DE102019111042A1 - Structure monitoring system and structure monitoring method - Google Patents
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Abstract
Um das Erkennen von Defekten (14), wie Rissen (40, 42), Brüchen oder Delaminationen, in Verbundschichtbauteilen (12) zu verbessern, wird ein Strukturüberwachungssystem (10) bzw. -verfahren vorgeschlagen. Das System (10) überwacht die Faserverbundschichtstruktur (12) mittels einer Sensorschicht (18) aus elektroaktivem Polymer (24), kurz: EAP. Die unterschiedlichen Defekte (14) haben unterschiedliche charakteristische Spannungsverläufe (U) und sind daher mittels einer Auswerteeinheit (32) unterscheidbar. Zudem kann eine Steuereinheit (36) die EAP-Sensorschicht (18) als Biegeaktor (38) betreiben, um einer Verformung der Faserverbundschichtstruktur (12) entgegenzuwirken.In order to improve the detection of defects (14), such as cracks (40, 42), breaks or delamination, in composite layer components (12), a structure monitoring system (10) or method is proposed. The system (10) monitors the fiber composite layer structure (12) by means of a sensor layer (18) made of electroactive polymer (24), in short: EAP. The different defects (14) have different characteristic voltage curves (U) and can therefore be distinguished by means of an evaluation unit (32). In addition, a control unit (36) can operate the EAP sensor layer (18) as a bending actuator (38) in order to counteract any deformation of the fiber composite layer structure (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Strukturüberwachungssystem zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur. Ferner betrifft die Erfindung ein Strukturüberwachungsverfahren.The invention relates to a structure monitoring system for monitoring a fiber composite layer structure. The invention also relates to a structure monitoring method.
Für Verbundflugzeugzellen kommerzieller Luftfahrzeuge sind unterschiedliche Hardwaretechnologien zur Strukturüberwachung (engl. structural health monitoring, SHM) bekannt.Various hardware technologies for structural health monitoring (SHM) are known for composite airframes of commercial aircraft.
Einige bekannte Herausforderungen für SHM-Technologie sind die komplexen Abnutzungs- und Beschädigungsmechanismen, die in einem Verbundschichtstoff ablaufen, die großen Flächen, die abgedeckt werden sollen, und das Sicherstellen, dass alle kritischen Stellen abgedeckt sind. Zudem stellen die kontinuierliche Erfassung, die zuverlässige Signalsammlung und die bislang erforderliche Interpretation der Signale mittels Software große Herausforderungen dar.Some known challenges for SHM technology are the complex wear and tear mechanisms that occur in a composite laminate, the large areas to be covered, and ensuring that all critical areas are covered. In addition, the continuous acquisition, reliable signal collection and the previously required interpretation of the signals using software represent major challenges.
Als Beschädigungsmechanismen innerhalb eines Verbundschichtstoffs können Risse in der Haut, Brüche (mit anderen Worten Risse, die sich durch die gesamte Faserverbundschichtstruktur erstrecken) und Schichtablösung der Lagen in der Haut vorkommen.Damage mechanisms within a composite laminate can include cracks in the skin, breaks (in other words, cracks that extend through the entire fiber composite layer structure) and delamination of the layers in the skin.
Eine bekannte und in den letzten Jahren vieluntersuchte Technik ist die sogenannte Akusto-Ultraschalltechnik (engl. acousto ultrasonic technology). Obwohl diese Technologie vielversprechend hinsichtlich der direkten Integration der Messhardware in der Faserverbundschichtstruktur ist, ist der Aufwand zum Einbringen der erforderlichen großen Anzahl von Kabeln, Sensoren, usw. aus praktischer Sicht zu hoch.A well-known technology that has been extensively researched in recent years is what is known as acousto ultrasonic technology. Although this technology is promising with regard to the direct integration of the measurement hardware in the fiber composite layer structure, the effort required to introduce the required large number of cables, sensors, etc. is too high from a practical point of view.
