DE102018131948B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren eines Schlagereignisses sowie ein Fahrzeug hierzu - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur (100), die aus einem ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial aufweisenden Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Erfassen einer Strukturschwingung der Faserverbundstruktur (100) mittels mindestens eines Sensors (11), wobei die Faserverbundstruktur (100) zuvor nicht durch einen Aktuator eines Strukturüberwachungssystems angeregt wurde,- Erkennen einer schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analysieren der erfassten Strukturschwingung hinsichtlich der Frequenzen und/oder Amplituden mittels einer Auswerteeinheit (12, 32), und- Detektieren eines Schlagereignisses an der Faserverbundstruktur (100) in Abhängigkeit von dem Erkennen der schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Strukturschwingung in den Frequenzbereich transformiert wird, um das Amplitudenspektrum über die Frequenzen zu erhalten, wobei eine schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analyse des Amplitudenspektrums mittels der Auswerteeinheit (12, 32) erkannt wird, wobei mittels der Auswerteeinheit (12, 32) eine Schadenscharakteristik in Abhängigkeit von der erkannten schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik erkannt wird, um eine Art des Schlagereignisses und/oder eine Schlagschädigung der Faserverbundstruktur (100) zu detektieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur, die aus einem ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial aufweisenden Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur hierzu. Die Erfindung betrifft ebenso ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zum Detektieren eines Schlagereignisses.
  • Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe für den Leichtbau kaum mehr wegzudenken. Faserverbundwerkstoffe weisen dabei in der Regel zwei wesentliche Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterial. Das Fasermaterial verleiht einen aus einem solchen Faserverbundwerkstoff hergestellten Faserverbundbauteil im Wesentlichen seine lasttragenden Eigenschaften in Richtung der Verstärkungsfasern. Durch Aushärten des das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterials werden die Verstärkungsfasern in die vorgegebene Lastrichtung gezwungen und bilden so zusammen mit dem Matrixmaterial eine integrale Einheit.
  • Durch das große Potenzial der Faserverbundwerkstoffe für den Leichtbau werden derartige Werkstoffe auch als äußere Verkleidungselemente von Fahrzeugen verwendet und bilden so nicht selten Teile der äußeren Verkleidung von Straßen- oder sogar Luftfahrzeugen. So ist es bekannt, Tragflächen von Flugzeugen, wie beispielsweise Verkehrsflugzeugen, aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen, um so neben einer verbesserten Stabilität auch Gewicht einsparen zu können.
  • Im Betrieb können Faserverbundstrukturen (auch Faserverbundbauteile genannt), die an exponierten Stellen des Fahrzeuges als Verkleidungselemente angeordnet sind, durch Einschlag stumpfer Objekte beschädigt werden, was die lasttragenden Bauteileigenschaften signifikant verschlechtern kann. Werden Verstärkungsfasern der Faserverbundstruktur durch derartige Schlagereignisse beschädigt, oder gar durchtrennt, so führt dies zu einer Verringerung der Stabilität und Steifigkeit und kann gerade bei Verkehrsflugzeugen zu schwersten Unfällen führen. Dabei können Schäden aufgrund eines Schlagereignisses auch im Inneren des Laminates nicht einsehbar liegen und können über längere Zeit unentdeckt bleiben.
  • An exponierten Positionen, wie beispielsweise Flügelvorderkanten, ist es daher bekannt, diese Stellen mit einer zusätzlichen Stahlfolie abzudecken, um Beschädigungen der Faserverbundstruktur durch derartige Schlagereignisse zu reduzieren. Leider wird hierdurch ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen zunichte gemacht, nämlich die Gewichtseinsparung. Der bei der Herstellung von Faserverbundstrukturen entstehende Mehraufwand gegenüber herkömmlichen isotropen Materialien ist so nur schwer zu rechtfertigen.
  • Des Weiteren existieren Prüf- und Überwachungssysteme, um Beschädigungen an den Faserverbundstrukturen erkennen zu können. Dabei existieren zwei unterschiedliche Konzepte zur Feststellung solcher Schäden, nämlich zum einen externe Prüfsysteme (non-destructive testing (NDT)), wobei hier meist mit Hilfe von Ultraschallanalysen oder Computertomographie das Bauteil analysiert und Beschädigungen dann entsprechend festgestellt werden können. Dies wird meist im Rahmen geplanter Inspektionen im Labor oder der Werkstatt durchgeführt. Darüber hinaus sind sogenannte Structure Health Monitoring-Systeme (SHM) bekannt, die aus einem Netzwerk von Sensoren und Aktuatoren den Zustand einer Struktur überwachen. Hierfür werden in der Regel eine Vielzahl von Sensorsysteme verwendet, die unterschiedlichste Eigenschaften der Faserverbundstrukturen ermitteln und anhand von Abweichungen dann auch eine entsprechende Beschädigung der Struktur schließen.
