar 2015, Laufzeit 3 Jahre

Beteiligte Partner

Technische Universität Hamburg-Harburg:

Univ.-Prof. Dr.–Ing. Bodo Fiedler (stv. Sprecher), Institut für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg:

Univ.-Prof. Dr.–Ing. Holger Göbel, Professur für Elektronik

Dr.–Ing. Vico Haverkamp, Institut für Automatisierungstechnik

Univ.-Prof. Dr.–Ing. Rolf Lammering (Sprecher), Institut für Mechanik