Ein Ultraschalltransmitter sendet Ultraschallwellen in der Faserverbundschichtstruktur. Die Wellen breiten sich von dem Transmitter radial aus und werden von einer Anzahl Sensoren erfasst.An ultrasonic transmitter sends ultrasonic waves in the fiber composite layer structure. The waves propagate radially from the transmitter and are detected by a number of sensors.
Wenn das Verbundbauteil unbeschädigt ist, reagieren die Sensoren auf eine bekannte Weise. Sollte ein Defekt auf dem Weg von dem Transmitter zu einem der Sensoren auftreten, wie beispielsweise ein Riss, ein Bruch oder eine Schichtablösung, ist einfach erkennbar, dass sich das von dem Sensor empfangene Signal geändert hat. Sollte sich der Defekt zwischen zwei Sensoren befinden, werden beide Sensoren eine Änderung feststellen. Interpretationssoftware wurde entwickelt, die versucht den Ort des Defekts zu berechnen. Häufig werden mehrere Transmitter verwendet, um dieses Vorgehen zu vereinfachen.If the composite component is undamaged, the sensors respond in a known manner. Should a defect occur on the way from the transmitter to one of the sensors, such as, for example, a crack, a break or a delamination, it is easy to see that the signal received by the sensor has changed. If the defect is between two sensors, both sensors will detect a change. Interpretation software has been developed that tries to calculate the location of the defect. Multiple transmitters are often used to simplify this process.
Ein Vorteil dieses Systems ist, dass kaum Teile in der Faserverbundschichtstruktur integriert werden müssen. Allerdings können die große Anzahl Sensoren und auch Transmitter, die sicherstellen soll, dass alle relevanten Bereiche abgedeckt werden, kaum unkompliziert angeordnet werden.One advantage of this system is that hardly any parts have to be integrated into the fiber composite layer structure. However, the large number of sensors and transmitters, which are supposed to ensure that all relevant areas are covered, can hardly be arranged in an uncomplicated manner.
Eine weitere Herausforderung ist die korrekte Anbringung dieser Geräte, meist per Bonding. Hierfür wurden Verfahren mit speziellen Oberflächenbehandlungen entwickelt, die sehr exakt ausgeführt werden müssen. Auch die Langzeitstabilität spielt eine Rolle. Noch eine Herausforderung ist es, die korrekte Versorgung aller Sensoren und Transmitter und die zuverlässige Signalsammlung zu bewerkstelligen. Ein selbsttestendes System ist hierfür erforderlich.Another challenge is the correct attachment of these devices, usually by bonding. For this purpose, processes with special surface treatments have been developed that must be carried out very precisely. Long-term stability also plays a role. Another challenge is to manage the correct supply of all sensors and transmitters and the reliable collection of signals. A self-testing system is required for this.
Andere Technologien wurden vorgeschlagen, die auf verschiedenen miniaturisierten Sensoren, die in der Faserverbundschichtstruktur eingebaut werden, oder optischen Fasern basieren. Alle diese bekannten Technologien fügen jedoch „Fremdobjekte“ in der Faserverbundschichtstruktur ein, was zum Einen die Fertigung erschwert und zum Anderen die Komplexität des Bauteils erhöht.Other technologies have been proposed based on various miniaturized sensors built into the fiber composite layer structure or optical fibers. All these known technologies, however, insert “foreign objects” into the fiber composite layer structure, which on the one hand makes production more difficult and on the other hand increases the complexity of the component.