  • Aus der WO 2013 / 086 626 A1 ist ein Verfahren und ein System zum Detektieren und Lokalisieren von Beschädigungen in großen Faserverbundstrukturen bekannt. Hierzu werden Kohlenstoff-Nanotubes hinzugefügt, die elektrisch leitfähig sind, wobei dann eine Schadensdetektion durch Bestromen der Faserverbundstruktur und Messen von elektrischen Eigenschaften durchgeführt wird.
  • Aus der WO 2011 / 049 801 A1 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren von Beschädigungen bekannt, wobei auch hier die Faserverbundstruktur Kohlenstoff-Nanotubes aufweist, die elektrisch leitfähig sind. Allerdings wird hier eine Schadensdetektion über eine elektrische Widerstandsmessung realisiert.
  • Aus der WO 2010 / 102 208 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der strukturellen Integrität bekannt, wobei hier die Faserverbundstruktur mit Hilfe eines Aktuators angeregt und die durch den Aktuator resultierenden Schwingungen erfasst und analysiert werden, wobei bei einer Veränderung des Schwingungsverhaltens dann auf eine Beschädigung der Struktur geschlossen wird.
  • Aus der WO 2008 / 051 953 A2 ist ein Non-Destructive-Testing-Verfahren (NDT) bekannt, bei dem Anomalien in der Faserverbundstruktur (beispielsweise Beschädigungen) durch Einbringen zweier elektromagnetischer Wellensignale und Messen der Reflektion erkannt werden.
  • Aus der WO 2006 / 009 669 A1 ist ein Verfahren zum Untersuchen von Faserverbundlaminaten bekannt, wobei hier Ultraschallwellen in das Bauteil eingestrahlt und die reflektierten bzw. durchgeschallten Ultraschallwellen dann durch einen Sensor aufgenommen werden. Anhand bestimmter charakteristischer Abweichungen in den Ultraschallsignalen kann dann auf eine Beschädigung der Faserverbundstruktur geschlossen werden.
  • Aus der WO 2006 / 004 733 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen der strukturellen Integrität von Faserverbundbauteilen bekannt, wobei die Oberfläche der Faserverbundbauteile mit einem elektrisch leitfähigen Druckmaterial bedruckt wird und dann eine Widerstandsmessung dieser elektrisch leitfähigen Druckschicht durchgeführt wird.
  • Wurde das Bauteil beschädigt, so ist auch zumindest die vordere Oberfläche mitbeschädigt, was sich in einer Veränderung der Widerstandsmessung der zusätzlich aufgebahrten Druckschicht niederschlägt.
  • Die Untersuchung von Strukturen mit konventionellen NDT-Methoden hat den Nachteil, dass sie nur unter Einsatz relativ unflexibler, stationärer Messsysteme durchgeführt werden kann. Für eine reale Struktur hat dies zur Folge, dass Schäden nur im Rahmen einer Inspektion in einer Werkstatt festgestellt werden können. Je nach Bauweise ist es sogar möglich, dass nicht die komplette Struktur für die Messinstrumente zugänglich ist. Somit ist die Überwachbarkeit des Zustandes nur mit Einschränkungen möglich. Darüber hinaus ist der Untersuchungsprozess zeitaufwändig, da die Struktur sukzessiv analysiert werden muss.
  • SHM-Systeme unterliegen diesen Einschränkungen nicht. Fest in die Struktur integriert, sind diese in der Lage, den Zustand jederzeit zu überwachen. Hieraus ergibt sich jedoch ein anderer Nachteil. Ein solches System muss bereits bei der Fertigung in die Struktur eingebracht oder nachträglich aufwändig appliziert werden. Dies kann zu Beschränkungen der thermischen Belastbarkeit und zu geometrischen Einschränkungen sowie Mehrgewicht führen.
