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Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren

Projekttitel:

Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren (DFG 409779252)

Kurzfassung:

Im Rahmen der Entwicklung ultraschallbasierter Messsysteme kommen immer häufiger Kunststoffe zum Einsatz, deren mechanische und akustische Eigenschaften zunächst charakterisiert werden müssen. Die Kenntnis dieser Materialeigenschaften ist besonders für die Modellierung und numerische Simulation von Messsystemen unumgänglich. Dabei kann die Kenntnis polymerer Materialparameter auch für die Modellierung von Verbund- und Funktionswerkstoffen (z.B. Matrixmaterial bei faserverstärkten Kunststoffen) vorteilhaft sein, wenn es beispielweise um deren zerstörungsfreie Prüfung geht. Die Herausforderung bei der Beschreibung von Polymeren liegt dabei in ihrem typischerweise viskoelastischen Verhalten. Daher lassen die sich akkurat nur durch mehrere frequenz- und temperaturabhängige Parameter abbilden. In standardisierten Messverfahren werden diese Parameter bislang nur (quasi-) statisch bestimmt; die Ergebnisse lassen sich nicht ohne Weiteres auf das Verhalten im Ultraschallbereich übertragen. Bisher konnte in Zusammenarbeit beider Antragsteller ein Verfahren zur Bestimmung der temperatur- und frequenzabhängigen Materialkenngrößen im Ultraschallbereich mittels geführter Wellen realisiert werden. Durch Transmissionsmessungen an hohlzylindrischen Probekörpern kann bei bekanntem Sendesignal und gemessenem Ausgangssignal durch einen Vergleich mit einem Simulationsmodells mittels numerischer Optimierungsalgorithmen auf die akustischen Eigenschaften des Wellenleiters geschlossen werden. Somit können Parameter bestimmt werden, welche eine möglichst realitätsgetreue Abbildung des Materials im Simulationsmodell ermöglicht. Allerdings zeigt sich, dass dieses Verfahren Materialparameter, welche das Scherverhalten beschreiben, nur mit großer Unsicherheit bestimmen kann. Um die Sensitivität auf diese Parameter zu erhöhen, soll im beantragten Forschungsprojekt eine alternative, azimutal abhängige Anregung realisiert werden, welche die Ausbreitung weiterer Wellenarten ermöglicht. Neben der messtechnischen Umsetzung dieser Anregung wird das Simulationsmodell mittels der Scaled Boundary Finite Element Method für das neue Messsystem angepasst. Zusätzlich wird das Simulationsmodell erweitert, sodass es die für die numerische Optimierung vorteilhaften Ableitungsinformationen mittels Algorithmischen Differenzierens zur Verfügung stellen kann. Mit dem entstehenden Messverfahren werden unterschiedliche Polymere charakterisiert sowie die Gültigkeit existierender Materialmodelle über einen großen Frequenzbereich überprüft. Die gewonnenen Ergebnisse werden mit aus niederfrequenten Messungen extrapolierten Daten im Rahmen einer Unsicherheitsabschätzung verglichen und validiert.

Kooperationspartner:

Dr. rer. nat. Hauke Gravenkamp (Statik und Dynamik der Flächentragwerke, Universität Duisburg-Essen)

Projektlaufzeit:

2019 bis 2022

Die Universität der Informationsgesellschaft