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Zerstörungsfreie Prüfung von Faserverbundwerkstoffen mittels Schallemissionsanalyse

Holder, Ulrich 20 May 2020 (has links)
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), im Speziellen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), besitzen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen bei einer verhältnismäßig geringen Dichte hohe Festigkeitswerte. Die Anforderungen hinsichtlich Emissionsreduzierung und der dadurch gestiegene Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie macht die Verwendung von FVKs zunehmend interessanter. Ein sicherer Betrieb von FVKs über den gesamten Produktlebenslaufzyklus ist nur durch zerstörungsfreie Prüfungen der Bauteile nach definierten Lastzyklen oder Betriebszeiten möglich. Die Schallemissionsprüfung eignet sich hierzu besonders, da sie als passives Prüfverfahren während Belastungstests eingesetzt werden kann. Dabei basiert die Schallemissionsprüfung oder Acoustic Emission Testing (AET oder AT) auf der Detektierbarkeit dynamischer Verschiebungen im Nanometer-Bereich an der Oberfläche von belasteten Prüfobjekten durch hochempfindliche piezoelektrische Sensoren (Messbereich von ca. 50 kHz bis 1 MHz) und deren Umwandlung in weiter verarbeitbare elektrische Signale. Die spezifischen Verschiebungen an der Oberfläche werden durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) erzeugt, die durch temporäre, sehr kleine Materialverschiebungen, bedingt durch beispielsweise das Rückfedern des Materials bei schnell ablaufenden Prozessen wie Rissbildung, Rissausbreitung, Rissuferreibung etc., entstehen können. Die Schallemissionsprüfung bietet die Möglichkeit, dass aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale der jeweiligen schallemittierenden Quellen bei einer ausreichenden Anzahl an Sensoren (mindestens drei bei einer ebenen Ortung) der Ursprung der Schallemissionsquelle berechnet werden kann. Verschiedene Werkstoffkombinationen von FVKs weisen auch eine unterschiedliche Signalcharakteristik bei den emittierten Signalen auf. Die verwendeten Sensoren müssen folglich für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden. Störgeräusche können dabei herausgefiltert werden, wenn sie im für die Schädigung oder dem Schädigungsfortschritt untypischen Frequenzbereich liegen. Hierfür und für das Entfernen von elektromagnetischen Störungen müssen allerdings mehrere Sensoren auf dem Prüfling appliziert sein. In dieser Arbeit wurde die Schallemissionsprüfung als prüfstandsbegleitendes Bewertungsverfahren qualifiziert und zur Bestimmung des Zustandes von Probekörpern und Bauteilen nach und während unterschiedlicher Belastungstests eingesetzt. Dazu wurden Schallemissionsparameter in repräsentativem Umfang zur Bewertung der Strukturintegrität und zur Zuordnung der verschiedenen Schallemissionsparameter zu verschiedenen Schädigungsarten in FVKs ermittelt. Im Detail wurde der Zusammenhang zwischen verschiedenen Schädigungsmechanismen an Couponproben und CT-Aufnahmen untersucht. Des Weiteren wurden die identifizierten Schallemissionsparameter jeweils in Abhängigkeit der eingebrachten Belastung (Maximallast, Belastungshistorie, etc.) auf Couponproben und auf unterschiedlich komplex ausgeführten Demonstratorbauteilen ausgewertet. Hierzu wurde die Übertragbarkeit der bei den Grundlagenversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf Couponprobenebene auf komplexe Gesamtbauteile in zwei Schritten untersucht und validiert. Bei Untersuchungen an Demonstratorbauteilen mit komplexeren Geometrien wurden spezielle schallemissionstaugliche Niederlastprüfszenarien entwickelt und untersucht. Hier stand die Anforderung, das Bauteil bei der notwendigen Belastung für die passiv durchgeführte Schallemissionsanalyse nicht zu schädigen, im Vordergrund. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit dem dargelegten Ansatz eine Zuordnung von Schallemissionsparametern zu unterschiedlichen Schädigungsmechanismen möglich ist. Es ist weiterhin möglich, eine Aussage bezüglich der Strukturintegrität des aus FVKs hergestellten Prüflings zu treffen. Dies ist besonders im Hinblick auf Fragestellungen der Betriebsfestigkeit und der Bauteilzustandsbewertung bei der Bauteil- oder Komponentenentwicklung eine wichtige Zusatzinformation.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Faserverbundwerkstoffe (FVK) 3 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von faserverstärkten Kunststoffen 3 2.2 Schädigungsmechanismen und Versagensarten 5 2.2.1 Zwischenfaserbruch 6 2.2.2 Delamination 6 2.2.3 Faser Pull-Out 6 2.2.4 Debonding 7 2.2.5 Faserbruch 7 2.2.6 Zugversagen 8 2.2.7 Druckversagen 8 2.2.8 Biegeversagen 9 2.2.9 Torsionsversagen 9 3 ZfP für FVK 11 3.1 Allgemein 11 3.2 Grundlagen der Computertomographie 11 3.2.1 Die Röntgenstrahlung 11 3.2.2 Die kontinuierliche Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.3 Die charakteristische Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.4 Prinzip der Computertomographie 13 3.2.5 Computertomographie in der Werkstoff- und Bauteilprüfung 14 3.3 Schallemissionsanalyse im Speziellen 15 3.3.1 Besonderheit der Schallemissionsmessung an komplexen Strukturen/Bauteilen 19 3.3.2 Bisherige Erkenntnisse der Untersuchungen von CFK-Strukturen mit der Schallemissionsanalyse 21 3.3.3 Schallemissionsprozesskette 29 3.3.4 Schallemissionsparameter 37 3.3.5 Analysemöglichkeiten der Schallemissionsparameter 39 4 Verfahrensnachweis auf Couponebene 41 4.1 Vorbetrachtung 41 4.1.1 Testaufbau und Durchführung 41 4.1.2 Versuchskonzept / Auswahl geeigneter Schallemissionsparameter 45 4.2 Zerstörende Vorversuche 47 4.3 Ergebnisse zerstörende Vorversuche 52 4.3.1 Vergleich des Schallemissionsverhaltens konventioneller und zyklischer Versuchsdurchführung 52 4.3.2 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der Lagenanzahl 55 4.3.3 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit des Lagenaufbaus 56 4.3.4 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte der Materialien 60 4.4 Ableitung Versuchskonfiguration und Materialauswahl für nicht zerstörende Prüfung 61 4.4.1 Ergebnisse nicht zerstörende Prüfung 63 4.5 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse 75 4.6 Ergebnisse weitere Vorversuche mit Geometrievarianz 76 4.6.1 Varianz der Probenbreite bei taillierten Proben 77 4.6.2 Varianz der Probendicke durch Vergleich von 4-lagigen zu 6-lagigen Laminataufbauten 79 4.6.3 Varianz der Probengeometrie 80 4.7 Zuordnung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen mittels Computertomographie 83 4.7.1 In-situ Messung Schallemission und CT 86 4.7.2 Analyse und Ergebnisdiskussion 94 4.8 Ergebnisvergleich Vorversuche zu in-situ-Versuche 105 4.9 Schallemissionsergebnisse in Korrelation der CT-Aufnahmen 115 4.10 Zusammenfassung in-situ-Versuche 128 4.11 Parameterstudie zum Einfluss auf Schallemissionsparameter 129 4.12 Zusammenfassung der Ergebnisse auf Couponebene 143 5 Generalisierung und Übertrag auf Bauteile 145 5.1 Vorbetrachtung 145 5.2 Unterschied zwischen Coupon- und Bauteilprüfung 146 5.3 Testaufbau und –durchführung 146 5.3.1 Zerstörende Tests 146 5.3.2 Zerstörungsfreie Tests 151 5.4 Ergebnisse 154 5.4.1 Ergebnisse Rohrprüfung 155 5.4.2 Ergebnisse Räderprüfung 171 6 Zusammenfassung und Ausblick 187

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