  • Die US 2014 / 0 202 248 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Schlagereignissen mittels Schallwellen in Faserverbundbauteilen. Hierbei wird das Bauteil passiv auf übertragene Schallsignale überwacht und bei einer Schallpulserkennung geprüft, ob auf einen initialen Schallpuls weitere Schallpulse folgen und ggf. weitere Kriterien wie einen Mindestausschlag erfüllen. Ist dies der Fall, wird auf ein Schlagereignis geschlossen und eine akustische Quantifizierung des Schadens vorgenommen.
  • Die US 2018 / 0 045 688 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Erkennung und Bewertung von Schadensereignissen während der Herstellung eines Faserverbundbauteils. Das Bauteil wird mittels drahtloser Piezosensoren passiv auf mechanische Schwingungen überwacht und eine durch ein Schlagereignis entstehende Schwingung durch Vergleich mit einer natürlichen Grundschwingung evauliert.
  • Der US 2017 / 0 248 556 A1 ist ein piezoelektrischer Sensor zu entnehmen, der beispielsweise in oder auf einem Faserverbundbauteil zur Schlagereignisüberwachung montierbar ist. Der Sensor weist zwei Messregionen auf, zwischen denen ein winkelabhängig variierender Abstand realisiert, beispielsweise indem sich die zweite Messregion in einem spiralartigen Bogen an die erste Messregion annähert. Mit einem solchen piezoelektrischen Sensor ist es möglich, die Energie und den Ort eines Schlagereignisses auf dem Bauteil zu detektieren.
  • Die US 2014 / 0 260 527 A1 betrifft ein Verfahren zur Überprüfung von Betonbauteilen, beispielsweise im Straßen- und Brückenbau. Hierbei wird ein Prüfmittel in Richtung der Betonoberfläche beschleunigt und dessen Einschlagszeit sowie die hierbei entstehenden mechanischen Schwingungen analysiert.
  • Die US 6 370 964 B1 offenbart eine Diagnoseschicht für beispielsweise Faserverbundbauteile, die ein Netzwerk von Aktoren und Sensoren zum Structural Health Monitoring aufweist. Hierbei dienen insbesondere piezoelektrische Bauelemente gleichzeitig als Sensoren und Aktoren. Mit der Diagnoseschicht werden durch einen Aufprall verursachte mechanische Schwingungen detektiert, aber beispielsweise auch ein Aushärtprozess des Bauteils überwacht.
  • Die EP 3 410 082 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Schlagereignisses an einem Flügel eines Flugobjektes. Dabei wird mithilfe eines optischen Akustiksensors, der mechanisch mit der Flugzeugstruktur verbunden ist, ein derartiges Ereignis detektiert.
  • Eine ähnliche Vorgehensweise offenbart auch die US 2011 / 0 112 775 A1 , bei der mithilfe einer Vielzahl von hierzu elektrischen Sensoren die Strukturintegrität einer Flugzeugstruktur überwacht wird.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit der sich Beschädigungen von Faserverbundstrukturen während des Einsatzes bzw. im Betrieb feststellen lassen, ohne das hierfür die Faserverbundstrukturen bzw. Faserverbundbauteile entsprechend zur Aufnahme angepasst werden müssten. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen von Beschädigungen an Faserverbundstrukturen anzugeben, bei dem sich das verwendete Detektionssystem auch nachträglich in die Struktur einbringen lässt.
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1, der Vorrichtung gemäß Anspruch 8 sowie einem Fahrzeug gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
  • Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur vorgeschlagen, wobei die Faserverbundstruktur (Faserverbundbauteil) aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Der Faserverbundwerkstoff weist dabei mindestens ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial auf, wobei das Fasermaterial in das Matrixmaterial eingebettet und das Matrixmaterial ausgehärtet ist. Die Faserverbundstruktur kann selbstverständlich noch weitere Elemente enthalten.
  • Erfindungsgemäß wird nun kontinuierlich eine Strukturschwingung der Faserverbundstruktur mittels mindestens eines Sensors erfasst, wobei die Faserverbundstruktur dabei zuvor nicht durch einen Aktuator eines Strukturüberwachungssystems angeregt wurde. Vielmehr wird lediglich die natürliche Strukturschwingung der Faserverbundstruktur durch den Sensor erfasst, wobei die erfasste Strukturschwingung gerade nicht auf einer Anregung durch einen Aktuator eines Strukturüberwachungssystems (SHM) basiert. Dabei wird kontinuierlich über die Zeit die Strukturschwingung der Faserverbundstruktur erfasst und mit Hilfe einer Auswerteeinheit kontinuierlich ausgewertet.