Für den Stand der Technik wird zudem auf folgende Dokumente verwiesen:
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US 2010/0 201 384 A1 - •
EP 3 222 514 A1 - • WO 2001 / 0 039 253 A2
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US 2006/0 123 918A1 - •
US 8 384 398 B2 - • US 2011 / 0 089 958 A1
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US 2012/0 197 482 A1 - • US 2009 / 0 246 892 A1
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DE 11 2015 003 110 T5 - •
US 5 869 189 A - •
WO 2010/0 004 324 A1 - • WO 2017 / 0 141 207 A2
- •
US 5 305 507 A - •
US 2017/0 168 021 A1 - •
EP 2 559 656 A1 - •
US 9 329 021 B1 - •
US 9 358 757 B2 - •
DE 10 2011 122 481 B4 - •
US 6 809 462 B2
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US 2010/0 201 384 A1 - •
EP 3 222 514 A1 - • WO 2001/0 039 253 A2
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US 2006/0 123 918A1 - •
US 8 384 398 B2 - • US 2011/0 089 958 A1
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US 2012/0 197 482 A1 - • US 2009/0 246 892 A1
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DE 11 2015 003 110 T5 - •
U.S. 5,869,189 A - •
WO 2010/0 004 324 A1 - • WO 2017/0 141 207 A2
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U.S. 5,305,507 A - •
US 2017/0 168 021 A1 - •
EP 2 559 656 A1 - •
US 9 329 021 B1 - •
US 9 358 757 B2 - •
DE 10 2011 122 481 B4 - •
US 6,809,462 B2
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Verbundschichtbauteile zu verbessern, insbesondere hinsichtlich mögliche Defekte, wie Riss, Bruch oder Delamination.The invention is based on the object of improving composite layer components, especially with regard to possible defects such as cracks, breaks or delamination.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schafft ein Strukturüberwachungssystem zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur, wobei das Strukturüberwachungssystem eine zu überwachende Faserverbundschichtstruktur, die wenigstens eine faserverstärkte Polymerschicht und eine daran anlaminierte Sensorschicht, die ein elektroaktives Polymer enthält, aufweist, wobei die Sensorschicht ausgebildet ist, bei einer Änderung ihrer Sensorschichtdicke eine Spannungsänderung hervorzurufen, und eine Auswerteeinheit umfasst, die ausgebildet ist, eine von der Sensorschicht hervorgerufene Spannungsänderung zu erfassen und darauf basierend zu ermitteln, ob die Faserverbundschichtstruktur einen Defekt aufweist.The invention creates a structure monitoring system for monitoring a fiber composite layer structure, the structure monitoring system having a fiber composite layer structure to be monitored, the at least one fiber-reinforced polymer layer and a sensor layer laminated to it, which contains an electroactive polymer, the sensor layer being formed with a voltage change when its sensor layer thickness changes and comprises an evaluation unit which is designed to detect a voltage change caused by the sensor layer and to determine based thereon whether the fiber composite layer structure has a defect.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht zwischen zwei faserverstärkten Polymerschichten eingebettet ist.It is preferred that the sensor layer is embedded between two fiber-reinforced polymer layers.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht als eine Deckschicht der Faserverbundschichtstruktur ausgebildet ist.It is preferred that the sensor layer is designed as a cover layer of the fiber composite layer structure.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur eine Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Biegerichtung zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to generate a change in tension as a function of the bending direction when the fiber composite layer structure is bent.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast in eine Richtung weg von der Sensorschicht eine positive Spannungsänderung zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to generate a positive change in tension when the fiber composite layer structure is bent with a bending load that only causes elastic deformation in a direction away from the sensor layer.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer lediglich eine elastische Verformung hervorrufenden Biegelast in eine Richtung auf die Sensorschicht eine negative Spannungsänderung zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to generate a negative voltage change when the fiber composite layer structure is bent with a bending load that only causes elastic deformation in one direction towards the sensor layer.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer den Defekt hervorrufenden Biegelast eine größere Spannungsänderung als bei elastischem Biegen zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to produce a greater change in tension when the fiber composite layer structure is bent with a bending load that causes the defect than when it is bent elastically.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer einen Mikroriss, Riss oder einen Bruch als den Defekt hervorrufenden Biegelast eine größere Spannungsänderung mit selbem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to generate a greater change in tension with the same sign than with elastic bending in the same direction when the fiber composite layer structure is bent with a bending load causing a microcrack, crack or break as the defect.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht ausgebildet ist, beim Biegen der Faserverbundschichtstruktur mit einer eine Delamination als den Defekt hervorrufenden Biegelast eine Spannungsänderung mit umgekehrtem Vorzeichen als bei elastischem Biegen in die gleiche Richtung zu erzeugen.It is preferred that the sensor layer is designed to generate a stress change with the opposite sign than with elastic bending in the same direction when the fiber composite layer structure is bent with a bending load causing delamination as the defect.
