Beurteilung von belastungsbedingten Schädigungszuständen ... · Textmasterformate durch Klicken bearbeiten − Zweite Ebene > Dritte Ebene − Vierte Ebene > Fünfte Ebene Beurteilung

Thermographie-Kolloquium 2017

1 Lizenz: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/

Beurteilung von belastungsbedingten Schädigungszuständen in CFK mit

Spannungskonzentrationen mithilfe der Puls-Thermographie

Günther MAYR 1, Jürgen GRUBER 1, Thomas SCHEDLBERGER 1, Christian GUSENBAUER 1, Günther HENDORFER 1

1 University of Applied Sciences Upper Austria, School of Engineering, Wels, Österreich Kontakt E-Mail: [email protected]

Kurzfassung

Das Ermüdungsverhalten von Faserverbundwerkstoffen in Bereichen von Spannungskonzentrationen, wie z.B. bei Delaminationen, ist von großem Interesse für die Auslegung von Mehrschichtverbunden. Von diesen induzierten Fehlstellen gehen infolge von mechanischer Belastung Schädigungen aus, welche zu einer Festigkeitsreduktion und zu einer Verringerung der Lebensdauer führen. Die Modellierung der Schädigungsursache und dessen Fortschritt ist bei multidirektionalen Mehrschichtverbunden deutlich komplexer als bei Einzelschichten. Durch die Anwendung der Puls-Thermographie als zerstörungsfreien Prüfmethode kann der Schädigungszustand in-situ bei steigender Schwingspielzahl ermittelt werden, wodurch bruchmechanische Berechnungsmethoden validiert und optimiert werden können. Für die experimentellen Studien wurden für die thermische Anregung Blitzleuchten und für die Temperaturmessung eine Mega-Pixel IR-Kamera verwendet. Die Anwendung der Puls-Phasen-Thermographie erlaubt eine detaillierte Detektion von ermüdungsbedingten Delaminationen. Die Prüfung kann dabei bei laufender zyklischer Belastung durchgeführt werden. Die Ergebnisse zeigen den Ausgangspunkt für die Delaminationen und deren Wachstum in einem multidirektionalen Laminat mit einem Lagenaufbau von [0/90/+-45]s. Als Spannungskonzentrationen wurden Impact-Schädigungen mit Energien von 1 bis 4 J gewählt. Der Vergleich zwischen den Ergebnissen der Computertomographie und der Thermographie zeigen dabei eine sehr gute Übereinstimmung.

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Textmasterformate durch Klicken bearbeiten− Zweite Ebene

> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Beurteilung von belastungsbedingten Schädigungszuständen in CFK mit Spannungskonzentrationen mithilfe der Puls-Thermographie

G. Mayr, J. Gruber, T. Schedlberger, C. Gusenbauer & G. Hendorfer

Research Group of Thermography & NDT (www.thermo-ndt.com)University of Applied Sciences Upper Austria, School of Engineering, Wels , Austria

Thermographie-Kolloquium 2017

Berlin


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

MotivationIn-situ Erfassung des Schädigungsfortschritts in CFK

Ziele:

• Detektion der ersten Schädigung

• Erfassung des Schädigungsfortschritts

• Untersuchungen bei quasi-statischer

und dynamischer Belastung

Zunehmende Schädigung bis

vollständiges Versagen


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

PrüfkörperMultidirektionales CFK ohne und mit Impact-Schädigung

Lagenaufbau:

[ 03 / 904 / (±45)1 ]S → 2.33 mm

GFK AufleimerTyp I

Typ II

Typ I:

ohne Vorschädigung

Typ II:

Impact Schädigung (1J, 2J, 3J, 4J)

Impact

B= 25 mm

L= 250 mm


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Quasi-statischer einachsiger ZugversuchExperimenteller Aufbau – In-situ Passive Thermographie

IR Kamera

FLIR X8400sc

1024 x 256 Pixel

50 Bilder pro Sekunde

IR Kamera

Zugprüf-maschine

Prüfkörper

Zugprüfmaschine

Messphysik BETA 200-4/6X16

Vorschub: 2 mm / min

Max. Spannung: σmax = 550 MPa

0° 0°90°90° +45° -45°


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Quasi-statischer einachsiger ZugversuchTyp I – Querrissbildung in der Epoxidharzmatrix

FOV

Temperatur-sequenz:0 – 160 s

t1 2

Temperatur-

bild t1

Temperatur-

bild t2 1 2

Differenzbild

t1 - t2

- =

Linienprofile


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene100 200 300 400 500 600 700 800

200

400

600

800

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

50

100

150

time t (s)

Num

ber

of

cra

cks N

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

0.2

0.4

0.6

0.8

1

str

ain

ε1 (

%)

Kumulative Rissanzahl Kritische Spannungshöhe

bei200 MPa

Spannung versus Zeit (Messwerte der

Zugprüfmaschine)

Zusammengesetzes Ergebnisbild aus den gemittelten Temperaturprofilen

Anzahl der

Ris

se N

Spannung (

%)

Zeit (s)


