Rauter, Natalie

In recent research on Structural Health Monitoring (SHM) guided waves, especially nonlinear Lamb waves, turned out to be a suitable means for monitoring material deterioration in thin-walled structures. In the corresponding numerical simulations on wave propagation the nonlinear elastic theory by Murnaghan is often implemented, which requires 14 material parameters for transversely isotropic materials. Enhancing an existing linear strain energy potential, a new nonlinear hyperelastic transversely isotropic material model is introduced which reduces the number of independent material parameters to six. In order to verify the applicability of the presented material model with respect to the simulation of nonlinear wave propagation in composite structures, and the generation of higher harmonic wave modes, the existence of a power flux from the fundamental to the higher harmonic mode is investigated analytically and numerically. Analytical considerations show that this power flux exists like in Murnaghan's theory. For the numerical validation the S0–S0 mode pair in the low frequency range is used. Therefore, the amplitude of the second harmonic wave mode is oscillating with increasing propagation distance. This behavior is in excellent agreement with the theoretical prediction. It is shown further, that even for an oscillating behavior the amplitude of the second harmonic mode can be approximated by a linear curve fit over a considerably propagation distance and hence shows a quasi cumulative behavior. Therefore, the introduced material model is an advantageous alternative to Murnaghan's theory to simulate the second harmonic Lamb wave generation due to in composite structures. © 2017 Elsevier Ltd

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.