Relevance of Manufacturing-Induced Residual Stress States in Fiber Metal Laminates for Structural Health Monitoring
Structural health monitoring (SHM) is a promising technology for monitoring the structural integrity of fiber metal laminates (FMLs) during operation. SHM systems using guided ultrasonic waves (GUWs) enable the detection of damage located inside a laminate and are, therefore, particularly suitable for FMLs due to their complex damage characteristics. This dissertation explores how manufacturing-induced residual stress states in FMLs affect such an SHM system.
Experimental methods for quantifying residual stresses in FMLs are developed and evaluated. This work shows that process strains can be measured throughout manufacturing with sensors integrated into the laminate. The strain measurements verify different modified cure cycles to change residual stress states in FMLs consisting of carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) and steel. To avoid complex sensor technology in industrial manufacturing processes, a robust method is additionally presented that derives a process-specific parameter, the stress-free temperature, from asymmetrical reference laminates. The stress-free temperature can quantify residual stress states of other laminates with a symmetrical layer structure produced in the same manufacturing process.
The quantified residual stress states in various CFRP-steel laminates allow the experimental investigation of the influence of stress on the propagation velocity of fundamental GUWs. With laser-scanning-vibrometry, dispersion diagrams for various FMLs over a wide frequency range are experimentally determined. The results show no significant influence of the residual stress states on the phase velocity of the fundamental symmetric and asymmetric GUW modes for the investigated FMLs. In contrast, comparative measurements under external tensile prestress show a considerable increase in phase velocity with increasing prestress for both fundamental GUW modes over a wide frequency range.
Finally, fatigue tests are performed on CFRP-steel laminates to investigate the influence of different residual stress states on the residual life prediction capabilities of an SHM system. The results show that reducing residual stresses through modified cure cycles delays crack initiation, reduces crack propagation velocity, and, consequently, extends the fatigue life of the investigated FMLs. Therefore, the results indicate that the fatigue strength of CFRP-steel laminates under cyclic loading can be improved using modified cure cycles.
The findings of this dissertation lead to two main consequences in the context of SHM systems for FMLs. First, since wave propagation velocity is important for damage localization using GUWs, the influence of external loads must be considered in contrast to the influence of manufacturing-induced residual stress states. Second, for remaining service life predictions after damage detection, the knowledge of the residual stress state in FMLs helps improve the prediction quality. The results contribute to advancing the technological maturity of SHM systems for FMLs by demonstrating fundamental relationships between residual stress states and relevant variables of an SHM system and by quantifying the effects.
Die integrierte Strukturüberwachung (engl.: Structural Health Monitoring, SHM) stellt eine vielversprechende Technologie dar, um die strukturelle Integrität von Faser-Metall-Laminaten (FMLs) während des Betriebs zu überwachen. SHM-Systeme, die geführte Ultraschallwellen (GUWs) nutzen, ermöglichen die Detektion von Schäden, die sich im Inneren eines Laminats befinden und sind daher aufgrund der komplexen Schadenscharakteristik von FMLs für diese besonders geeignet. Diese Dissertation untersucht, wie sich die inhärenten fertigungsbedingten Eigenspannungszustände eines FMLs auf ein solches SHM-System auswirken.
Dafür werden experimentelle Methoden zur Quantifizierung von Eigenspannungen in FMLs entwickelt und evaluiert. Die Arbeit zeigt, dass mit Hilfe von im Laminat integrierter Sensorik die entstehenden Prozessdehnungen über den gesamten Fertigungsprozess hinweg gemessen werden können. Mit der entwickelten Methodik werden verschiedene modifizierte Aushärtezyklen zur gezielten Einstellung von Eigenspannungszuständen in FMLs, bestehend aus kohlenstoff-faserverstärktem Kunststoff (CFK) und Stahl, überprüft und validiert. Um in industriellen Fertigungsprozessen auf aufwendige Sensorik verzichten zu können, wird darüber hinaus eine robuste Methode vorgestellt, die aus asymmetrischen Referenzlaminaten einen prozessspezifischen Parameter, die spannungsfreie Temperatur, ableitet. Die spannungsfreie Temperatur ermöglicht die Quantifizierung des Eigenspannungszustands auch für andere Laminate mit symmetrischem Lagenaufbau, die im selben Fertigungsprozess hergestellt werden.
Die quantifizierten Eigenspannungszustände in verschiedenen CFK-Stahl-Laminaten erlauben es, deren Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von fundamentalen GUWs experimentell zu untersuchen. Mittels Laser-Scanning-Vibrometrie werden für die verschiedenen FMLs Dispersionsdiagramme über einen weiten Frequenzbereich experimentell ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass in den untersuchten FMLs kein signifikanter Einfluss der Eigenspannungszustände auf die Phasengeschwindigkeit der fundamentalen symmetrischen und asymmetrischen GUW-Moden nachweisbar ist. Im Gegensatz dazu zeigen Vergleichsmessungen unter äußerer Zugvorspannung eine erhebliche Zunahme der Phasengeschwindigkeit mit zunehmender Vorspannung für beide fundamentale GUW-Moden über breite Frequenzbereiche.
Abschließend werden Ermüdungsversuche an verschiedenen CFK-Stahl-Laminaten durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Eigenspannungszustände auf die Restlebensdauervorhersage eines SHM-Systems zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Reduktion der Eigenspannungen durch modifizierte Aushärtezyklen zu einer Verzögerung der Rissinitiierung und Verringerung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit und damit zu einer Erhöhung der Ermüdungslebensdauer führt. Die Verwendung von modifizierten Zyklen während der Fertigung kann daher die Ermüdungsfestigkeit eines FMLs unter zyklischer Belastung im Betrieb verbessern.
Im Kontext von SHM-Systemen für FMLs ergeben sich aus dieser Dissertation zwei Konsequenzen. Erstens, da für die Schadenslokalisation mit Hilfe von GUWs die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit von großer Bedeutung ist, muss der Einfluss äußerer Lasten, im Gegensatz zum Einfluss von fertigungsinduzierten Eigenspannungszuständen, berücksichtigt werden. Zweitens, für Restlebensdauerprognosen nach Schadensdetektion in einem FML ist die Kenntnis des Eigenspannungszustands hilfreich, um die Prognosegüte zu verbessern. Die gewonnenen Ergebnisse tragen dazu bei, die technologische Reife von SHM-Systemen für FMLs voranzutreiben, indem grundlegende Zusammenhänge zwischen Eigenspannungszuständen und relevanten Größen eines SHM-Systems aufgezeigt und die resultierenden Effekte quantifiziert werden.
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