RoSI

Untersuchung des Schädigungs- und Modalverhaltens von schnelldrehenden geometrisch komplexen Strukturen durch In-Situ-Messtechnik

Faserverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit und ihres einstellbaren sukzessiven Schädigungsverhaltens hervorragende Eigenschaften für den Einsatz in modernen Hochleistungsrotoren. Die Heterogenität und Anisotropie des Werkstoffs erfordern neuartige numerische Modelle für die Auslegung und Beschreibung des Tragfähigkeitsverhaltens geschädigter Rotoren und insbesondere der schädigungsbedingten Verschiebung ihrer Eigenfrequenzen. Im Rahmen der Validierung derartiger Modelle sind In-Situ-Messtechniken zur Bestimmung des Schädigungszustandes und Modalverhaltens in Abhängigkeit der komplexen Lastzustände unabdingbar. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein Messverfahren unter Verwendung von auf den Rotor applizierten Beugungsgittersensoren und der Auswertung dessen Fernfeldes erforscht und zur Validierung des numerischen Modells eingesetzt. Entscheidender Vorteil des Verfahrens gegenüber anderen bildbasierten Verfahren wie der digitalen Bildkorrelation ist die Unterdrückung der Bewegungsunschärfe. Es wurden eine Vielzahl von Maßnahmen untersucht und implementiert, um systematische Messunsicherheiten zu reduzieren: u. a. die Auswertung mehrerer Beugungsordnungen, die ortsaufgelöste Kalibrierung der Gitterfrequenz, die Verwendung von Matrixkameras sowie die Applikation der Gitter mittels Direct Laser Interference Patterning. Hierdurch konnten erstmals Dehnungen, Schädigungen und Schwingungen (Abb. 1) drehzahlabhängig und ortsaufgelöst bei Geschwindigkeiten > 260 m/s gemessen werden.

Mit Beugungsgittersensoren gemessene Scheibenschwingformen mit zwei (a) und drei (b) Knotendurchmessern bei einer Drehzahl von 3 600 U/min. — Abb. 01: Mit Beugungsgittersensoren gemessenes Scheibenschwingform mit zwei (a) und drei (b) Knotendurchmessern bei einer Drehzahl von 3 600 U/min.

Mittels der optischen Kohärenztomografie (OCT) konnten der innere Aufbau sowie schadensinduzierte Veränderungen der Werkstoffstruktur in quasistatischen Belastungsszenarien dreidimensional visualisiert und untersucht werden. Mittels der funktionellen Erweiterung der polarisationssensitiven OCT (PS-OCT) wurden gleichzeitig Spannungsänderungen, Zwischenfaserbrüche und das Deformationsfeld der Proben erfasst, was die quantitative Ermittlung der ortsaufgelösten Verzerrung und Spannung erlaubt. Für die Visualisierung der vollständigen dreidimensionalen Struktur sowie des Schädigungsverhaltens von GFK-Rotoren unter Rotationslast, selbst bei hohen Geschwindigkeiten > 300 m/s, wurde ein ultraschnelles OCT-System entwickelt (Abb. 2). Die Methode erlaubt die In-Situ-Untersuchung sowohl der Entwicklung von Rissen und Delaminationen innerhalb der Rotoren als auch deren Deformation in beliebigen Richtungen. Im Ergebnis steht ein validiertes numerisches Modell, welches das strukturdynamische Verhalten von rotierenden Faserverbundstrukturen in Abhängigkeit von Drehzahl, Temperaturfeld und Schädigungszustand vorhersagen kann.

Abb. 02: OCT-Messung an einem Radiallaufrad mit Umdrehungsgeschwindigkeiten von bis zu 12.000 U/min mit dem Versuchsaufbau (a) und den Ergebnissen der OCT-Topographiemessung (b) sowie Detailaufnahmen eines Segmentscans bei 600 U/min (c).

Zeitraum

01.06.2017–30.09.2025

Projektpartner

Arbeitsgruppe Klinisches Sensoring und Monitoring (KSM) der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik (MST) der TU Dresden

Förderung/Finanzierung