Lifetime prediction of high-performance fibre-reinforced polymer composites using Vibro-acoustic Modulation
Creators: name: Willmann, Erik
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2025
Subjects: subject: VAM
subject: Thin-Ply
subject: Impact
subject: Fatigue
subject: NDT
subject: Lifetime prediction
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science
classificationCode: 6
subject: Technology::621: Applied Physics::621.3: Electrical Engineering, Electronic Engineering
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::539: Matter; Molecular Physics; Atomic and Nuclear physics; Radiation; Quantum Physics

description: Faser-Kunststoff-Verbunde(FKV)sind aufgrund ihres mehrphasigen und multiskaligen Aufbaus charakterisiert durch eine hohe dichte-spezifische Steifigkeit und Festigkeit. Der multiskalige Aufbau von FKV kann jedoch auch während des jeweiligen Spannungszustandes im Betrieb zu einem komplexen Schadensmechanismus führen.Treten Fertigungsabweichungen wie z.B. Poren oder Delaminationen auf, beeinflussen diese negativ die Restfestigkeit und Lebensdauer. Demnach ist eine Überwachung der strukturellen Integrität während des Betriebs sowie eine Qualitätssicherung vor dem Betrieb für einen zuverlässigen und sicheren Einsatz unerlässlich. In der Literatur finden sich verschiedene vielversprechende Ansätze zur frühzeitigen Erkennung von Schäden vor versagenskritischen Belastungen. In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit der Vibro-akustischen Modulation (VAM) als Schadensdetektion an kohlenstoff-faserverstärkten Kunststoff-(CFK) Strukturen untersucht. Bei dieser schwingungsbasierten zerstörungsfreien Prüfmethode (engl.: non-destructive testing (NDT) method) werden hoch-frequente Ultraschallwellen als eingeleitetes Trägersignal durch niederfrequente Vibrationen mit hoher Amplitude moduliert. Diese Modulationen sind quantifizierbar und dienen zur Schadensbewertung. Grundsätzlich kann die Art der Einleitung der niederfrequenten Schwingung je nach Anwendungsfall variieren, wobei das Trägersignal überwiegend durch piezokeramische Aktuatoren eingeleitet wird. Insbesondere durch ihre hohe Sensitivität gegenüber Rissen, lange Übertragungswege und einfaches Messequipment bietet die VAM ein hohes Potential in größeren Strukturbauteilen. Das komplexe, aber bekannte Material- bzw. Schädigungsverhalten von FKV wird in dieser Arbeit genutzt, um mittels VAM ein neues Prüfverfahren zu entwickeln. Dabei werden verschiedene vibro-akustische Schadensindikatoren genutzt, um die Lebensdauer und Degradation von FKV vorherzusagen und folgende Forschungshypothese zu untersuchen: Die Detektion und Bestimmung von Schäden in CFK-Strukturen kann durch vibro-akustische In-situ-Messungen sogar nachträglich erfolgen. Die VAM-Methode ermöglicht eine Überwachung lokaler, konzentrierter Schäden in gekerbtem und in schlagbelastetem CFK sowie von statistisch verteilten Schäden in ungekerbten CFK-Laminaten, was gestufte Zug- und Ermüdungsversuche zeigen. Durch eine systematische Variation des Lagenaufbaus konnte dem VAM-Signal die Art und der Umfang des Schadens zugewiesen werden. Zur Evaluierung der VAM- Methode wurden konventionelle Messverfahren wie Akustische Emissionsmessung (AE), Ultraschallaufnahmen (US), digitale Bildkorrelation-(DIC) und Röntgenmessungen (XR) herangezogen. Im Allgemeinen führen Zwischenfaserbrüche zum Anstieg der Modulation, die sich im Laufe der Lebensdauer zu globalen Delaminationen akkumulieren, welche die Modulation verringern. Charakteristische Punkte, wie z.B. resultierende, schadensbedingte VAM-Amplitudenmaxima, eignen sich zur Lebensdauervorhersage. Die Sensitivität der VAM-Methode steigt mit zunehmender Rissgröße. Die lineare Korrelation zwischen der projizierten Delaminationsfläche und des MI zeigt, dass das Maß der Schlageinwirkung abgeschätzt werden kann. Künstlich eingebrachte Defekte wie PTFE-Folien oder Verunreinigungen mit Trennmitteln bei geschäfteten Klebeverbindungen (engl.: Scarfed (Sc) joints) und einfach überlappender Klebung (engl.: Single-lap shear (SLS)) bleiben mit VAM undetektiert. Anhand von lokalen Kapazitätsmessungen des Klebefilms lässt sich der Schadensverlauf des Klebefilms aufgrund von Permittivitätsänderungen überwachen. Ein analytisches Modell zur Risslängenbestimmung korreliert dabei mit dem VAM-Signal. Die Kombination beider Messmethoden zeigt, dass Defekte in Sc-Strukturen aufgrund der resultierenden Spannungskonzentrationen signifikant die Lebensdauer verringern. Konstruktionsbedingte Spannungskonzentrationen an den Überlappungsenden von SLS-Strukturen dominieren die Schadensinitiierung gegenüber eingebrachter Defekte, sodass die Lebensdauer nicht beeinflusst wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die vorgestellte VAM-Methode ein kostengünstiges In-situ-Verfahren zur Überwachung der strukturellen Integrität von CFK-Strukturen darstellt. Eine einfach Implementierung der zur Einleitung des Trägersignals notwendigen piezokeramischen Sensoren ist auf der Oberfläche möglich und unabhängig vom Spannungszustand der Strukturen gegeben. Anhand der Variation von Einflussparamtern, Lagenaufbau und mechanischer Testverfahren konnte das grundsätzliche Verständnis hinter den gemessenen Signal verbessert und ein weiterer Fortschritt in Richtung des sicheren Einsatz als zuverlässige Prüfmethode erzielt werden.