Position der Querrisse


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0

100

200

300

400

500

str

ess σ

1 (

MP

a)

strain ε1 (%)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0

50

100

150

200

250

Cra

ck g

row

th r

ate

dN

c /

dε 1

stress

number of cracks

crack growth rate

s

n

c

A B C

• Region A:

keine Risse

• Region B:

Querrissbildung und

Steifigkeitsreduktion

• Region C:

minimaler Rissabstand

� charakteristischer

Schädigungszustand


Sp

an

nu

ng

σ1

(MP

a)

Dehnung ε1

(%)

Ris

se

nts

teh

un

gsra

te d

Nc/

dε

1

Spannung

kumulative Rissanzahl

Rissentstehungsrate


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Servo-hydraulische Zugprüfmaschine

MTS 370.10 Landmark ±100 kN

Frequenz = 10 Hz

Max. Spannung: σmax = 500 MPa

Min. Spannung: σmin = 50 MPa

Optisch angeregte Puls-Thermographie

IR-Kamera: FLIR X8400sc

Blitzlampen: Bläsing G6000Z

Dynamischer einachsiger ZugversuchExperimenteller Aufbau – In-situ Puls-Thermographie


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Temperaturbild

nach 10k Zyklen

Log – Log Darstellung

Erwärmung

aufgrund der

Abwärme des

pneumatischen

Zylinders

fehlerfreier

Bereich

Temperatur-

erhöhung bei

Rand-

delamination

Delamination Rückwand

Dynamischer einachsiger ZugversuchPuls-Thermographie: Temperaturentwicklung

100

10-2

10-1

100

time t (s)

tem

pe

ratu

re (

T -

T0)

/ T

ma

x

sound

delamination

Zeit t (s)

Tem

pera

tur

(T-T

0)

/ T

ma

x

fehlerfrei

Delamination


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-1.3

-1.2

-1.1

-1

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

frequency f (Hz)

phase φ

(ra

d)

sound

delaminationf1 f2

0.5 1 1.5 2 2.5

-1.2

-1.1

-1

-0.9

-0.8

frequency f (Hz)

ph

ase φ

(ra

d)

sound

delamination

f1 f2

Dynamischer einachsiger ZugversuchAuswertung der Puls-Phasen-Thermographie (PPT)

Frequenz f (Hz)

Ph

ase

φ(r

ad

)

fehlerfrei

Delamination


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Dynamischer einachsiger ZugversuchTyp II: Initiale Impact-Schädigung ohne Zugbelastung

Vorderseite RückseiteVorder + Rück-

seite

+ =

Impactor


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Dynamischer einachsiger ZugversuchTyp II: Vergleich mit 3D-Röntgen Computertomographie (XCT)

Impact 1 J Impact 2 J Impact 3 J Impact 4 J


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

2 4 6 8 10 12 140

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

am

plu

tde A

sound

delamination

Dynamischer einachsiger ZugversuchIn-situ PPT bei dynamischen Versuch: Separation der Dehnrate

sin

gle

-sid

ed

am

plit

ud

esp

ectr

um

ofT

(t)

10-1

100

101

10-1

tem

pera

ture

(T

- T

0)

/ T

max

sound

delamination

Dehnrate10Hz

sound

delamination

FFT

0.5 1 1.5 2 2.5 3

.2

-1

.8

Frequenzbereich für die Defektanalyse

Te

mp

era

tur (T

-T0)

/ T

max

Zeit t (s)

Am

plit

ud

en

sp

ektr

um

vo

n T

(t)

Frequenz f (Hz)

fehlerfrei

Delaminationfehlerfrei

Delamination


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Dynamischer einachsiger ZugversuchSchädigungsfortschritt bei zunehmender Zyklenzahl

10k 15k 20k 40k 100k 150k 200k 210k 233k 235k 240k 245k 250k

Zunehmende Zyklenzahl bis 250.000

Bildsegmentierung für die Bestimmung der DelaminationsflächeN= 10k N= 20k N= 150k N= 233k N= 240k


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Dynamischer einachsiger ZugversuchSchädigungsfortschritt bei zunehmender Zyklenzahl

0 50 100 150 200 250 3000.8

0.9

1

secant

modulu

s E

S

number of cycles N (⋅ 1k)

0 50 100 150 200 250 3000

1000

2000

dela

min

ation a

rea A

D (

mm

2)

A B C

0° 0°90°90° +45° -45°

Sekante

nm

odulE

S

Dela

min

ationsfläche

AD

(mm

2)

Anzahl der Zyklen N (• 1k)


> Dritte Ebene

− Vierte Ebene

> Fünfte Ebene

Zusammenfassung

• Die Querrissbildung in der Matrix und deren Fortschritt kann

berührungslos und in-situ mit passiver Thermographie erfasst

und quantifiziert werden

• Die gemessene Rissentstehungsrate korreliert mit der

Steifigkeitsreduktion bei zunehmender Zugbelastung

• Die Trennung der Frequenzbereiche bei der PPT erlaubt eine in-

situ Bestimmung der Delaminationsfläche während der

zyklischen Belastung

• Die Bestimmung der Delaminationsfläche in Abhängigkeit der

Zyklenzahl hilft bei der Interpretation des gemessenen

Sekantenmoduls

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