Fehlererkennung mittels Eigenfrequenzanalyse bei...
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Fehlererkennung mittels Eigenfrequenzanalyse bei mehrschichtigen Faserverbundwerkstoffen C. A. Geweth 1 , F. Saati Khosroshahi 1 , K. Sepahvand 1 , C. Kerkeling 2 und S. Marburg 1 1 TechnischeUniversit¨atM¨ unchen, Lehrstuhl f¨ ur Akustik mobiler Systeme 85748 Garching bei M¨ unchen, Deutschland, Email: [email protected] 2 Honda R&D Europe (Deutschland) GmbH, Carl-Legien-Strasse 30, 63073 Offenbach Einleitung Durch die Nachfrage nach steigender Effizienz in Ferti- gungsprozessen und steigenden Qualit¨ atsanforderungen wird es immer wichtiger, die Qualit¨ at von Bauteilen bereits w¨ ahrend des Fertigungsprozesses zu ¨ uberpr¨ ufen. Da zerst¨ orende Pr¨ ufverfahren weder eine vollst¨ andige ¨ Uberpr¨ ufung aller gefertigten Bauteile zulassen und nur eine begrenzte Aussage ¨ uber die verbauten Komponenten zulassen, bieten sich f¨ ur Kontrollen an einer Fertigungs- straße zerst¨ orungsfreie Pr¨ ufverfahren an. Bei schwin- gungsbasierten Methoden werden Abweichungen im Fer- tigungsprozess mittels ¨ Anderungen der strukturdynami- schen Antwort eines Bauteils auf eine bekannte An- regung detektiert. Dabei erlaubt dieses Verfahren ge- gen¨ uber anderen Methoden wie beispielsweise Ultraschall die ¨ Uberpr¨ ufung von Sch¨ adigungen innerhalb schwer zug¨ anglicher Bereiche. Verschiedene Arbeiten zu dieser Methode wurden bereits ver¨ offentlicht [1–5]. In dieser Studie wird die M¨ oglichkeit zur experimen- tellen Schadensdetektion bei mehrschichtigen Faserver- bundbauteilen untersucht. Dabei werden die gemessen Eigenfrequenzen der Gutteile mit denen der besch¨ adigten Bauteile verglichen. Pr¨ ufk¨ orper und experimenteller Aufbau Es wurden f¨ unf mehrlagige Faserverbundbauteile unter- sucht. Diese U-f¨ ormigen Proben (siehe Abbildung 1) haben eine Masse von m ≈ 1.86kg, eine L¨ ange von l = 600mm, eine Breite von b = 395mm sowie eine H¨ ohe von h = 130mm. Abbildung 1: Nennmaße der Proben Tabelle 1 stellt die eingebrachten Fehlertypen dar. Bei zwei Pr¨ ufk¨ orpern wurde durch gezieltes Einbringen von PTFE-Folie im ¨ Ubergang zwischen Grundfl¨ ache und Flanke ein delaminierter Bereich erzeugt. Im dritten de- fekten Pr¨ ufk¨ orper wurde das Harz mit unzureichendem Druck injiziert. Diese Probe weist daher eine etwas ge- ringere Masse auf. Tabelle 1: Pr¨ ufk¨ orper Probe Schaden Pr1 ok Kein Schaden Pr2 ok Kein Schaden Del 10mm 10mm breite Delamination Del 25mm 25mm breite Delamination Druck Unvollst¨ andige Infiltration durch zu geringen Fertigungsdruck Zum Messen der ¨ Ubertragungsfunktionen ist eine frei- freie Lagerung der Proben durch eine m¨ oglichst weiche Aufh¨ angung im reflexionsarmen Raum angen¨ ahert wor- den. Es wurden zwei Messreihen mit unterschiedlichen Anregungsarten durchgef¨ uhrt. Bei der ersten sind die Proben ¨ uber einen Shaker mit einem PseudoRandom an- geregt worden. Hierbei wurde der Frequenzbereich bis f max = 400Hz ausgewertet. In der zweiten Messreihe sind die Bauteile mit einem weißen Rauschen ¨ uber einen Lautsprecher im Frequenzbereich von f min = 150Hz bis f max = 1300Hz angeregt worden. Die Strukturant- wort der Innenfl¨ ache wurde in beiden Messreihen von einem Laserscanningvibrometer (LSV) erfasst, das Ant- wortverhalten der Flanken ist nicht gemessen worden. Abschließend wurden mit ME‘ScopeVES TM die Eigen- schwingungsformen und Eigenfrequenzen bestimmt. Ergebnisse Der Vergleich zwischen den beiden Anregungsarten zeigt, dass die Eigenfrequenzen bei der Shakeranregung im Durchschnitt um 0.6% geringer sind als bei der Anre- gung durch den Lautsprecher. Als Hauptursache f¨ ur diese Abweichung wird an dieser Stelle die zus¨ atzliche Masse durch des Kraftsensors angenommen [6]. Unterschiede in den Schwingungsformen sind zwischen den beiden Anre- gungsarten nicht festzustellen. Bei beiden Anregungsarten ist erkennbar, dass die mei- sten ermittelten Eigenfrequenzen der besch¨ adigten Pro- ben eine niedrigere Frequenz aufweisen als die beiden Gutteile. Das l¨ asst auf eine geringere Steifigkeit der Bau- DAGA 2016 Aachen 1066
