Numerische Analyse der nichtlinearen Wellenausbreitung in delaminierten Faser-Metall-Laminaten
Publication date
2025-11-11
Document type
Dissertation
Author
Advisor
Referee
Lammering, Rolf
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2025-10-16
Organisational unit
Project
Ultrasonic Monitoring of Fibre Metal Laminates using Integrated Sensors / FOR 3022
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
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File(s)
Language
German
DDC Class
500 Naturwissenschaften
Keyword
Nichtlineare Wellenausbreitung
Geführte Ultraschallwellen
Schadensdetektion
Faser-Metall-Laminat
Kontaktakustik
Delamination
Zero-Frequency-Component
Null-Frequenz-Komponente
Zweitharmonische Mode
Höherharmonische Mode
Kumulatives Verhalten
Abstract
Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der numerischen Untersuchung der nichtlinearen Wellenausbreitung aufgrund interlaminarer Schäden wie Delaminationen in Faser−Metall−Laminaten im Hinblick auf ihre Anwendung in der strukturellen Schadensdetektion und −charakterisierung. Faser−Metall−Laminate bezeichnet eine Gruppe von Hybridwerkstoffen, deren Struktur aus alternierenden Schichten von Metall und faserverstärkten Kunststoffen besteht. Im Rahmen der Untersuchung wird ein numerisches Modell zugrunde gelegt, wobei die Modellierung einer physikalisch validen und realitätsnahen Delamination sowie ihrer Interaktion mit geführten Wellen einen besonderen Augenmerk einnehmen. Die komplexen mechanischen Eigenschaften von Faser−Metall−Laminaten erfordern eine eingehende Analyse ihres globalen nichtlinearen Verhaltens. Hierzu werden hyperelastische Materialmodelle eingesetzt, welche die Analyse höherharmonischer Moden und des Nichtlinearitätsparameters über weite Ausbreitungsstrecken ermöglichen. Die Analyse ergibt ein konsistentes Ergebnis im Zusammenhang mit der analytisch berechneten Dispersionslänge in Bezug auf den kumulativen bzw. quasi−kumulativen Effekt. Darauf aufbauend erfolgt die Analyse der nichtlinearen Akustik mittels Kontaktdefinition an den Delaminationsgrenzen hinsichtlich der Generierung höherharmonischer Moden sowie des Einflusses auf die Verschiebungsfelder. Die vorliegende Analyse demonstriert, dass das kumulative Verhalten der höherharmonischen Moden in der unmittelbaren Nähe der Delamination eine starke Ausprägung zeigt und nach außen hin abklingt. Das nichtlineare Ausbreitungsverhalten unterscheidet sich also aufgrund der auftretenden höher− und subharmonischen Moden im Frequenzbereich mit den entsprechenden Peaks maßgeblich vom linearen Fall. Somit erweist sich die Verwendung von geführten Wellen zur Detektion von Delaminationen in Faser−Metall−Laminate als eine geeignete Methode.
This study focuses on the numerical investigation of nonlinear wave propagation due to interlaminar damage such as delamination in fibre−metal−laminates with regard to their application in structural damage detection and characterisation. Fibre refers to a group of hybrid materials consisting of alternating layers of metal and fibre reinforced polymers. The investigation is based on a numerical model, with particular attention given to the modelling of physically valid and realistic delamination and its interaction with guided waves. The complex mechanical properties of fibre metal laminate require a thorough analysis of its global nonlinear behaviour. For this purpose, hyperelastic material models are used, which enable the analysis of higher harmonic modes and the nonlinearity parameter over long propagation distances. This analysis yields consistent results in correlation with the analytically determined dispersion length with regard to the cumulative or quasi-cumulative effect. Based on this, the nonlinear acoustics are analysed by defining contact at the delamination boundaries with regard to the generation of high harmonic modes and the influence on the displacement fields. The present analysis demonstrates that the cumulative behaviour of the higher harmonic modes is strongly pronounced in the immediate proximity of the delamination and attenuates towards the periphery. The nonlinear propagation behaviour therefore differs significantly from the linear case due to the higher- and subharmonic modes occurring in the frequency range with the corresponding peaks. Thus, the use of guided waves for the detection of delamination in fibre metal laminates proves to be a suitable method.
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