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1INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFTECHNIK

Charakterisierung von Faserkunststoffverbunden mittels der Doppelbrechung und geführten Wellen

Seminar des FA Ultraschallprüfung, 3.–4. November 2015, Saarbrücken

Dipl.-Phys. Peter Fey

P. Fey und M. Kreutzbruck

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Einleitung

Ermüdungsverfolgung in GFK mit Geführten Wellen

Ermüdungsverfolgung in CFK mit Ultraschalldoppelbrechung

Zusammenfassung

Gliederung


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Faserkunststoffverbunde


Bild: BMWBild: Airbus

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Faserkunststoffverbunde


Ermüdungsschäden

Intralaminare Risse

Interlaminare RisseDelaminationen

Faserrisse0°

45°90°

Nach: Rheinfurth et. al., WCNDT 2012, Durban

0,00,20,40,60,81,01,2

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Normierte Schwingspielzahl n/N

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Einleitung



Zusammenfassung

Gliederung


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Methode Geführte WellenLuftgekoppelte Messung der a0-Modengeschwindigkeit

Phasengeschwindigkeit gemessen mit Empfangssignal als Funktion der Laufstrecke FFT => Phase t

0,5 V

Abs

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t

200 V

GFK

Prüfkopfdurchmesser: 8 mmPrüffrequenz: 207 kHzBurst: 10 Schwingungen

Rheinfurth et al. Compos Part A 2012;43:1203-1211.


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Wickelprozess Lagenaufbau: [0°/45°/90°/-45°]s

(0° entspricht axialer Richtung) Gewichtsanteile je Faserorientierung:

49 %; 23 %; 5 %; 23 %

Geometrie Radius: 23 mm Länge: 330 mm Wanddicke: 2 mm

Weitere Fertigung Resin Transfer Moulding (RTM) Faservolumenanteil: 50% Krafteinleitungselemente aus GFK

mit Stahlinserts

MethodenProbenpräparation GFK Rohre

F. Schmidt et al. Compos Sci Technol 72 (2012) 1075-1082.


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Biaxiale Belastung Torsion und Zug/Druck Frequenz 3 Hz Lastverhältnis R=-1 40% der statischen Bruchlast

(σ 200MPa, τ 70MPa)Zerstörungsfreie Prüfmethoden Optische Risszählung Luftgekoppelte Messung der

a0-Modengeschwindigkeit

Methoden


Zyklische Belastung GFK Rohre

σ, τt

στF. Schmidt et al. Compos Sci Technol 72 (2012) 1075-1082.

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Ergebnisse a0-Modengeschwindigkeit


Ermüdung GFK Rohre

Lastwechsel n/N0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,85

0,90

0,95

1,00

0° 30° 60° (1) 60° (2) 90°

Lastwechsel n/N0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,70

0,80

0,90

1,00

Lastwechsel n/N0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

2

4

6

80° 45° 90° -45°

Lastrichtung:

Faserrichtung: Gemessene Phasengeschwin-

digkeit zeigt ähnlichen Verlauf wieSteifigkeit

Steifigkeitsabfall gegen Ende derLebensdauer wegen abruptemBauteilversagen nur bei 0°-Probesichtbar

Am Beispiel 60°(1) auch Sättigungder Rissdichte erkennbar

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Einleitung



Zusammenfassung

Gliederung


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Ultraschallgerät Ritec RAM-5000 SNAP Monochromatische Bursts Ausgabegrößen: Amplitude und Phase

Transversalwellenprüfkopf Mittenfrequenz 4 MHz Genutzte Sendefrequenz 3 MHz

Mechanik Prüfkopfhalter per Schrittmotor drehbar Konstanter Anpressdruck Prüfkörperfixierung

Messablauf Je Winkelschritt Amplitude und Phase des reflektierten Pulses aufnehmen Amplituden- bzw. Phasenkurven mit Modellierung vergleichen

Ultraschalldoppelbrechung


Messung

Prüfkörper

Schrittmotor

Halterung

PrüfkopfΘ

Sende-Puls

Reflektierter Puls

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Beispiel UD-CFK Faserrichtung parallel zu 0°-Polarisationsrichtung



Transversalwellenausbreitung in anisotropen Medien

Quelle: Rheinfurth, Fey et al. Int J Fatig 48 (2013) 80–89.

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Bezug zu Materialeigenschaften: UD-CFK, Faservolumengehalt 65 %, Dichte 1,6 g/cm³ Steifigkeitsmatrix in GPa Grau hinterlegte Werte nicht

von Ermüdungsschäden be-einflusst

Transversalwelle in Dickenrichtung: ° 1450°∥ 4675

Selbstreferenzierung über °∥ möglich


Werte: Nayfeh: Wave Propagation in Layered Anisotropic Media. Elsevier, 1995

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Akustische Doppelbrechung


Modellierung

Innerhalb der Lagen werden die Teilwellen gedämpft, durchGeschwindigkeitsunterschied entsteht Phasenverschiebung.exp ∥ exp ∥ 0

0 exp expAmplituden der Teilwellen hängen von Winkeldifferenz , zwischen Lageund Prüfkopf ab.

, cos Δ , sin Δ ,sin Δ , cosΔ ,Berechnung durch Multiplikation der Matrizen mit Amplitudenvektor:∥ , , , , , , , , , 0

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Prüfkörper Lagenaufbau [0/45/-45/90]2s Prepreg HexPly® M18/ 1 UD G947 Laminatdicke 3,1 mm

Ermüdung Servohydraulische Prüfmaschine Instron 8502 Frequenz 3 Hz Maximallast 477,7 MPa (79,5 % statische Bruchlast) R = 0,1

Ermüdungsverfolgung in CFK


Prüfkörperpräparation

25 mm

50 mm150 mm

Messpunkte

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Annahmen Durch zyklische Belastung ändern sich und . Alle Lagen gleicher Faserrichtung werden gleich geschädigt. In 0°-Lagen entstehen keine Schäden.

Vorgehen Messen der Amplitude und Phase des Signals für verschiedene

Prüfkopfausrichtungen Variation von und für alle Faserrichtungen, bis gemessene und

modellierte Werte zur Übereinstimmung gebracht wurden Die Werte für und mit bester Übereinstimmung von gemessener und

modellierter Kurve sind das Ergebnis.



Simulation

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ErgebnissePh

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Ergebnisse

90°

-45°

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Quelle: Rheinfurth, Fey et al. Int J Fatig 48 (2013) 80–89.

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Einleitung



Zusammenfassung

Gliederung


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Zusammenfassung


Ultraschalldoppelbrechung Berührende, punktuelle Ultraschallmethode Überschaubarer apparativer Aufwand Faserrichtungsaufgelöste Schädigungsinformation

Geführte Wellen mit Luftgekoppeltem Ultraschall Berührungslose Ultraschallmethode Phasengeschwindigkeit als Schädigungsindikator Einfach interpretierbare Ergebnisse

Ausblick Untersuchungen an komplexer geformten Bauteilen

zur Identifikation kritisch geschädigter Bereiche

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