  • Die in einem Zeitabschnitt erfasste Strukturschwingung der Faserverbundstruktur wird dann mittels einer Auswerteeinheit untersucht, um eine schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analysieren der erfassten Strukturschwingung hinsichtlich der Frequenzen und/oder Amplituden zu erkennen. Wurde eine solche schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik erkannt, so wird sodann auf ein Schlagereignis an der Faserverbundstruktur geschlossen.
  • Die Erfinder haben dabei erkannt, dass jedes Schlagereignis an einer Faserverbundstruktur im Betrieb eine charakteristische Strukturschwingung erzeugt, die sich mit Hilfe von Sensoren erfassen und entsprechend durch Analysieren der erfassten Strukturschwingung erkennen lässt. Weist die erfasste Strukturschwingung, die mit Hilfe der Sensoren erfasst wurde, die entsprechende schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik für Schlagereignisse auf und lässt sich eine solche Charakteristik in der Strukturschwingung erkennen, so kann auf das Vorliegen eines Schlagereignisses geschlossen werden. Die Auswerteeinheit kann dabei so ausgebildet sein, dass sie ein entsprechendes Schlagereignis anhand der erkannten schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik detektiert und entsprechend in einer Datenbank hinterlegt oder eine entsprechende Warnung ausgibt.
  • Mit dem vorliegend erfindungsgemäßen Verfahren wird es somit möglich, Schlagereignisse an Faserverbundstrukturen im Betrieb der Faserverbundstruktur, d.h. während die hergestellte Faserverbundstruktur bestimmungsgemäß gebraucht bzw. verwendet wird, zu erkennen, ohne dass die Struktur selber durch einen Aktuator angeregt werden muss oder anderweitig durch zusätzliche Maßnahmen manipuliert werden muss (beispielsweise durch Bestromen). Vielmehr reicht es bei der vorliegenden Erfindung lediglich aus, mit Hilfe von entsprechenden Sensoren (beispielsweise Dehnmessstreifen oder Piezosensoren) eine Strukturschwingung zu erfassen und dann die erfasste Strukturschwingung hinsichtlich einer bestimmten Schwingungscharakteristik zu untersuchen, um bei Vorliegen einer auf ein Schlagereignis hinweisenden Schwingungscharakteristik auf ein solches Schlagereignis zu schließen.
  • Unter einem Schlagereignis im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei die Einwirkung eines oder mehrerer Objekte auf die Faserverbundstruktur mit einer bestimmten Kraft, insbesondere einer zerstörenden Kraft, verstanden. Ein solches Schlagereignis kann dabei zerstörend oder nicht zerstörend sein. Unter einem Schlagereignis werden dabei insbesondere jene auf die Faserverbundstruktur einwirkenden Ereignisse verstanden, bei denen auf die Faserverbundstruktur einwirkenden Objekte eine Schädigung der Faserverbundstruktur erzeugen.
  • Das Detektieren eines Schlagereignisses umfasst dabei insbesondere den Zeitpunkt des Schlagereignisses, die Art des Schlagereignisses und/oder eine Schlagschädigung der Faserverbundstruktur. Es wird mithilfe der Erfindung insbesondere möglich, eine Schädigung der Faserverbundstruktur als Schlagereignis in Abhängigkeit von dem Erkennen einer schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik zu detektieren, wodurch während des bestimmungsgemäßen Gebrauches der Faserverbundstruktur entsprechende Schädigungen der Faserverbundstruktur basierend auf einer Einwirkung mit einer Kraft auf die Faserverbundstruktur detektierbar werden.
  • Erfindungsgemäß wird die erfasste Strukturschwingung in den Frequenzbereich transformiert (beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation), um das Amplitudenspektrum über die Frequenzen zu erhalten, wobei eine bestimmte Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analyse des Amplitudenspektrums mittels der Auswerteeinheit erkannt wird. So zeigt sich in dem Amplitudenspektrum bei einem Schlagereignis eine besondere Charakteristik der Amplituden, die sich automatisiert durch eine Auswerteeinheit erkennen lässt, sodass sich prozesssicher Schlagereignisse an der Faserverbundstruktur detektieren lassen.