Es ist bevorzugt, dass die Sensorschicht wenigstens zwei Elektrodenschichten und eine dazwischen angeordnete elektroaktive Polymerschicht aufweist, wobei die Elektroden mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden sind.It is preferred that the sensor layer has at least two electrode layers and an electroactive polymer layer arranged between them, the electrodes being electrically connected to the evaluation unit.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Art des Defekts aufgrund der Spannungsänderungen der Sensorschicht zu ermitteln.It is preferred that the evaluation unit is designed to determine the type of defect based on the voltage changes in the sensor layer.
Vorzugsweise umfasst das Strukturüberwachungssystem eine Speichereinrichtung zum Speichern der von der Sensorschicht gemessenen Spannung und/oder der von der Auswerteeinheit ermittelten Daten.The structure monitoring system preferably comprises a memory device for storing the voltage measured by the sensor layer and / or the data determined by the evaluation unit.
Vorzugsweise umfasst das Strukturüberwachungssystem eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, an die Sensorschicht elektrische Spannung derart anzulegen, dass die Sensorschicht als Biegeaktor fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur entgegenzuwirken.The structure monitoring system preferably comprises a control unit which is designed to apply electrical voltage to the sensor layer in such a way that the sensor layer functions as a bending actuator in order to counteract the deformation of the fiber composite layer structure.
Die Erfindung schafft ein Luftfahrzeug mit einem Faserverbundbauteil und einem bevorzugten Strukturüberwachungssystem zum Überwachen des Faserverbundbauteils, insbesondere der Primärstruktur und/oder der Sekundärstruktur des Luftfahrzeugs.The invention creates an aircraft with a fiber composite component and a preferred structure monitoring system for monitoring the fiber composite component, in particular the primary structure and / or the secondary structure of the aircraft.
Die Erfindung schafft ein Strukturüberwachungsverfahren zum Überwachen einer Faserverbundschichtstruktur, insbesondere eines Luftfahrzeugs, mittels eines bevorzugten Strukturüberwachungssystems, indem die Auswerteeinheit eine durch eine Biegelast verursachte Verformung der Faserverbundschichtstruktur anhand der Folge der Spannungsänderungen der Sensorschicht ermittelt, ob und wenn ja welche Art von Defekt in der Faserverbundschichtstruktur aufgrund der Biegelast entstanden ist.The invention creates a structure monitoring method for monitoring a fiber composite layer structure, in particular an aircraft, by means of a preferred structure monitoring system, in which the evaluation unit determines a deformation of the fiber composite layer structure caused by a bending load on the basis of the tension changes in the sensor layer, whether and, if so, what type of defect in the fiber composite layer structure caused by the bending load.
Es ist bevorzugt, dass die Steuereinheit eine elektrische Spannung an die Sensorschicht derart anlegt, dass die Sensorschicht als Biegeaktor fungiert, um der Verformung der Faserverbundschichtstruktur entgegenzuwirken.It is preferred that the control unit applies an electrical voltage to the sensor layer in such a way that the sensor layer functions as a bending actuator in order to counteract the deformation of the fiber composite layer structure.
Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine Ansicht eines Verbundschichtbauteils bei Verformung; -
2 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus1 bei Defektbildung; -
3 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus1 bei Verformung; und -
4 eine Ansicht des Verbundschichtbauteils aus1 bei Delamination.
-
1 a view of a composite layer component during deformation; -
2 a view of the composite layer component1 with defect formation; -
3 a view of the composite layer component1 at deformation; and -
4th a view of the composite layer component1 with delamination.
Es wird auf
Die Faserverbundschichtstruktur
Die Polymerschicht
Die Sensorschicht
Die Sensorschicht
Das Strukturüberwachungssystem
Das Strukturüberwachungssystem
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Strukturüberwachungssystems
Wie in
Dabei werden die oberen Polymerschichten
Die Spannungsänderung
Wie in
Aufgrund der Schwächung der von den Mikrorissen
Steigt die Biegelast F weiter an, wie in
Es sollte beachtet werden dass der Riss
Aufgrund der weiteren Schwächung der Faserverbundschichtstruktur
Anhand des beschriebenen Verhaltens der Messspannung
Wie in
Dabei werden die oberen Polymerschichten
Die Spannungsänderung
Die plötzliche Änderung der Geometrie der Sensorschicht
Zusätzlich kann die Steuereinheit
Ein elektroaktives Polymer (EAP) kann beispielsweise ein Schichtverbund sein, der zwei Elektroden und eine dazwischen befindliche elastische Polymerschicht aufweist. Für die Elektroden (leitende Schicht) kann ein elektrisch leitfähiges Polymer, wie Poly(3, 4 ethylen-dioxithiophen)/polystyren sulfonat, auch bekannt als PEDOT/PSS verwendet werden.An electroactive polymer (EAP) can be, for example, a layer composite that has two electrodes and an elastic polymer layer located between them. For the electrodes (conductive layer), an electrically conductive polymer such as poly (3, 4 ethylene-dioxithiophene) / polystyrene sulfonate, also known as PEDOT / PSS, can be used.
Für das elastische Polymer kann ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU) verwendet werden, wie etwa Epurex LPT 4207 CU-T. Dieses Polymer zeigt eine Druckfestigkeit von 50 MPa und kann daher grundsätzlich als Schicht in einem Strukturverbundbauteil verwendet werden.A thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) such as Epurex LPT 4207 CU-T can be used for the elastic polymer. This polymer shows a compressive strength of 50 MPa and can therefore basically be used as a layer in a structural composite component.
Ein spezieller Typ von EAP mit einem flachen Polymer und dünnen elastischen Elektroden wird als dielektrisches Polymer bezeichnet. Wenn die beiden Elektroden von einer Spannungsquelle getrennt werden, ist die Dicke des EAP in einem ausgedehnten Zustand, auch genannt „inaktiver Zustand“. Wenn die Elektroden mit einer Spannungsquelle verbunden werden, ziehen diese durch elektrostatischen Druck (Coulombkräfte) einander an, und drücken die dazwischen befindliche Polymerschicht, sodass das EAP sich in Dickenrichtung zusammenzieht. Die Stauchung kann zwischen 10% und 35% liegen und kann für andere EAP noch größer sein. Gleichzeitig findet in der Ebene eine Ausdehnung aufgrund der Poissonzahl statt.A special type of EAP with a flat polymer and thin elastic electrodes is called a dielectric polymer. When the two electrodes are disconnected from a voltage source, the thickness of the EAP is in an expanded state, also called an "inactive state". When the electrodes are connected to a voltage source, they attract each other through electrostatic pressure (Coulomb forces) and press the polymer layer between them, so that the EAP contracts in the direction of its thickness. The compression can be between 10% and 35% and can be even greater for other EAP. At the same time there is an expansion in the plane due to the Poisson's number.
