Geführte Wellen in vorgespannten und geschichteten Wellenleitern

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Ausbreitungsverhalten geführter Wellen in vorgespannten und geschichteten Wellenleitern anhand von experimentellen und numerischen Untersuchungen analysiert. Anhand experimenteller Versuchsreihen wird an Aluminiumproben der Einfluss einer Vorspannung in Ausbreitungsrichtung der Wellen auf die Phasengeschwindigkeit untersucht. Darauf aufbauend werden numerische Untersuchungen durchgeführt, um die Eignung verschiedener hyperelastischer Materialmodelle hinsichtlich dieser Einflüsse über große Frequenzbereiche zu bewerten. Im Gegensatz zur einschlägigen Literatur im Bereich technischer Anwendungen wird neben dem häufig verwendeten Materialmodell nach Murnaghan auch das Neo-Hooke-Materialmodell verwendet, um die Anwendbarkeit weniger komplexer Modelle ohne die Verwendung von Materialkonstanten höherer Ordnung zu untersuchen. Im Bereich der geschichteten Wellenleiter wird anhand von experimentellen Versuchsreihen das grundlegende Ausbreitungsverhalten von geführten Wellen in einem Faser-Metall-Laminat aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und Stahl untersucht. Anhand von Vergleichen mit numerischen Untersuchungen können analytische und numerische Ansätze, bekannt aus isotropen Materialien und faserverstärkten Kunststoffen für das hier verwendete Werkstoffsystem validiert werden. Der Fokus dieser Vergleiche liegt neben den Dispersionsbeziehungen auf den Verschiebungsfeldern der geführten Wellen.

In this work, the propagation behavior of guided waves in pre-stressed and layered waveguides is analysed by means of experimental and numerical investigations. The influence of pre-stressing in the propagation direction of the waves on the phase velocity is investigated by means of experimental studies on aluminum specimens. Based on this, numerical investigations are carried out to evaluate the suitability of various hyperelastic material models regarding these influences over large frequency ranges. In contrast to the relevant literature in the field of technical applications, the Neo-Hooke material model is used in addition to the frequently used Murnaghan material model in order to investigate the applicability of less complex models without the use of higher-order material constants. In the field of layered waveguides, the fundamental propagation behavior of guided waves in a fiber-metal laminate made of carbon fiber-reinforced polymers and steel is investigated on the basis of experimental studies. Based on comparisons with numerical investigations, analytical and numerical models known from isotropic materials and fiber-reinforced polymers can be validated for the material system used here. The focus of these comparisons is on dispersion relationships as well as on the displacement fields of the guided waves.