Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind unter anderem aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften und des einstellbaren Werkstoffverhaltens für komplex belastete Bauteile prädestiniert. Jedoch können unvorhersehbare Schädigungen im Betrieb, wie Impact- oder Crashereignisse, welche nicht erkannt werden, das Ausfallrisiko mit unter Umständen fatalen Folgen erhöhen.
Bei vielen sicherheitsrelevanten Bauteilen wird daher die Entwicklung bauteilintegrierter Messsysteme zur autonomen Ermittlung von Beanspruchungen und Identifikation des Strukturzustands auf Basis von Dehnungsmessungen angestrebt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines derartigen Structural Health Monitoring (SHM) Systems unter Berücksichtigung der speziellen werkstofflichen und messtechnischen Anforderungen. Das Ziel ist die durchgängige Entwicklung und Umsetzung eines dedizierten Kohlenstofffaser-Sensors zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie (EZBR).
Auf Basis eines neuartigen Sensorkonzept, welches ein resistives bruchbasiertes Messprinzip an hochsteifen Kohlenstofffasern (CF) zur Verkopplung der Dehnung und elektrisch messbaren Größen erlaubt, werden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Diese umfassen phänomenologische Untersuchungen der Sensitivität des resistiven bruchbasierten Messprinzips, die Realisierung einer ortsaufgelösten Messung mittels der EZBR sowie die Transformation des EZBR-Signals in einen Dehnungsverlauf mittels neuronaler Netze.
Mit Abschluss der Arbeit liegt erstmalig ein EZBR basierter CF-Sensor zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung vor, welcher hinsichtlich der werkstoffgerechten Integration in FKV sowie dem Einsatz für dynamische Messungen für SHM-Anwendungen ein hohes Potenzial aufweist.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Ziel des Projektes war es, kostengünstige und langlebige Sensoren zur gezielten Dehnungserfassung bereitzustellen und so Leichtbaustrukturen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) zu überwachen.
Ein großes Lösungspotential bieten Filamentsensoren auf der Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Mit ihrer hohen Standfestigkeit gegenüber zyklischer Dauerbelastung bei gleichzeitig hoher elastischer Dehnbarkeit sowie einer dem Dehnungsmessstreifen (DMS) ähnlichen messtechnischen Umsetzbarkeit vereinen sie gleich mehrere Vorteile gegenüber anderen Systemen. Neben offenen Fragestellungen in Bezug auf das physikalische Verständnis für die Funktionsweise eines entsprechenden FGL-Filamentsensors in einer FVK-Struktur (Anbindung, Materialauswahl, etc.), wurden vor allem anwendungsbezogene Fragestellungen, wie die Konzeption und Umsetzung von konkreten Messelementen, deren Integration und das Handling während der FVK-Fertigung sowie die Messgenauigkeit unter Einsatzbedingungen eingehend untersucht.
Der Proof-of-Concept für die Technologie wurde erbracht. Die elastische Dehnbarkeit (bis 6 %), der k-Faktor (über 5) und die Ermüdungseigenschaften wurden dabei, als wesentliche Kennwerte für Dehnungssensoren, umfassend charakterisiert und sind im Vergleich zu DMS deutlich besser. Da die bisherigen Ermüdungsversuche bei 106 Zyklen (bei 0,8 % Dehnung) abgebrochen wurden, stellen die bisher ermittelten Werte noch nicht die obere Grenze dar, liefern aber bereits einen Nachweis für die bessere Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu DMS. Die FGL-Sensorik zeichnet sich beim Vergleich zu DMS und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren insbesondere durch die deutlich bessere elastische Dehnbarkeit im Vergleich zu DMS aus. Gleichzeitig sind FGL-Sensoren sensitiver als beide Vergleichssensoren.
Aktualisiert: 2022-02-17
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In der vorliegenden Dissertation wird das zur Strukturüberwachung im Automobil notwendige Denkgerüst und Rahmenwerk untersucht. Am Beispiel profilintensiver Karosseriebauweisen werden konkrete Handlungsempfehlungen und Vorgehensweisen dazu erarbeitet. Hierzu wird u.a. das Verfahren der Übertragungsmatrizen erstmalig in Verbindung mit der Strukturüberwachung gebracht. Ebenso werden relevante Methoden zur Datenanalyse erarbeitet und angewendet. Es wird ein ganzheitlicher Ansatz für die Strukturüberwachung der Rohkarosserie im Automobil aufgezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Das vorliegende Buch beinhaltet die Manuskriptbeiträge des Symposiums für Smarte Strukturen und Systeme „4SMARTS“, welches im Juni 2017 in Braunschweig stattfand. Wissenschaftliche Schirmherren der Veranstaltung waren das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit seinem Forschungsbereich Adaptronik.
Im Fokus des 4SMARTS-Symposiums stehen intelligente, adaptive und aktive – kurz: smarte – Strukturen und Systeme. Diese finden zunehmend Eingang in neue Produkte vieler Branchen, denn sie bieten Mehrwerte wie z. B. die Anpassungsfähigkeit an veränderliche Betriebszustände, eine Funktionserweiterung durch Integration von Sensoren, Aktoren und Generatoren oder eine höhere Schalldämmung bei gleichem Systemgewicht. So mindern smarte Systeme Schwingungen und Lärm, verbessern den Komfort, eröffnen zusätzliche Leichtbaupotenziale, überwachen und steigern die Lebensdauer und Sicherheit mobiler und stationärer maschinenbaulicher Strukturen wie Autos oder Bauwerke.