Die Grundidee ist eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Defekten in Verbundschichten, wie etwa Risse, Brüche und Delaminationen. Dabei wird die bislang ungenutzte Eigenschaft von EAP verwendet, dass eine Längenänderung einer EAP-Schicht in einer Dickenänderung der EAP-Schicht resultiert. Dies wiederum kann eine Spannungsänderung zwischen den EAP-Elektroden verursachen.The basic idea is a device and method for detecting defects in composite layers, such as cracks, breaks and delaminations. The previously unused property of EAP is used here, namely that a change in length of an EAP layer results in a change in thickness of the EAP layer. This in turn can cause a voltage change between the EAP electrodes.
Auf diese Weise kann ein Anbringen fremder Objekte an der Struktur vermieden werden. Ferner brauchen keine Schallwellen gesendet, empfangen und interpretiert zu werden. Die EAP-Schicht ist sehr dünn und Materialkompatibel mit typischen Verbundschichten.In this way, attaching foreign objects to the structure can be avoided. Furthermore, no sound waves need to be sent, received and interpreted. The EAP layer is very thin and material compatible with typical composite layers.
Wenn die Faserverbundschichtstruktur keiner mechanischen Spannung unterworfen ist, ist die Faserverbundschichtstruktur unverformt. Dies entspricht einem bestimmten elektrischen Potential zwischen den EAP Elektroden. Das elektrische Potential ist daher zeitlich konstant.If the fiber composite layer structure is not subjected to any mechanical stress, the fiber composite layer structure is undeformed. This corresponds to a certain electrical potential between the EAP electrodes. The electrical potential is therefore constant over time.
Wenn an der Faserverbundschichtstruktur eine Biegelast angelegt wird, wird eine Biegedeformation verursacht. Dies ergibt ein Stauchen der oberen faserverstärkten Schichten und ein Dehnen der unteren faserverstärkten Schichten sowie der EAP Schicht. Somit ergibt sich eine Längenänderung der EAP Schicht verglichen mit dem nicht deformierten Zustand. Diese Längenänderung verursacht auch eine Dickenänderung der EAP Schicht, die mechanisch zwar sehr klein ist, aber als Spannungsänderung voll messbar ist. Dabei steigt die elektrische Spannung an.When a bending load is applied to the fiber composite layer structure, bending deformation is caused. This results in a compression of the upper fiber reinforced layers and a stretching of the lower fiber reinforced layers as well as the EAP layer. This results in a change in length of the EAP layer compared to the undeformed state. This change in length also causes a change in thickness of the EAP layer, which is mechanically very small, but is fully measurable as a change in stress. The electrical voltage increases.
Bei größerer Deformation des Verbundschichtstoffs können sich in der Faserverbundschichtstruktur erste Mikrorisse bilden. Diese sind keine offenen Risse und zeigen den Beginn des Reißens an. Eine entsprechende Längenänderung der EAP Schicht erzeugt ein weiteres Ansteigen der elektrischen Spannung.In the event of major deformation of the composite laminate, the first microcracks can form in the fiber composite layer structure. These are not open cracks and indicate the beginning of the crack. A corresponding change in length of the EAP layer generates a further increase in the electrical voltage.
Bei wiederholter oder gesteigerter Beanspruchung können sich schließlich offene Risse in der faserverstärkten Schicht neben der EAP Schicht bilden. Dies kennzeichnet den Beginn eines Bruchs. Ein entsprechend steilerer Anstieg der von der EAP Schicht erzeugten Spannung ist messbar. Die EAP Schicht wird hierbei noch nicht beeinträchtigt.With repeated or increased stress, open cracks can eventually form in the fiber-reinforced layer next to the EAP layer. This marks the beginning of a break. A correspondingly steeper rise in the voltage generated by the EAP layer can be measured. The EAP layer is not yet affected.
