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Vermiedene Kreuzungen von Lamb-Wellenmoden in mehrlagigen Strukturen

DFG Projektnummer:

449607253

Kurzfassung:

In diesem Projekt wird eine zerstörungsfreie Prüfmethode zur Charakterisierung der Kopplungsfestigkeit zwischen zwei Schichten entwickelt, wobei die in den Dispersionskurven von mehrschichtigen Strukturen auftretenden Modenabstoßungsbereiche verwendet werden sollen. Nach Wissen der Autoren ist das aktuelle Projekt der erste Versuch, die Modenabstoßung in Bezug auf die Kopplungsstärke zu verstehen und zu charakterisieren. Die Hypothese ist, dass die Kopplungsstärke zwischen zwei Schichten durch Messung des Abstands zwischen zwei gekoppelten Moden in einer Modenabstoßungsregion in Bezug auf die Frequenz oder Phasengeschwindigkeit (Wellenzahl) charakterisiert werden kann. Im Rahmen des Projekts wird der Zusammenhang zwischen der Modenabstoßung und der Kopplungsstärke untersucht und quantifiziert. Um das Ziel des Projekts zu erreichen, werden sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die BAM verfügt über große Erfahrung in der numerischen Modellierung, insbesondere mit der im Projekt zu verwendenden Scaled Boundary Finite Element Methode, und wird die notwendigen zerstörenden Prüfungen für die Validierung der im Projekt zu entwickelnden zerstörungsfreien Methode bereitstellen. EMT verfügt über jahrelange Erfahrung in der Entwicklung der Messmethoden, insbesondere der akustischen Materialparameterbestimmung und den Einsatz inverser Verfahren, die ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts sind. Die Kombination der Kompetenzen und Erfahrungen beider Institutionen im Projekt wird nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Industrie einen wichtigen Beitrag zur zerstörungsfreien Charakterisierung der Qualität von Klebeverbindungen leisten.

Kooperationspartner:

Dr.-Ing. Jens Prager (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin)

Projektlaufzeit:

2020 bis 2023

Projektbezogene Publikationen


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Analysis of Lamb wave mode repulsion and its implications to the characterisation of adhesive bonding strength

Y. Lugovtsova, S. Johannesmann, B. Henning, J. Prager, in: 2019 International Congress on Ultrasonics, Acoustical Society of America, 2019

DOI


Quantifying the coupling strength of adhesively bonded materials by investigating mode repulsion regions

H. Zeipert, S. Johannesmann, M. Nicolai, Y. Lugovtsova, J. Prager, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2021, 2021


К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ В МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПУТЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛАСТЕЙ РАСТАЛКИВАНИЯ БЕГУЩИХ УПРУГИХ ВОЛН

Y. Lugovtsova, H. Zeipert, S. Johannesmann, M. Nicolai, J. Prager, B. Henning, in: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ - XXX Всероссийская школа-конференция, 2021


Investigating peculiarities of piezoelectric detection methods for acoustic plate waves in material characterisation applications

L. Claes, H. Schmiegel, C. Grünsteidl, S. Johannesmann, M. Webersen, B. Henning, tm - Technisches Messen (2021), 88(3), pp. 147-155

Acoustic waves in plates have proven a viable tool for testing and material characterisation purposes. There are a multitude of options for excitation and detection of theses waves, such as optical and piezoelectric systems. While optical systems, with thermoelastic excitation and interferometric detection, have the benefit of being contactless, they usually require rather complex and expensive experimental setups. Piezoelectric systems are more easily realised but require direct contact with the specimen and usually have a limited bandwidth, especially in case of piezoelectric excitation. In this work, the authors compare the properties of piezoelectric and optical detection methods for broad-band acoustic signals. The shape (e. g. the displacement) of a propagating plate wave is given by its frequency and wave number, allowing to investigate correlations between mode shapes and received signal strengths. This is aided by evaluations in normalised frequency and wavenumber space, facilitating comparisons of different specimens. Further, the authors explore possibilities to utilise the specific properties of the detection methods to determine acoustic material parameters.


Measurement and Simulation of Lamb Waves in Adhesive-bonded Multilayer Systems

H. Zeipert, L. Claes, S. Johannesmann, M. Webersen, Y. Lugovtsova, J. Prager, B. Henning, 2021, pp. 91 - 92

DOI


An approach to adhesive bond characterisation using guided acoustic waves in multi-layered plates

H. Zeipert, L. Claes, S. Johannesmann, Y. Lugovtsova, M. Nicolai, J. Prager, B. Henning, at - Automatisierungstechnik (2021), pp. 962-969

An approach for the non-destructive characterisation of adhesive bonds using guided ultrasonic waves is presented. Pulsed laser radiation is used to thermoacoustically excite broadband ultrasonic waves in a multi-layered sample, consisting of a metal plate adhesively joined to a polymeric layer using synthetic resin. The resulting signals are received by a purpose-built piezoelectric transducer. Varying the distance between excitation and detection yields spatio-temporal measurement data, from which the dispersive properties of the propagating waves can be inferred using a two-dimensional Fourier transform, assuming the plates to act as coupled waveguides. Coupled multi-layered waveguides show an effect referred to as <jats:italic>mode repulsion</jats:italic>, where the distance between certain modes in the frequency-wavenumber domain is assumed to be a measure of coupling strength. Measurements at different stages of curing of the adhesive layer are performed and evaluated. A comparison of the results shows changes in the dispersive properties, namely an increased modal bandwidth for the fully cured sample as well as an increased modal distance.


Estimation of viscoelastic material parameters of polymers using Lamb waves

S. Johannesmann, L. Claes, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1401-1404


Quantification of the adhesive coupling of layered structures using guided ultrasonic waves

M. Nicolai, H. Zeipert, Y. Lugovtsova, J. Bulling, S. Johannesmann, J. Prager, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1394-1397


Lamb wave based approach to the determination of acoustic material parameters

S. Johannesmann, L. Claes, N. Feldmann, H. Zeipert, B. Henning, tm - Technisches Messen (2022), 89(7 - 8), pp. 493 - 506

<jats:title>Abstract</jats:title> <jats:p>In this paper a measurement procedure to identify viscoelastic material parameters of plate-like samples using broadband ultrasonic waves is presented. Ultrasonic Lamb waves are excited via the thermoelastic effect using laser radiation and detected by a piezoelectric transducer. The resulting measurement data is transformed to yield information about multiple propagating Lamb waves as well as their attenuation. These results are compared to simulation results in an inverse procedure to identify the parameters of an elastic and a viscoelastic material model.</jats:p>


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Ansprechpartner

Henning Zeipert, M.Sc.

Elektrische Messtechnik (EMT)

Schallwandlerentwicklung, Charakterisierung von Mehrschichtsystemen

Henning Zeipert
Telefon:
+49 5251 60-3021
Büro:
P1.5.18.2

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