  • Hierbei kann vorgesehen sein, dass zum Erkennen der bestimmten Schwingungscharakteristik mittels der Auswerteeinheit das Amplitudenspektrum dahingehend untersucht wird, ob bei bestimmten Frequenzen und/oder Frequenzbereichen die jeweiligen Amplituden über einem gewissen Schwellenwert liegen. Es hat sich gezeigt, dass Schlagereignisse, insbesondere jene Schlagereignisse, die eine Beschädigung der Faserverbundstruktur verursachen, bei bestimmten Frequenzen und/oder Frequenzbereichen ein charakteristisches Amplitudenspektrum zeigen, wobei hierbei die Amplituden teilweise über einem gewissen Schwellenwert liegen.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin anhand der erfassten Strukturschwingung nicht nur detektiert wird, ob ein Schlagereignis vorliegt, sondern auch, welche Art von Schlagereignis der Strukturschwingung zugrunde liegt. So ist es vorteilhaft, wenn mittels der Auswerteeinheit eine Schadenscharakteristik in Abhängigkeit von der erkannten bestimmten Schwingungscharakteristik erkannt wird. Es lässt sich somit nicht nur darauf schließen, dass ein Schlagereignis mit einer Schädigung der Faserverbundstruktur vorliegt, sondern auch, ob Verstärkungsfasern in der oberen Deckschicht geschädigt wurden oder ob (weitere) strukturelle Schädigungen der Faserverbundstruktur im Inneren des Laminates aufgetreten sind (beispielsweise eine Delaminierung einzelner Faserlagen).
  • Die Schadenscharakteristik kann dabei beispielsweise aus dem betroffenen Frequenzbereich abgeleitet werden. So ist bekannt, dass Schädigungen der Verstärkungsfasern zu einem charakteristischem Amplitudenverlauf in einem ersten Frequenzbereich führen, während eine Delaminierung als zweite Schadensart einen entsprechenden charakteristischen Amplitudenverlauf in einem abweichenden zweiten Frequenzbereich hat.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Erkennen der schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik die erfasste Strukturschwingung mit mindestens einer vorgegebenen Strukturschwingung, die ein Schlagereignis der Faserverbundstruktur charakterisiert, mittels der Auswerteeinheit verglichen. Derartige vorgegebene Strukturschwingungen können dabei beispielsweise zuvor mittels eines Laborversuches oder durch numerische Methoden bestimmt werden.
  • So ist es denkbar, dass die vorgegebene und im Labor erfasste Strukturschwingung in Form eines Amplitudenspektrums im Frequenzbereich dargestellt wird und in dieser Form mit der erfassten Strukturschwingung, die ebenfalls als Amplitudenspektrum im Frequenzbereich vorliegt, verglichen wird, um so Übereinstimmungen im Amplitudenspektrum, die ein Schlagereignis charakterisieren, in den erfassten Strukturschwingungen der Faserverbundstruktur identifizieren zu können.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Strukturschwingung mittels mindestens eines Dehnmessstreifens und/oder mittels mindestens eines piezoelektrischen Sensorelementes als Sensor erfasst. Mit Hilfe eines Dehnmessstreifens, der hochfrequent abgetastet wird, lässt sich dabei ein Dehnungs-Zeit-Verlauf als Strukturschwingung erfassen, während mit Hilfe eines Piezosensors ein Kraft-Zeit-Verlauf als Strukturschwingung erfassen lässt.
  • Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist hierzu mindestens einen Sensor auf, der mit einer Auswerteeinheit signaltechnisch in Verbindung steht. Der Sensor erfasst dabei Strukturschwingungen der Faserverbundstruktur und leitet diese an die Auswerteeinheit weiter, die dann durch Analyse der erfassten Strukturschwingung eine schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik erkennt und dann basierend hierauf ein Schlagereignis identifiziert.
  • Hierbei ist es denkbar, dass eine Vielzahl von Sensoren in Form eines Sensornetzwerkes verwendet werden, die mit der Auswerteeinheit in Verbindung stehen. Derartigen. Derartige Sensoren können beispielsweise Dehnmessstreifen sein.
  • Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Fahrzeug gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Fahrzeug eine Vorrichtung zum Detektieren eines Schlagereignisses, wie vorstehend beschrieben, aufweist.
  • Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn äußere Verkleidungselement, wie beispielsweise Rumpfschalen oder Flügelschalen von Flugzeugen, mit entsprechenden Sensoren versehen sind, die eine Strukturschwingung erfassen, wobei dann mit Hilfe der Auswerteeinheit entsprechende Schlagereignisse basierend auf den erfassten Strukturschwingungen identifiziert werden können.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
    • 1 - schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 2 - beispielhafte Darstellung zweier charakteristischer Strukturschwingungen;
    • 3 - schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels an einem Verkehrsflugzeug.
