DFG-Paketantrag PAK357 (3. Förderperiode): "Integrierte Bauteilüberwachung in Faserverbunden.." Teilprojekt TP3: "Modellierung und numerische Berechnung der Ultraschallwellenausbreitung in heterogenen Strukturen unter Einbeziehung von Schädigungen"

Im Teilprojekt TP3 werden numerische Methoden zur Simulation der Ausbreitung von Ultraschallwellen/Lambwellen in luftfahrttypischen Leichtbaustrukturen mit einem heterogenen Materialaufbau, wie z.B. Sandwichstrukturen mit einem Waben- oder Schaumkern, entwickelt und experimentel erprobt. Für die experimentelle Erprobung wird ein 3D-Laser-Scanning-Vibrometer eingesetzt. Das TP3 soll klären, wie sich Ultraschallwellen in heterogenen Strukturen ausbreiten, wie die Wellen mit inneren Grenzflächen und Schäden, z.B. Ablösen der Deckschichten, Schädigung der Kernschicht infolge eines Impacts, interagieren und wie ein optimales Schadensüberwachungssysten zweckmäßig zu gestalten ist. Da man für die Simulation der hochfrequenten Ultraschallwellen mit klassischen finiten Elementen mit linearen oder quadratischen Ansatzfunktionen wegen der erforderlichen Diskretisierung (kleine Wellenlängen!) an die Grenzen der heutigen Rechentechnik stößt, werden unterschiedliche Möglichkeiten zur effektiven Berechnung komplexer Strukturen entwickelt und untersucht. Dazu gehören:(a) Semi-Analytische Finite-Element-Methoden, (b) Kopplung analytischer und numerischer Methoden,
© Modellvereinfachungen,(d) Finite Elemente hoher Ansatzordnung (Spektrale FEM, p-FEM, NURBS-FEM), (e) Erweiterung der Finite-Cell-Method (FCM) auf die Ausbreitung von Ultraschallwellen.

Modelling and computational analysis of ultrasonic waves in heterogeneous structures including defects

The project TP3 aims to develop computational methods for the simulation and analysis of guided Ultrasonic/Lamb wave propagation in typical aircraft lightweight structures, such as sandwich structures with a heterogeneous core layer (honeycomb, open foam, closed foam. For the experimental investigation of wave propagation a 3D-Laser-Scanning-Vibrometer is applied. The project TP3 aims to explain how ultrasonic guided waves propagate in such structures, how they interact with inner boundaries and failures, such as delamination between the core layer and the top layer due to impacts, damages of the core layer, and how to design an optimal structural health monitoring (SHM) system.  For the simulation of ultrasonic guided waves a very fine spatial and temporal resolution is required, which exceeds the computational possibilities of today s commercial FEA software packages, operating with classical linear or quadratic finite elements, different new methods for an effective analysis of wave propagation in complex structures have to be developed. Consequently, the objective of the aims to develop and to test (a) Semi-analytical finite element methods, (b) Coupling of analytical and computational approaches,
© Simplification of models,(d) Higher order finite elements (spectral FEM, p-FEM, NURBS-FEM), (e) Extension and application of the finite cell method (FCM) to wave propagation analysis.