Stochastische Materialmodellierung mit einer Anwendung auf die Wellenausbreitung in Kompositen

Translated title
Stochastic material modeling with an application to wave propagation in composite materials
Publication date
2019
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Zimmermann, Eugen
Advisor
Lammering, Rolf
Referee
Nackenhorst, Udo
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2019-09-20
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Kontinuierliche Modenkonversion
Zufallsfelder
Schadensdetektion
Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wird die stochastische Materialmodellierung mit einer Anwendung auf die Wellenausbreitung in faserverstärkten Platten untersucht. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass in intakten Strukturen neben den primär symmetrischen und antisymmetrischen angeregten Moden ein sekundäres Wellenfeld zu beobachten ist, das auf Wellen des antisymmetrischen Modes zurückzuführen ist. Mit Hinblick auf den Einsatz von geführten Wellen zur Schadensdetektion werden mit dem Aufkommen dieser Erscheinung Aussagen bezüglich des Zustandes der Struktur erschwert. Aktuelle Arbeiten haben gezeigt, dass die nicht regelmäßige Verteilung von Faser- und Matrixmaterial ein Auslöser für die Konversion ist. Konventionelle homogene Materialmodelle können aufgrund ihrer Formulierung diesen Effekt nicht abbilden. Mit der Erweiterung auf den stochastischen Kontext gelingt es, ein inhomogenes Material zu erzeugen, welches in der Lage ist, das beobachtete Wellenverhalten zu reproduzieren. Da Kunststoffe eine nicht zu vernachlässige Dämpfung besitzen, ist neben der Fluktuation der Werkstoffkennwerte ein Modell für das Abklingen der Amplituden vorzusehen. Die Berechnung der Wellen findet unter Verwendung finiter Elemente höherer Ordnung statt. Die durchgeführten numerischen Untersuchungen sowie die anschließende Gegenüberstellung mit Versuchsdaten zeigen die Anwendbarkeit dieser Modellierung.
In this thesis, stochastic material modeling with an application to wave propagation in fiber-reinforced plates is investigated. Experimental investigations show that in undamaged plates, in addition to the primary symmetrical and antisymmetrical excited modes, a secondary wave field can be observed that is related to waves of the antisymmetrical mode. With regard to the use of guided waves for damage detection, the occurrence of this phenomenon complicates statements concerning potential damages. Recent work has shown that the irregular distribution of fiber and matrix material is a trigger for the conversion. Conventional homogeneous material models cannot reproduce this effect due to their formulation. With the extension to the stochastic context it is possible to construct an inhomogeneous material which is able to reproduce the observed wave behavior. Since plastics have an attenuation that is not negligible, a model for the decay of the amplitudes must be provided in addition to the fluctuation of the material properties. The computation of the waves is performed using higher order finite elements. The conducted numerical investigations together with the comparison with experimental data show the applicability of this modelling.
Version
Not applicable (or unknown)
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