Structural Health Monitoring an strukturellen Klebungen mithilfe von Dehnungsmessstreifen

Wie lässt sich der Zustand einer strukturellen Klebung im Betrieb permanent überwachen? Lassen sich Schädigungen in dieser frühzeitig und zuverlässig durch Structural Health Monitoring (SHM) erkennen?

Diesen Fragen gehen Forscher der RWTH Aachen University am Institut für Strukturmechanik und Leichtbau nach. Mithilfe von kundenspezifischen Dehnungsmessstreifen (DMS) konnten produktionsbedingte Abweichungen der errechneten DMS-Position im Nachgang ausgeglichen werden.

Problem

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit suchen Forscher der RWTH Aachen nach einer Kompensationsmethode kleiner Fehlpositionierungen der eingesetzten DMS.

Solution

Die Entwicklung eines kundenspezifisch gefertigten DMS-Messgitters liefert eine gleichmäßige Dehnungsverteilung um die Messposition.

Results

Durch den Einsatz des kundenspezifischen Messgitters können selbst kleine Dehnungsänderungen über eine kurze Messtrecke erfasst werden. Die exakte Anordnung der Messgitter zueinander erlaubt Rückschlüsse auf die Fehlpositionierung des DMS, so können die Messwerte zur gewünschten Position korrigiert werden.

Permanente Überwachung von Klebungen

Klebverbindungen sind nicht vollständig zerstörungsfrei prüfbar. Daraus folgt die Motivation, Klebungen permanent zu überwachen, um deren strukturellen Zustand zu erfassen und – damit einhergehend – eine sichere Kraftübertragung zu gewährleisten.

Eine solche Überwachung lässt sich bereits sehr einfach mit einem einzelnen DMS bewerkstelligen, der in einer besonders schadenssensitiven Position auf dem Bauteil aufgeklebt wird, dem sogenannten Nulldehnungspunkt^[1]. Diese spezielle Position, eine einfache Überlappungsverklebung auf der Oberfläche der zu verbindenden Teile, zeichnet sich dadurch aus, dass es keine Spannungen gibt, solange die Verklebung nicht beschädigt wird. Sobald eine Schädigung auftritt, verschiebt sich die Dehnungsverteilung und ein eindeutiges Messsignal kann verzeichnet werden.

Die Herausforderung dieses vielversprechenden SHM-Ansatzes liegt in der möglichst exakten Positionierung des Dehnungsmessstreifens in der vorher errechneten Position. Jedoch bewirken sowohl kleine Fehlpositionierungen (<200 µm) als auch Schwankungen in der Klebungsdicke eine Verschiebung des Messsignals; Die daraus resultierende Dehnungsänderung muss dann korrigiert werden.

strain gauge measuring grids — Abb. 2: Die Messgitter der kundenspezifischen Dehnungsmessstreifen

Zur Messung der Dehnungsverteilung an mehreren definierten Punkten nahe der Messstelle wurde in Zusammenarbeit mit HBK ein kundenspezifischer DMS entworfen und gefertigt. Dabei wurden die Messgitter längs um 0,5 mm versetzt und nebeneinander auf der Trägerfolie angeordnet (s. Abb. 2).

Die Testung

Zur Bewertung der Einsatzfähigkeit wurden auf beiden Seiten der Klebung die entwickelten DMS aufgebracht und die Überlappklebung im Zugversuch bis zum Bruch belastet. Dabei liefern die drei Messgitter, wie erwartet, drei verschobene Messkurven.

Der Einsatz von drei, relativ zueinander verschobenen, Messgittern machte es möglich, die Messwerte im Nachhinein zur tatsächlichen optimalen Position zu korrigieren (s. Abb. 3).

Für die besonders sensitive Methodik der Schadensbewertung bringt dies einen großen Mehrgewinn, da sie bereits empfindlich auf geringste Abweichungen zur optimalen Positionierung reagiert.

Die Ergebnisse des ersten Testlaufs zeigen deutlich, dass mit den kundenspezifischen Dehnungsmessstreifen von HBK beachtliche Ergebnisse erzielt wurden und die anspruchsvolle Messaufgabe somit vollkommen erfüllt werden konnte.

strain curve — Abb. 3: Die Dehnungskurve des Dehnungsmessstreifens und der korrigierte Messwert

Das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau der RWTH Aachen

Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen) ist die größte Universität für technische Studiengänge Deutschlands. Das Institut für Leichtbau wurde 1955 gegründet und kooperiert eng mit der Deutschen Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. In der jüngeren Vergangenheit wurden Lehre und Forschungsschwerpunkte auf die Bereiche Strukturmechanik und Structural Health Monitoring erweitert, was sich auch namentlich am Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA) widerspiegelt.

^{[1] Sadeghi, M. Z.; Weiland, J.; Preisler, A.; Zimmermann, J.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.; Schroeder, K. U. Damage Detection in Adhesively Bonded Single Lap Joints by Using Backface Strain: Proposing a New Position for Backface Strain Gauges. Int. J. Adhes. Adhes. 2020, 97, 102494.}