description: Fibre-reinforced polymer (FRP) composites are characterised by high density-specific stiffness and strength as well as high durability and corrosion resistance. However, the multi-scale and multi-phase structure of FRP also leads to a complex damage mechanism during operation. Any production deviation, such as voids or delaminations, negatively affects residual strength and service life. Monitoring the structural integrity during operation and quality assurance prior to operation is essential for reliable and safe use. Various approaches exist to detect damage at an early stage before failure-critical loads occur. This thesis investigates the applicability of vibro-acoustic modulation (VAM) as a damage detection method for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures. VAM is a vibration-based non-destructive testing (NDT) method that employs high-frequency ultrasonic waves modulated as an introduced carrier signal by low-frequency vibrations with high amplitude. These modulations can be quantified and used to assess damage. In principle, the type of initiation of the low-frequency vibration can vary depending on the application, whereby the carrier signal is usually initiated by piezoceramic actuators. VAM offers great potential in large structures, especially due to its high sensitivity to cracks, simple measuring equipment, and long transmission paths. The complex – and thus well-known – material and damage behaviour of FRP is used in this work to develop a new test method using VAM. Various vibro-acoustic damage indicators are employed to predict the service life and degradation of FRP and to investigate the following research hypothesis: Damage detection and determination of CFRP structures can be ensured through vibro-acoustic in-situ measurements, even retrospectively. The VAM technique permits the monitoring of localised, concentrated damage in notched and impacted CFRP as well as statistically distributed damage in unnotched CFRP laminates. As evidenced by tensile and fatigue tests conducted under controlled conditions, the type and extent of damage could be identified from the VAM signal. Conventional measurement methods such as Acoustic Emission (AE), Ultrasonic testing (US), Digital Image Correlation (DIC) and X-ray analysis (XR) were also used to evaluate the VAM technique. In general, inter-fibre failures lead to an increase in modulation, accumulating over the service life to global delamination, which reduces modulation. Characteristic points, such as resulting damage-related VAM amplitude maxima, can be used for lifetime prediction. The sensitivity of the VAM method increases with increasing crack size. The linear correlation between the projected delamination area and the MI indicates that an estimation of the impact damage has been achieved. Artificially introduced defects such as PTFE films or contamination with release agent can not initially be detected in scarfed(Sc) joints and single-lap shear(SLS) joints using VAM. To monitor the damage progression of the adhesive film due to permittivity changes, localised capacitance measurements of the adhesive film area can be used. An analytical model for determining crack length correlates with the VAM signal. The combination of both measurement methods demonstrated that, defects in Sc specimens with homogeneous stress distribution have a significant influence on the service life due to the resulting stress concentrations. In contrast, in SLS specimens, the stress concentrations at the overlap ends dominate the development of damage compared to the damage introduced, and thus do not affect the service life. The results of this study demonstrate that the VAM method is a cost-effective in-situ technique for monitoring the structural integrity of CFRP structures. Implementation of the piezoceramic sensors required to introduce the carrier signal is simple and can be done on the surface, independent of the stress state of the structures. The influencing parameters, layer structure, and mechanical test procedures were adjusted, thereby facilitating enhanced comprehension of the measured signal and further advancement towards its implementation as a reliable NDT methodology.