Bei der Vibration-Correlation-Technique, auch als VCT bekannt, handelt es sich um ein zerstörungsfreies Verfahren, um die Beullast einer dünnwandigen Schalenstruktur vorherzusagen. Die Methode nutzt dabei das Phänomen, dass sich das dynamische Verhalten der Schale unter Belastung verändert. In einem Strukturversuch, beispielsweise im Rahmen einer Qualifikation, sind diese Veränderungen durch Messungen bestimmbar. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass sich die Methode auf imperfektionssensitive, dünnwandige Schalenstrukturen aus Aluminium und Faserverbundwerkstoffen anwenden lässt. Das Besondere an dem Verfahren ist, dass der Einfluss unterschiedlicher Randbedingungen auf das Beulverhalten automatisch mitberücksichtigt wird. Dieser Vorteil ist insbesondere dann relevant, wenn komplexe Versuchsrandbedingungen vorliegen. Auch der Einfluss von etwaigen Montagespannungen oder Innendruck auf das Stabilitätsverhalten ist so einfach erfassbar, wenn es um zusammengesetzte Elemente größerer Struktursysteme geht. Das Verfahren bietet neben der Qualifikation der Struktur auch die Möglichkeit, anhand der gefundenen Beullast numerische Modelle zu validieren, ohne zusätzliche aufwendige und teure Versuche durchführen zu müssen, und ist daher insbesondere im industriellen Kontext interessant.
Grundlagen des Ansatzes
Basis der Methode ist der Zusammenhang, dass eine aufgebrachte Belastung die Eigenfrequenz einer Schalenstruktur ändert. Dieser lässt sich z. B. durch eine empirisch gefundene quadratische Abhängigkeit dieser beiden Größen beschreiben und durch die analytische Lösung für eine isotrope Kreiszylinderschale unter Axialdruck untermauern. Damit ist die Grundlage geschaffen, diese Formulierung auf Schalen aus Verbundwerkstoffen anzuwenden und unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen zu überprüfen. Die Untersuchungen beginnen dabei zunächst mit dem Aufbau eines numerischen Modells der zu qualifizierenden Schalenstruktur. Die Simulation erlaubt den Schluss, wie weit die reale Struktur im Qualifikationsversuch belastet werden muss, um durch Extrapolation der quadratischen Beziehung zwischen der Last und der Eigenfrequenz auf das reale Stabilitätsversagen der Schale zu schließen. Sofern verfügbar, können bekannte geometrische Imperfektionen in dem nichtlinearen Simulationsmodell Berücksichtigung finden, um die Güte der Vorhersage zu verbessern.
Anwendung der VCT im Experiment
Die Messung der Eigenfrequenzen zu den jeweiligen Laststufen im Versuch ergibt die notwendige Basis zur Bewertung des Zustandes des realen Prüfkörpers. Ein stetiger Abgleich der Ergebnisse aus der numerischen Simulation mit den jeweils aktuellen Messungen liefert dann zum einen eine Aussage über die Güte der theoretischen Vorhersage. Zum anderen sichert dieser Vergleich das Vorgehen im Versuch ab, da durch eine Abschätzung der Reserve zum tatsächlichen Beulen im Test ein Strukturversagen vermieden werden kann. Höhere Belastungen erlauben dabei eine genauere Abschätzung der Beullast. Sicher lassen sich die Lasten wiederum nur durch eine sorgfältige numerische Analyse erreichen, so dass in diesem experimentellen Verfahren auch eine solide theoretische Betrachtung unabdingbar ist.
Erfolgreich kommt die VCT bereits an unversteiften und versteiften, dünnwandigen Kreiszylinderschalen zum Einsatz, die das für diese Strukturtypen klassische Stabilitätsversagen mit einem abrupten Verlust der Lasttragefähigkeit zeigen. Erste Anwendungen im industriellen Maßstab zeigen ebenfalls vielversprechende Ergebnisse. Weitere Forschungsanstrengungen folgen mit Bezug zu komplexeren Geometrien, wie z. B. doppelt gekrümmten Testschalen oder solchen mit Ausschnitten. Auf diese Weise lässt sich das Potenzial zur Kosten- und Zeitersparnis bei der zerstörungsfreien Qualifikation von Strukturen, insbesondere aus der Raumfahrt, heben.