Wenn an der Faserverbundschichtstruktur eine Biegelast in die andere Richtung angelegt wird, wird eine Biegedeformation in der anderen Richtung verursacht. Dies ergibt ein Dehnen der oberen faserverstärkten Schichten und eine Kompression der unteren faserverstärkten Schichten sowie der EAP Schicht. Somit ergibt sich eine Längenänderung der EAP Schicht verglichen mit dem nicht deformierten Zustand. Diese Längenänderung verursacht auch eine Dickenänderung der EAP Schicht, die mechanisch zwar sehr klein ist, aber als Spannungsänderung voll messbar ist. Dabei sinkt die elektrische Spannung ab.When a bending load is applied to the fiber composite layer structure in the other direction, bending deformation is caused in the other direction. This results in stretching of the upper fiber reinforced layers and compression of the lower fiber reinforced layers as well as the EAP layer. This results in a change in length of the EAP layer compared to the undeformed state. This change in length also causes a change in thickness of the EAP layer, which is mechanically very small, but is fully measurable as a change in stress. The electrical voltage drops in the process.
Bei zu großer Deformation des Verbundschichtstoffs können Schichten delaminieren, wie etwa die EAP Schicht. Hierdurch wird ebenfalls die Länge der EAP Schicht geändert. Ein ähnlicher Vorgang ergibt sich, wenn eine der faserverstärkten Schichten neben der EAP Schicht sich ablösten. Dabei folgt auf das bisherige Sinken der elektrischen Spannung eine scharfer Anstieg, der an Anzeichen für eine Delamination ist.If the composite laminate is deformed too much, layers such as the EAP layer can delaminate. This also changes the length of the EAP layer. A similar process occurs if one of the fiber-reinforced layers next to the EAP layer peeled off. The previous drop in electrical voltage is followed by a sharp rise, which is an indication of delamination.
Die EAP Schicht ist vollkompatibel mit kohlefaserverstärkten und glasfaserverstärkten Verbundstoffen und kann in den Verbundschichtstoff mittels Streifenplatzierung oder Faserlegeköpfen integriert werden. Ferner kann die EAP Schicht in Streifen unterteilt werden, um eine Ortsauflösung zu ermöglichen.The EAP layer is fully compatible with carbon fiber reinforced and glass fiber reinforced composites and can be integrated into the composite laminate by placing strips or fiber laying heads. Furthermore, the EAP layer can be divided into strips in order to enable spatial resolution.
Vorteilhaft erlaubt die Erfindung Riss-, Bruch- und Delaminationserfassung mit demselben Gerät und ohne Bonden von Geräten auf der Haut bzw. dem Bauteil. Die EAP Schicht erlaubt eine Gewichtsverringerung und ist ständig aktiv. Ferner ist die EAP Schicht kompatibel mit Verbundbauteilen.The invention advantageously allows crack, breakage and delamination detection with the same device and without bonding devices to the skin or the component. The EAP layer allows weight reduction and is always active. Furthermore, the EAP layer is compatible with composite components.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- StrukturüberwachungssystemStructural monitoring system
- 1212
- FaserverbundschichtstrukturFiber composite layer structure
- 1414th
- Defektmalfunction
- 1616
- PolymerschichtPolymer layer
- 1818th
- SensorschichtSensor layer
- 2020th
- untere Deckschichtlower top layer
- 2222nd
- obere Deckschichtupper cover layer
- 2424
- elektroaktives Polymerelectroactive polymer
- 2626th
- anlaminierte Elektrodenschichtlaminated electrode layer
- 2828
- elektroaktive Polymerschichtelectroactive polymer layer
- 3030th
- freie Elektrodenschichtfree electrode layer
- 3232
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 3434
- Computercomputer
- 3636
- SteuereinheitControl unit
- 3838
- BiegeaktorBending actuator
- 4040
- MikrorissMicro crack
- 4242
- RissCrack
- 4444
- DelaminationDelamination
- 4646
- Knick Kink
- FF.
- BiegelastBending load
- UU
- MessspannungMeasuring voltage
- ΔUΔU
- SpannungsänderungVoltage change
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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