Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eignen sich durch ihre Leichtbaueigenschaften hervorragend für den Einsatz in schnell drehenden Strukturen, wie elektrischen Maschinen, Turbomaschinen oder Schwungrad-Energiespeichern. Zur Entwicklung solcher Rotoren sind numerische Modelle zur Versagensprädiktion nötig, die durch ortsaufgelöste In-Situ-Messungen während der Rotation validiert und kalibriert werden müssen. Hierbei ist das rotationslastabhängige Deformations-, Schädigungs- und Modalverhalten von besonderem Interesse. Mit lokalen elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen, ist keine Vollfeldmessung möglich. Mit optischen Nahfeldmethoden, wie der digitalen Bildkorrelation, kann die nötige Robustheit gegenüber hohen Oberflächengeschwindigkeiten und Out-of-Plane-Bewegungen nicht erreicht werden.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Auswertung des Fernfeldes optischer Beugungsgitter die orts- und zeitaufgelöste Messung von Deformationsfeldern mit hoher Robustheit gegenüber der Oberflächengeschwindigkeit möglich ist. Es konnte erstmals das drehzahlabhängige Dehnungsfeld mit Messunsicherheiten zwischen 100 und 300 μm/m und Ortsauflösungen unter einem Quadratmillimeter bei Oberflächengeschwindigkeiten über 250 m/s gemessen werden. Hierdurch konnte die Messung der Propagation von Zwischenfaserbrüchen auf einem FVK-Rotor orts- und drehzahlaufgelöst demonstriert werden. Weiterhin konnten mit den Beugungsgittersensoren die drehzahlabhängigen Frequenzgänge und Eigenformen im Rahmen einer experimentellen Modalanalyse erfasst werden. Somit werden erstmals In-Situ-Messungen des Einflusses von graduell mit der Rotationslast fortschreitenden Schädigungen auf das Modalverhalten von rotierenden FVK-Strukturen mit einem einzelnen kompakten Sensorsystem möglich.:Kurzfassung/Abstract I
Danksagung IV
Inhaltsverzeichnis VII
Abbildungsverzeichnis XI
Tabellenverzeichnis XV
Acronyme XV
Symbole XVII
1. Einleitung 1
1.1. Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Ansatz und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Spezifizierung der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5. Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Prinzip der Deformationsmessung mit dem Beugungsgittersensor (BGS) 11
2.1. Zweidimensionales Messmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Ortsauflösung vs. Dehnungsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Vorteile der fernfeldbasierten Deformationsmessung an schnell rotierenden
Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4. Dreidimensionales Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5. Unsicherheit durch Nutzung des zweidimensionalen Messmodells . . . . 22
2.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
VII
3. Kompakter Zeilensensoraufbau zur Messung an schnell rotierenden
Strukturen 27
3.1. Aufbau und Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2. Messung der In-Plane-Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1. Systematische Unsicherheiten durch Starrkörperbewegungen . . 32
3.3.2. Wellenlängendrift und zufällige Messunsicherheit . . . . . . . . . 39
3.3.3. Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4. Validierung und Charakterisierung im quasistatischen Zugversuch . . . 42
3.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung im quasistatischen
Zugversuch 49
4.1. Versuchsaufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2. Statistischer Vergleich der BGS- und DIC-Ergebnisse . . . . . . . . . . 52
4.3. Detektion und Lokalisation von Schädigungen . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung an einer rotierenden
GFK-Struktur 59
5.1. Aufbau und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2. Messung der radialen Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3. Messung der Oberflächenneigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4. Messung der Oberflächendehnung und der Schadenspropagation . . . . 67
5.4.1. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.2. Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.3. Dehnungsfeld und Schädigungslokalisation . . . . . . . . . . . . 71
5.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6. Experimentelle Modalanalyse an einer rotierenden GFK-Struktur 79
6.1. Messung des Frequenzgangs an rotierenden Strukturen . . . . . . . . . 80
6.2. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3. Experimentelle Validierung und Vergleich der Auswertemethoden . . . 86
VIII
6.4. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.5. Frequenzgänge und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.6. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7. Zusammenfassung und Ausblick 95
A. Messunsicherheitsbetrachtungen zu digitaler Bildkorrelation (DIC) 99
A.1. Makroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A.2. Mikroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.3. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
B. Anhang zu Kapitel 2 105
B.1. Vereinfachtes 2D-Messmodell durch Reihenentwicklung . . . . . . . . . 105
B.2. Anhang zu Abschnitt 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
C. Anhang zu Kapitel 3 109
C.1. Ausrichtung des Beleuchtungsstrahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
C.2. Schätzung der systematischen Messunsicherheit bei der Validierungsmessung
der BGS-Ausleseeinheit im quasistatischen Zugversuch . . . . 109
C.3. Anhang zur Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
C.4. BGS-Ausleseeinheit mit Matrixkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
D. Anhang zu Kapitel 4 121
Literaturverzeichnis 125
Lebenslauf 141
Betreute studentische Arbeiten 144
Publikationen 146
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90671 |
| Date | 03 April 2024 |
| Creators | Lich, Julian |
| Contributors | Czarske, Jürgen, Koch, Alexander W., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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