Analyse des Einflusses der Werkstoffdegradation auf die nichtlineare Wellenausbreitung in unidirektionalen Compositen - Experimentelle Untersuchung mit numerischer Analyse und Modellbildung -

Analysis of the influence of material degradation on the nonlinear wave propagation in unidirectional composite - experimental investigation, analysis and modeling -

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31534
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Rolf Lammering
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.12.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Wellenausbreitung , Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff , Hyperelastizität , Modellierung , Experiment
Freie Schlagwörter (Deutsch): Lamb-Wellen, Generierung höher harmonischer Moden, Schadensdetektion
Freie Schlagwörter (Englisch): Lamb waves, higher harmonic mode generation, Structural-Health-Monitoring, CFRP
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Möglichkeit der Verwendung der nichtlinearen Wellenausbreitung auf Basis der Generierung höher harmonischer Moden auf Grund von mikrostrukturellen Schäden in Faserverbundstrukturen analysiert. Es wird mit Hilfe experimenteller Untersuchungen gezeigt, dass die infolge zyklischer Zugbeanspruchung entstehende Werkstoffdegradation mit dem relativen akustischen Nichtlinearitätsparameter korreliert. Um die auf mikrostrukturellen Schäden beruhende Werkstoffdegradation und die daraus resultierende nichtlineare Wellenausbreitung numerisch abzubilden, wird ein hyperelastisches Materialmodell für faserverstärkte Kunststoffe entwickelt. Im Gegensatz zu den bekannten Formulierungen aus der Biomechanik werden dabei kompressible Effekte berücksichtigt und die Verwendung der modifizierten Invarianten vermieden. Ferner kann im Vergleich zu der nichtlinearen Potentialformulierung nach Murnaghan die Anzahl der benötigten Materialkonstanten auf sechs reduziert werden. Die durchgeführten numerischen Simulationen bestätigen die Anwendbarkeit dieses nichtlinearen Materialmodells zur Abbildung der Entstehung und Ausbreitung höher harmonischer Moden in unidirektionalen Faserverbundstrukturen bei der Wellenausbreitung entlang einer Symmetrieachse.

Kurzfassung auf Englisch:

In this work the applicability of the nonlinear wave propagation based on the higher harmonic mode generation due to microstructural damage in fiber reinforced structures is analyzed. Experimental investigations show, that the material degradation induced by cyclic tensile loading correlates with the relative acoustical nonlinearity parameter. To reproduce the material degradation due to the microstructural damage and the resulting nonlinear wave propagation numerically a hyperelastic material model for fiber reinforced plastics is developed. In contrast to the already existing biomechanical potentials compressibility effects are considered and the use of the modified invariants is avoided. In addition the amount of the required material parameters can be reduced to six in contrast to the nonlinear potential by Murnaghan. The numerical simulations carried out confirm the applicability of this nonlinear material model for the representation of the higher harmonic mode generation and propagation in unidirectional composite structures for the wave propagation along a symmetry axis.

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