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Fehlererkennung mittels Eigenfrequenzanalyse bei mehrschichtigen
Faserverbundwerkstoffen
C. A. Geweth1, F. Saati Khosroshahi1, K. Sepahvand1, C. Kerkeling2 und S. Marburg11 Technische Universität München, Lehrstuhl für Akustik mobiler Systeme
85748 Garching bei München, Deutschland, Email: [email protected] Honda R&D Europe (Deutschland) GmbH, Carl-Legien-Strasse 30, 63073 Offenbach
Einleitung
Durch die Nachfrage nach steigender Effizienz in Ferti-gungsprozessen und steigenden Qualitätsanforderungenwird es immer wichtiger, die Qualität von Bauteilenbereits während des Fertigungsprozesses zu überprüfen.Da zerstörende Prüfverfahren weder eine vollständigeÜberprüfung aller gefertigten Bauteile zulassen und nureine begrenzte Aussage über die verbauten Komponentenzulassen, bieten sich für Kontrollen an einer Fertigungs-straße zerstörungsfreie Prüfverfahren an. Bei schwin-gungsbasierten Methoden werden Abweichungen im Fer-tigungsprozess mittels Änderungen der strukturdynami-schen Antwort eines Bauteils auf eine bekannte An-regung detektiert. Dabei erlaubt dieses Verfahren ge-genüber anderen Methoden wie beispielsweise Ultraschalldie Überprüfung von Schädigungen innerhalb schwerzugänglicher Bereiche. Verschiedene Arbeiten zu dieserMethode wurden bereits veröffentlicht [1–5].In dieser Studie wird die Möglichkeit zur experimen-tellen Schadensdetektion bei mehrschichtigen Faserver-bundbauteilen untersucht. Dabei werden die gemessenEigenfrequenzen der Gutteile mit denen der beschädigtenBauteile verglichen.
Prüfkörper und experimenteller Aufbau
Es wurden fünf mehrlagige Faserverbundbauteile unter-sucht. Diese U-förmigen Proben (siehe Abbildung 1)haben eine Masse von m ≈ 1.86kg, eine Länge vonl = 600mm, eine Breite von b = 395mm sowie eine Höhevon h = 130mm.
Abbildung 1: Nennmaße der Proben
Tabelle 1 stellt die eingebrachten Fehlertypen dar. Beizwei Prüfkörpern wurde durch gezieltes Einbringen vonPTFE-Folie im Übergang zwischen Grundfläche undFlanke ein delaminierter Bereich erzeugt. Im dritten de-
fekten Prüfkörper wurde das Harz mit unzureichendemDruck injiziert. Diese Probe weist daher eine etwas ge-ringere Masse auf.
Tabelle 1: Prüfkörper
Probe Schaden
Pr1 ok Kein SchadenPr2 ok Kein Schaden
Del 10mm10mm breiteDelamination
Del 25mm25mm breiteDelamination
DruckUnvollständige
Infiltration durch zugeringen Fertigungsdruck
Zum Messen der Übertragungsfunktionen ist eine frei-freie Lagerung der Proben durch eine möglichst weicheAufhängung im reflexionsarmen Raum angenähert wor-den. Es wurden zwei Messreihen mit unterschiedlichenAnregungsarten durchgeführt. Bei der ersten sind dieProben über einen Shaker mit einem PseudoRandom an-geregt worden. Hierbei wurde der Frequenzbereich bisfmax = 400Hz ausgewertet. In der zweiten Messreihesind die Bauteile mit einem weißen Rauschen über einenLautsprecher im Frequenzbereich von fmin = 150Hzbis fmax = 1300Hz angeregt worden. Die Strukturant-wort der Innenfläche wurde in beiden Messreihen voneinem Laserscanningvibrometer (LSV) erfasst, das Ant-wortverhalten der Flanken ist nicht gemessen worden.
Abschließend wurden mit ME‘ScopeVESTM
die Eigen-schwingungsformen und Eigenfrequenzen bestimmt.
Ergebnisse
Der Vergleich zwischen den beiden Anregungsarten zeigt,dass die Eigenfrequenzen bei der Shakeranregung imDurchschnitt um 0.6% geringer sind als bei der Anre-gung durch den Lautsprecher. Als Hauptursache für dieseAbweichung wird an dieser Stelle die zusätzliche Massedurch des Kraftsensors angenommen [6]. Unterschiede inden Schwingungsformen sind zwischen den beiden Anre-gungsarten nicht festzustellen.Bei beiden Anregungsarten ist erkennbar, dass die mei-sten ermittelten Eigenfrequenzen der beschädigten Pro-ben eine niedrigere Frequenz aufweisen als die beidenGutteile. Das lässt auf eine geringere Steifigkeit der Bau-
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teile durch die Defekte schließen. Bei der vom Harz unzu-reichend infiltrierten Probe
”Druck“ überwiegt der Stei-
figkeitsverlust bei nahezu allen Moden den Einfluss derum etwa ∼ 80g geringeren Masse.
