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Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren

DFG Projektnummer:

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

Projektbezogene Publikationen


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Simulation of guided waves in cylinders subject to arbitrary boundary conditions for applications in material characterization

D. Itner, H. Gravenkamp, D. Dreiling, N. Feldmann, B. Henning, PAMM (2021)

DOI


Efficient semi-analytical simulation of elastic guided waves in cylinders subject to arbitrary non-symmetric loads

D. Itner, H. Gravenkamp, D. Dreiling, N. Feldmann, B. Henning, Ultrasonics (2021), 106389

DOI


On the forward simulation and cost functions for the ultrasonic material characterization of polymers

D. Itner, H. Gravenkamp, D. Dreiling, N. Feldmann, B. Henning, 2021


Application and modelling of ultrasonic transducers using 1-3 piezoelectric composites with structured electrodes

D. Dreiling, D. Itner, N. Feldmann, C. Scheidemann, H. Gravenkamp, B. Henning, in: Fortschritte der Akustik - DAGA 2021, Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA), 2021

Waveguide-based methods can be used for the non-destructive determination of acoustic material parameters. One of these methods is based on transmission measurements of cylindrical polymeric specimens. Here, the experimental setup consists of two transducers, which excite and receive the waveguide modes at the faces of the cylinder. The measurement, as well as a forward model, are used to determine material parameters of the polymeric specimen in an inverse approach. 1-3 piezoelectric composites are used as an active element because they can be approximated by a thickness vibration only. This allows an easy identification of Mason model parameters to characterise the transducers’ vibration behaviour. However, sensitivity analysis shows a high uncertainty in the determination of the mechanical shear parameters due to the uniform excitation. To increase the sensitivity to these shear motions, arbitrary excitations were investigated by means of numerical simulation. In order to be able to realise the determined optimal excitation, new transducer prototypes were designed. By subdividing the electrodes of the active element, for example, ring-shaped excitation is feasible. Furthermore, it can be shown that modelling these transducers with a one-dimensional Mason model is sufficient.


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


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

Dmitrij Dreiling, M.Sc.

Elektrische Messtechnik (EMT)

Materialparameterbestimmung, Inverse Messverfahren

Dmitrij Dreiling
Telefon:
+49 5251 60-4012
Büro:
P1.5.18.3

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