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Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren II

DFG Projektnummer:

409779252

Kurzfassung:

Die Verwendung von Polymeren allgemein und deren Einsatz speziell in Ultraschall-Messsystemen, nimmt aktuell stark zu. Die Entwicklung der komplexen Messanordnungen erfordert dabei den Einsatz computergestützter Entwurfsmethoden. Diese liefern jedoch nur realitätsnahe Ergebnisse, wenn physikalisch-korrekte Materialgesetze und präzise Materialparameter bekannt sind. Die viskoelastischen und temperaturabhängigen Eigenschaften von Polymeren werden bisher auf Basis standardisierter Prüfverfahren ermittelt, die jedoch nur im quasi-statischen bzw. niederfrequenten Bereich gültig sind. Die angestrebten Einsatzgebiete im Ultraschallbereich erfordern somit neue Messmethoden, die Materialparameter von Polymeren im Hochfrequenzbereich (MHz) möglichst zerstörungsfrei und hoch präzise zu bestimmen.

Von den Antragstellern wurden bereits erfolgreich Verfahren zur Materialcharakterisierung auf Basis wellentheoretischer Ansätze entwickelt. Hierzu wird ein inverses Verfahren genutzt, bei dem die Abweichungen von Messdaten und mittels eines Vorwärtsmodells simulierten Daten (digitaler Zwilling), unterstützt durch Optimierungsverfahren, minimiert werden. Als Probekörper werden extrudierte zylindrische Polymerproben eingesetzt, deren Materialverhalten als transversal-isotrop angenommen wird. Im Vorgängerprojekt konnte durch den Einsatz nicht-uniformer Schallanregung mittels segmentierter Schallwandler (Sektor- und Ringanordnung) insbesondere die Unsicherheit bzgl. der ermittelten Scherparameter deutlich reduziert werden. Unter Ausnutzung der semi-analytischen Lösungscharakteristik und der Symmetrie der Probekörpergeometrie gelang es, auch die Rechenzeit für das SBFEM basierte Vorwärtsmodell erheblich zu reduzieren. Außerdem konnte die Optimierung der Parameteridentifikation durch Verwendung zusätzlicher Ableitungsinformationen signifikant beschleunigt werden. 

Aus der nicht-uniformen bzw. segmentierten Schallanregung ergeben sich jedoch neue Herausforderungen. So müssen insbesondere Sender und Empfänger bei der Messung präzise zueinander ausgerichtet sein, um die Äquivalenz zur Simulation zu gewährleisten. Um die hieraus resultierenden Unsicherheiten zu vermeiden, soll nun nur noch ein segmentierter Schallwandler als Sender und Empfänger eingesetzt werden. Hieraus erhöhen sich die Anforderungen an die Systemcharakterisierung und Signalverarbeitung deutlich. Der Optimierungsalgorithmus zur Parameteridentifikation ist noch zu verbessern. Die bereits im Vorgängerprojekt identifizierte, sehr robuste Kostenfunktion wird nun genutzt, um die Zylindergeometrie gezielt zu optimieren und die Eindeutigkeit der gefundenen Parametersätze zu sichern. Mittels temperaturabhängiger Messungen soll die Stabilität des verbesserten Mess- und Optimierungsverfahrens überprüft und nachgewiesen werden. Neue theoretische Ansätze zur Modellierung der Dämpfungseigenschaften sind hinsichtlich ihrer Gültigkeit und Anwendbarkeit zu überprüfen und mit klassischen Dämpfungsmodellen zu vergleichen.

Kooperationspartner:

Prof. Dr.- Ing. habil. Carolin Birk (Statik und Dynamik der Tragwerke, Universität Duisburg-Essen)

Projektlaufzeit:

2022 bis 2025

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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Sie interessieren sich für:
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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