  • 1 zeigt erfindungsgemäß die Vorrichtung 10, die im Ausführungsbeispiel der 1 drei Dehnmessstreifen 11c hat, die mit einer Auswerteeinheit 12 signaltechnisch in Verbindung stehen. Jeder der Sensoren 11a bis 11c liefert dabei einen Dehnungs-Zeit-Verlauf 13, dessen zeitliche Auflösung von der Abtastfrequenz durch die Auswerteeinheit 12 abhängt. Die drei Dehnmessstreifen 11 a bis 11c sind dabei an einer zu überwachenden Faserverbundstruktur 100 angeordnet.
  • Dieser Dehnungs-Zeit-Verlauf wird nur mit Hilfe der Auswerteeinheit in den Frequenzbereich transformiert, sodass das Amplitudenspektrum erkennbar wird. Aus dem Amplitudenspektrum wird dann versucht zu erkennen, ob charakteristische Merkmale vorhanden sind, die auf ein Schlagereignis hindeuten.
  • Zwei solche Frequenzspektren sind beispielhaft in 2 gezeigt. Im oberen Beispiel wurde der Dehnungs-Zeit-Verlauf 13 in den Frequenzbereich mittels einer Fast-Fourier-Transformation transformiert, sodass nun die Amplituden über die beteiligten Frequenzen sichtbar werden. Zu erkennen ist im oberen Spektrum a), das im Frequenzbereich bei 22 kHz und 25 kHz die Amplituden einen charakteristischen Ausschlag 20 aufweisen, der auf ein Schlagereignis schließen lässt. Verglichen mit einem (noch nicht dargestellten) Frequenzspektrum bzw. Amplitudenspektrum einer Strukturschwingung ohne Schlagereignis lässt sich erkennen, dass diese beiden Amplitudenmaximas 20a und 20b auf eine Schädigung als Schlagereignis hindeuten. Es ist somit nicht nur feststellbar, ob ein Schlagereignis stattgefunden hat, sondern auch, ob eine Schädigung der Faserverbundstruktur durch das Schlagereignis aufgetreten ist.
  • Tatsächlich wurden in Versuchen an Faserverbundstrukturen gezeigt, dass Schlagschäden an Faserverbundstrukturen, die einen kleinen Faserbruch zur Folge haben, ein derartiges Amplitudenspektrum entsteht.
  • Im unteren Frequenzspektrum b) ist zu erkennen, dass das Amplitudenmaximal um 25 kHz deutlich ausgeprägter ist als im oberen Spektrum, was mit der Größe der Schädigung zusammen hängt. Im unteren Teil wurde ein größerer Bereich der Faserverbundstruktur geschädigt, was sich in den jeweiligen charakteristischen Amplitudenverläufen bei ca. 20 kHz und 25 kHz zeigt.
  • Schädigungsvorgänge an Faserverbundstrukturen haben eine Schwingungsanregung der Struktur zufolge. Die entsprechenden Schwingungen wirken sich auf Spannungen und Dehnungen oder im Falle eines Schlagschadens auf den Kontaktkraftverlauf aus. Dehnungs- oder Kontaktkraftsignale sind dabei mit hoher Messfrequenz erfassbar. Durch Transformation in dem Frequenzbereich kann das dazugehörige Spektrum beteiligter Frequenzen ermittelt werden. Die beteiligten Schwingungen können sich aus zwei Teilen zusammensetzen. Neben den schädigungsinduzierten Schwingungen regt die für die Schädigung ursächliche äußere Einwirkung, wie beispielsweise ein Schlagschaden, Eigenmoden der Struktur mit breitem Frequenzband an. Anhand der Identifikation der (meist höherfrequenten) Moden, die durch Schädigungsvorgängen induziert werden, kann eine Identifizierung von Schäden und eine eindeutige Zuweisung von Schadensphänomenen zu einer entsprechend angeregten Frequenz im Amplitudenspektrum erfolgen.