%
Frequenzabweichung
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Pr1Pr2
Del10mm
Del25mm
Druck
Pr1Pr2
Del10mm
Del25mm
Druck
Mode 6 Mode 11
Abbildung 2: Eigenfrequenzen der sechsten und elften Mode
In Abbildung 2 sind die Abweichungen der Proben zur ge-mittelten Eigenfrequenz der beiden Gutteile für die sech-ste (f06 = 178.9Hz) sowie der elften (f11 = 355.2Hz)Mode dargestellt. Der grau hinterlegte Bereich zeigt dieStreuung der beiden Gutteile. Erkennbar ist, dass die Ei-genfrequenzen der beiden stärker geschädigten Proben
”Del 25mm“ und
”Druck“ um mehr als zwei Prozent von
der gemittelten Eigenfrequenz abweichen.
Abbildung 3: Schwingungsform der sechsten (links) und derelften (rechts) Mode
Lediglich die Probe”Del 10mm“ ist bei diesen beiden
Moden anhand der Eigenfrequenzen nicht eindeutig vonden beiden Gutteilen zu unterscheiden.Der Vergleich der Eigenschwingungsformen (siehe Abbil-dung 3) zeigt, dass sich die Anzahl der Knotenlinien undSchwingungsbäuche über die Breite des Bauteils sich vonder sechsten zur elften Mode um jeweils eins erhöht.
Abbildung 4: Schwingungsform der zwölften (links) und der20. (rechts) Mode
Für die Schwingungsformen (siehe Abbildung 4) derzwölften (f12 = 371.4Hz) und der 20. Mode(f20 = 588.5Hz) ist ebenfalls, wie in Abbildung 5 gezeigt,ein Frequenzabfall der beiden stärker geschädigten Pro-ben
”Del 25mm“ und
”Druck“ erkennbar. Die häufig ge-
ringere Eigenfrequenz dieser beiden Proben zeigt, dasseine Identifikation der Schädigungen über die Schwin-gungsanalyse möglich ist.
%
Frequenzabweichung
-2.5
-2.0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
Pr1Pr2
Del10mm
Del25mm
Druck
Pr1Pr2
Del10mm
Del25mm
Druck
Mode 12 Mode 20
Abbildung 5: Eigenfrequenzen der zwölften und 20. Mode
Die Ursachen für die in Relation zu den Gutteilen höhereEigenfrequenz der Probe
”Del 10mm“ ist bisher noch
nicht eindeutig geklärt.
Zusammenfassung
Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse deuten daraufhin, dass eine zerstörungsfreie Schadensdetektion mittelsSchwingungsanalyse an Faserverbundteilen möglich ist.Die Robustheit des Verfahrens ist durch weitere stati-stische Untersuchungen zu verifizieren. Im Rahmen ei-ner derartigen Studie ist zu untersuchen, ob die Probe
”Del 10mm“ als geschädigt erkennbar ist.
Literatur
[1] Graham ML Gladwell. Inverse problems in vibration.Applied Mechanics Reviews, 39(7):1013–1018, 1986.
[2] Michael I Friswell. Damage identification using inver-se methods. Philosophical Transactions of the RoyalSociety of London A: Mathematical, Physical and En-gineering Sciences, 365(1851):393–410, 2007.
[3] A. Alvandi and C. Cremona. Assessment of vibration-based damage identification techniques. Journal ofSound and Vibration, 292(1–2):179 – 202, 2006.
[4] Seth S Kessler, S Mark Spearing, Mauro J Atalla,Carlos ES Cesnik, and Constantinos Soutis. Dama-ge detection in composite materials using frequencyresponse methods. Composites Part B: Engineering,33(1):87–95, 2002.
[5] M. Stache, M. Guettler, and S. Marburg. Aprecisenon-destructivedamageidentification techni-que of long and slender structures based on modaldata. Journal of Sound and Vibrations, 365:89–101,2016.
[6] P. Langer, K. Sepahvand, M. Krause, and S. Mar-burg. Simple vibroacoustic systems - influence of un-certainties in simulation and experiment. In GoranPavic, editor, Proceedings of NOVEM 2015, Dubrov-nik, Croatia, 2015.
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![Der Holocaust der griechischen Judendietz-verlag.de/downloads/leseproben/4238.pdf · otita [Die Juden Thessalonikis, 1856–1919. Eine besondere Gemeinde] wurde 2001 veröff entlicht](https://static.fdokument.com/doc/165x107/5e1b79b399279a5a8f04f17c/der-holocaust-der-griechischen-judendietz-otita-die-juden-thessalonikis-1856a1919.jpg)
![Experimentelle und numerische Untersuchung des ...pub.dega-akustik.de/DAGA_2014/data/articles/000054.pdf · 10 2 10 3 10 4 0 10 20 30 40 50 L Spp [dB] f [Hz] Abb. 3: Experimentell](https://static.fdokument.com/doc/165x107/5e2122680c631e4d8a06f747/experimentelle-und-numerische-untersuchung-des-pubdega-10-2-10-3-10-4-0-10.jpg)