Die Buchbeiträge spiegeln das breite und interdisziplinäre Themenspektrum smarter Strukturen und Systeme wider. Das Buch gliedert sich in nachfolgende Kapitel.
- Structural Health Monitoring
- Neue Materialien und Strukturen
- Aktive Gestaltkontrolle
- Neue Aktuatorik und Sensorik
- Funktionsintegration
- Aktive Schwingungs- und Schallbeeinflussung
- Modellierung, Simulation und Optimierung smarter Strukturen und Systeme
- Technologietransfer
Das Buch gibt damit einen Einblick in aktuelle Themen und Trends in der Entwicklung und der Anwendung smarter Strukturen und Systeme. Es soll Anregungen für die Forschung und den Einsatz smarter Strukturen und Systeme in Produkten der nächsten Generation geben.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Vertiefung des Wissens über sich aus den Besonderheiten faserverstärkter Materialien ergebende Effekte auf die Strukturzustandsüberwachung mittels Lamb-Wellen. Diese haben ihre Ursache auf der einen Seite in den Besonderheiten des wellenleitenden Materials. Die anisotropen Eigenschaften und die im Vergleich zu Metallen wesentlich stärkere Dämpfung führen zu einer erheblichen Beeinflussung der Wellenausbreitung. Zusätzlich führt die Verwendung von Kunststoffmatrixsystemen zu Effekten wie Feuchteabsorption, welche im anisotropen Material zu richtungsabhängigen relativen Eigenschaftsänderungen führen und die Lamb-Wellen ebenfalls beeinflussen. Auf der anderen Seite interagiert aber auch das für das SHM genutzte System, welches sich durch direkte Applikation an oder Integration in die zu überwachende Struktur auszeichnet, mit dem Wellenleiter und den diesen beeinflussenden Umgebungsfaktoren.
Die sich aus diesen Faktoren ergebenden Änderungen der Lamb-Wellen erschweren deren Nutzung für die Strukturüberwachung, da sie Änderungen in Folge von tatsächlichen Schäden an der zu überwachenden Struktur sowohl imitieren als auch maskieren können. Die daraus folgenden Unsicherheiten und Fehlalarme sind ein wesentliches Hemmnis bei der Integration von SHM-Systemen in reale Strukturen. In dieser Arbeit werden deshalb experimentelle und analytische Untersuchungen zu den Auswirkungen verschiedener Umgebungseinflüsse untersucht und Verfahren zu deren Kompensation geschaffen. Darauf aufbauend werden die Grenzen der Anwendbarkeit derartiger Verfahren aufgezeigt und präventive Methoden zur Minimierung von nicht schädigenden Einflussfaktoren vorgeschlagen.
Aktualisiert: 2022-12-21
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In dieser Arbeit wird das Potential thermoplastischer Fasern, die mit Kohlenstoffnanopartikeln
versetzt sind, zur Erfassung von Dehnungen und Sch¨aden in Faser-
Kunststoff-Verbunden untersucht. Die Fasern werden als Sensor mit piezoresistiven
Eigenschaften eingesetzt, der auf Verformungen mit einer ¨Anderung des elektrischen
Widerstandes reagiert.
Die Herstellung der Fasern erfolgt durch Dispergierung der elektrisch leitf¨ahigen
Kohlenstoffnanor¨ohrchen (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) in eine thermoplastische
Matrix mit anschließender Faserproduktion im Schmelzspinnverfahren. Fasern mit
einem gewichtsspezifischen F¨ullstoffgehalt von 8wt.% und 12wt.%, sowie getemperte
Fasern mit 6wt.% sind leitf¨ahig und werden f¨ur die Analysen herangezogen.
Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt auf der Leitf¨ahigkeit der Fasern in
Abh¨angigkeit von ihren Material- und Herstellungsparametern, sowie auf dem Einfluss
durch ihre Einbettung in Epoxidharz und einer optionalen W¨armebehandlung.
Das piezoresistive Verhalten wird in Zugversuchen analysiert, wobei die charakteristischen
Sensorkennlinien ermittelt werden. Daf¨ur kommen Materialzugproben
mit Einzelfasern, sowie mit Fasern in duroplastischer Umgebung zum Einsatz. Die
Ergebnisse werden in Korrelation zum Spannungs-Dehnungs-Verhalten und zu Verformungserscheinungen
beurteilt. Das theoretische Modell des Ladungstr¨agertransportes
in Verbundmaterial aus leitf¨ahigen Partikeln in Isolatoren wird zur anschaulichen
Erkl¨arung der Versuchsergebnisse herangezogen. Durch Parameterstudien wird
der Einfluss der Materialzusammensetzung und Faserverstreckung auf das piezoresistive
Verhalten der Fasern analysiert. Messungen zu Signalrauschen, Temperaturund
Feuchtigkeitseinfluss sowie dem Verhalten unter zyklischer Belastung werden
erg¨anzend durchgef¨uhrt.
Die Erkenntnisse dieser Arbeit werden abschließend beispielhaft auf einen Demonstrator
¨ubertragen, wobei die piezoresistiven Fasern in einen mehrschichtigen glasfaserverst
¨arkten Kunststoff integriert werden und dort sowohl die Materialdehnung,
als auch den potentiellen Schadensfortschritt erfolgreich detektieren. Es er¨offnen sich
damit neue M¨oglichkeiten f¨ur die in situ Last- und Schadens¨uberwachung.
Aktualisiert: 2021-05-20
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