  • Ein Anwendungsbeispiel für eine derartige Vorrichtung ist in 3 schematisch gezeigt, wobei hier ein Verkehrsflugzeug 30 mit einem Netzwerk von Sensoren 31 für die äußere Hülle versehen wurde. Das Sensornetzwerk 31 steht dabei signaltechnisch mit einer entsprechenden Auswerteeinheit 32 in Verbindung, um so die Sensorsignale durch die Auswerteeinheit 32 zu erfassen.
  • Über die Betriebsdauer der Struktur kann so eine lokale Schadensakkumulation durchgeführt werden, sodass nach einer bestimmten Zeit Ort und Anzahl der aufgetretenen Schlagereignisse identifiziert werden können. Hierfür wird anhand der Lokalisation des jeweiligen Sensors des Sensornetzwerkes 31 sowie des detektierten Schlagereignisses der Ort des Schlagereignisses in Bezug auf die Hülle des Flugzeuges aufgezeichnet. So kann definiert werden, in welchen Regionen eine detaillierte Untersuchung oder eine Reparatur erforderlich ist.
  • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Vorrichtung
    11
    Sensoren
    12
    Auswerteeinheit
    13
    Dehnungs-Zeit-Verlauf
    20
    Amplitudencharakteristik
    30
    Flugzeug
    31
    Sensornetzwerk
    32
    Auswerteeinheit
    100
    Faserverbundstruktur

Claims (11)

  1. Verfahren zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur (100), die aus einem ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial aufweisenden Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Erfassen einer Strukturschwingung der Faserverbundstruktur (100) mittels mindestens eines Sensors (11), wobei die Faserverbundstruktur (100) zuvor nicht durch einen Aktuator eines Strukturüberwachungssystems angeregt wurde, - Erkennen einer schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analysieren der erfassten Strukturschwingung hinsichtlich der Frequenzen und/oder Amplituden mittels einer Auswerteeinheit (12, 32), und - Detektieren eines Schlagereignisses an der Faserverbundstruktur (100) in Abhängigkeit von dem Erkennen der schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Strukturschwingung in den Frequenzbereich transformiert wird, um das Amplitudenspektrum über die Frequenzen zu erhalten, wobei eine schlagereignisinduzierte Schwingungscharakteristik in der erfassten Strukturschwingung durch Analyse des Amplitudenspektrums mittels der Auswerteeinheit (12, 32) erkannt wird, wobei mittels der Auswerteeinheit (12, 32) eine Schadenscharakteristik in Abhängigkeit von der erkannten schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik erkannt wird, um eine Art des Schlagereignisses und/oder eine Schlagschädigung der Faserverbundstruktur (100) zu detektieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion eines Schlagereignisses den Zeitpunkt des Schlagereignisses umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik mittels der Auswerteeinheit (12, 32) das Amplitudenspektrum dahingehend untersucht wird, ob bei bestimmten Frequenzen und/oder Frequenzbereichen die jeweiligen Amplituden über einem gewissen Schwellenwert liegen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik die erfasste Strukturschwingung mit mindestens einer vorgegebenen Strukturschwingung, die ein Schlagereignis der Faserverbundstruktur (100) charakterisiert, mittels der Auswerteeinheit (12, 32) verglichen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine vorgegebene Strukturschwingung, die ein bestimmtes Schlagereignis charakterisiert, zuvor mittels eines Laborversuches bestimmt wurde.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschwingung mittels mindestens eines Dehnmessstreifens, mindestens eines Beschleunigungssensors, mindestens eines optischen Sensors und/oder mittels mindestens eines piezoelektrischen Elementes als Sensor (11) erfasst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mindestens einen Sensor (11) ein Kraft-Zeit-Verlauf oder ein Dehnungs-Zeit-Verlauf (13) als Strukturschwingung erfasst wird.
  8. Vorrichtung (10) zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer Faserverbundstruktur (100), die aus einem ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial aufweisenden Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, wobei die Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und mindestens einen Sensor (11) zum Erfassen einer Strukturschwingung der Faserverbundstruktur (100) und eine Auswerteeinheit (12, 32) zum Erkennen einer schlagereignisinduzierten Schwingungscharakteristik und zum Detektieren des Schlagereignisses hat.
  9. Fahrzeug mit mindestens einer Faserverbundstruktur (100), wobei das Fahrzeug eine Vorrichtung (10) zum Detektieren eines Schlagereignisses an einer der Faserverbundstrukturen (100) gemäß Anspruch 8 hat.
  10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (100) zumindest teilweise die Außenhülle des Fahrzeuges ist.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Straßenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug ist.
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