Ermittlung des Maßes der Nichtlinearität einer Platte mittels experimenteller Untersuchungen linearer und nichtlinearer Ausbreitungseigenschaften von LAMB-Wellen

Abstract

Wegen der enormen Steigerung der Betriebskosten in der Luftfahrt hat in den letzten Jahrzehnten eine sukzessiveWeiterentwicklung im Bereich der verwendeten Materialien stattgefunden. Dabei wird immer mehr auf faserverstärkte Kunststoffe zurückgegriffen. Diese weisen im Gegensatz zu den bisher verwendeten Aluminiumlegierungen eine deutlich bessere spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Somit kann das Strukturgewicht bei gleichzeitiger Anpassung der Konstruktion deutlich gesenkt werden. Im Gegensatz zu den bis dahin weit verbreiteten Aluminiumlegierungen lassen sich Schädigungen der Struktur nicht mehr so leicht nachweisen. Um diesen neuartigen Werkstoffen Genüge zu tragen, müssen somit auch die Inspektionsmethoden angepasst werden. In der jüngsten Vergangenheit hat sich gezeigt, dass LAMB-Wellen eine geeignete Möglichkeit darstellen, Strukturen auf den aktuellen Grad der Nichtlinearität bzw. Materialdegradation hin zu analysieren. LAMB-Wellen sind dafür besonders gut geeignet, da sich diese über große Flächen ausbreiten und dabei die gesamte Bauteildicke durchdringen. In dieser Arbeit werden dazu sowohl lineare als auch nichtlineare Ausbreitungseigenschaften auf ihre Sensibilität gegenüber Schädigungen in Aluminium und CFK untersucht. Dazu wird zunächst eine Methode zur Bestimmung von Dispersionsdiagrammen für unidirektionale Faserverbunde entwickelt, die Dispersionsdiagramme für Aluminium und unidirektionales CFK erstellt und geeignete Anregungsfrequenzen zur Untersuchung höherharmonischer Moden bestimmt. Aus der Analyse der höherharmonischen Moden wird der relative akustische Nichtlinearitätsparameter 0 als Vertreter der nichtlinearen Ausbreitungseigenschaften ermittelt und die Veränderung mit der Entwicklung der Gruppengeschwindigkeit verglichen. Dazu werden die Messungen an Proben mit unterschiedlichen eingebrachten Schädigungen durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass der relative akustische Nichtlinearitätsparameter 0 von LAMB-Wellen geeignet ist, Schädigungen in Aluminium und CFK zu detektieren. Im Gegensatz dazu scheint die Gruppengeschwindigkeit nur bedingt geeignet. Die bisher nur für Aluminium erzielten Ergebnisse, dass die nichtlinearen Ausbreitungseigenschaften deutlich sensibler auf Schädigungen reagieren, kann somit auch für CFK nachgewiesen werden.