US5533399A | 1996-07-09 | |||
DE102016220032A1 | 2018-04-19 |
Ansprüche 1. Verfahren (100) zur Prüfung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils für ein Fahrzeug, wobei das Faserverbundbauteil eine in das Faserverbundbauteil integrierte Sensorvorrichtung aufweist, wobei die Sensorvorrichtung einen flexiblen Schaltungsträger mit einem Sensormodul, insbesondere mit einem mikromechanischen Sensormodul zur Erfassung einer Beschleunigung, aufweist, mit den Schritten: - Erfassen (102) eines Prüfsignals mittels der Sensorvorrichtung, insbesondere in Folge eines Versetzens (101) des Faserverbundbauteils in eine Prüfschwingung, insbesondere durch Einbringen eines Prüfimpulses auf einen Prüfort des Faserverbundbauteils; - Vergleichen (106) des Prüfsignals mit einem Referenzsignal, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Vergleichens (106) der Vergleich des Prüfsignals und des Referenzsignals anhand einer Spektralanalyse (105) im Frequenzbereich, insbesondere im diskreten Frequenzbereich, durchgeführt wird. 2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Spektralanalyse mittels einer (diskreten) Fourier-Transformation (104), insbesondere durch Anwendung einer Fast-Fourier-Transformation, erfolgt. 3. Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei vor Anwendung der Fast-Fourier- Transformation ein Zero-Padding (103) im Zeitbereich erfolgt. 4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt des Vergleichens (106) bei der Spektralanalyse das Prüfsignal und das Referenzsignal nur einseitig betrachtet werden. 5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Bestimmens (107) des Zustands und/oder der Zustandsänderung des Faserverbundbauteils, wobei im Schritt des Bestimmens (107) die Bestimmung in Abhängigkeit von signifikanten Änderungen der Charakteristik des Frequenzspektrums erfolgt. 6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfschwingung innerhalb eines betrachteten Messbereichs der Sensorvorrichtung liegt und abhängig von einer Eigenfrequenz der Umgebung des Faserverbundbauteils ist. 7. Vorrichtung, die derart gestaltet ist, alle Schritte des Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. 8. Computerprogramm, das derart gestaltet ist, alle Schritte des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen. 9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist. |
Titel
Verfahren zur Prüfung eines Faserverbundbauteils, Vorrichtung,
Computerprogramm und maschinenlesbares Speichermedium
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines
Faserverbundbauteils, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares
Speichermedium.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2016 220 032 Al ist eine Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Sensormodul und mit wenigstens einer mit dem Sensormodul verbundenen Anschlussleitung zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls bekannt.
Es ist vorgesehen, dass die Anschlussleitung als Leiterfolie ausgebildet ist, auf der mehrere unterschiedliche Sensormodule angeordnet und durch jeweils eine oder eine gemeinsame Leiterfolie kontaktiert sind.
Ein Sensormodul zur Erfassung einer Beschleunigung, bspw. ein
mikromechanischer Beschleunigungssensor nach der Art der
microelectromechanical Systems (MEMS), gibt in der Regel ein Signal in Form einer Beschleunigung über der Zeit, also ein Signal im Zeitbereich, aus. Eine für das Zeitsignal charakteristische Reaktion auf eine Prüfschwingung, insbesondere durch das Aufbringen eines definierten Prüfimpulses, sind aufeinanderfolgende und über die Zeit abklingende Signalamplituden in positive und negative
Beschleunigungsrichtung. Aufgrund der Messcharakteristik des mikromechanischen
Beschleunigungssensors lässt sich ein veränderter Zustand des Bauteils, in das der Beschleunigungssensor in Form einer Sensorvorrichtung integriert ist, anhand einer Veränderung im Verlauf des Zeitsignals (Beschleunigung über der Zeit) gegebenenfalls nicht hinreichend genau erkennen. Dies ist abhängig von der Stärke der Zustandsänderung des Bauteils beziehungsweise des
Ereignisses.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Prüfung eines Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil eine in das Faserverbundbauteil integrierte Sensorvorrichtung aufweist, wobei die
Sensorvorrichtung einen flexiblen Schaltungsträger mit einem Sensormodul, insbesondere mit einem mikromechanischen Sensormodul zur Erfassung einer Beschleunigung, aufweist.
Denkbar ist dabei, der flexible Schaltungsträger mehrere Sensormodule aufweist.
Das Verfahren umfasst die nachstehenden Schritte
Erfassen eines Prüfsignals mittels der Sensorvorrichtung.
Denkbar ist dabei, dass das Prüfsignal in Folge eines Versetzens des
Faserverbundbauteils in eine Prüfschwingung erfasst wird. Das Versetzen in eine Prüfschwing kann dabei durch Einbringen eines Prüfimpulses auf einen Prüfort des Faserverbundbauteils erfolgen.
Vergleichen des Prüfsignals mit einem Referenzsignal.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Schritt des Vergleichens der Vergleich des Prüfsignals mit dem Referenzsignals anhand einer
Spektralanalyse im Frequenzbereich, durchgeführt wird. Denkbar ist dabei die Spektralanalyse im diskreten Frequenzbereich
durchzuführen.
Die Sensorsignale im Frequenzbereich, also die Frequenzspektren der Signale, können bezüglich charakteristischer Größen, sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert werden. Dabei werden signifikante Änderungen der Charakteristik aufgesucht:
Betrachtet werden kann beispielsweise der Ort bzw. die Frequenz, an denen maximale Spektralanteile auftreten.
Betrachtet werden kann beispielsweise die Größe, also die Magnituden, der maximalen Spektralanteile.
Betrachtet werden kann beispielsweise das Erscheinungsbild der
Einhüllenden der Spektralanteile über den Frequenzgang.
Betrachtet werden kann beispielsweise die Flächen unterhalb der
Einhüllenden über den Frequenzgang in der Umgebung der maximalen Spektralanteile.
Betrachtet werden kann beispielsweise die Steigung der Einhüllenden über den Frequenzgang in der Umgebung der maximalen Spektralanteile.
Betrachtet werden kann beispielsweise die Flächensumme über alle Spektralanteile, unterhalb der Einhüllenden der Spektralanteile über den Frequenzgang.
Das Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Analyse des Prüfsignals im Frequenzbereich, d. h. nach der Spektralanalyse, Merkmale des Signals im Vergleich zum dem Signal im Zeitbereich besser sichtbar bzw. überhaupt sichtbar werden.
Dadurch kann eine genauere Prüfung des Faserverbundbauteils vorgenommen werden. So können nachteilige Einträge in das Faserverbundbauteil besser erkannt werden. Solche Einträge können bereits im Produktionsverfahren des Faserverbundbauteils erfolgt sein oder im späteren Lebensverlaufs des
Faserverbundbauteils, bspw. beim Einsatz an einem Fahrzeug, wenn es sich bei dem Faserverbundbauteil um ein Karosseriebauteil des Fahrzeugs handelt.
Unter einem Faserverbundbauteil kann vorliegend ein Bauteil verstanden werden, das aus einem Faserverbundwerkstoff besteht. Ein
Faserverbundwerkstoff entsteht im Allgemeinen durch einen
wechselwirkenden Verbund aus Fasern oder textilem Halbzeug und einer Matrix zwischen den Fasern bzw. dem textilen Halbzeug. Die Matrix ist
Füllstoff und Klebstoff für die Fasern bzw. für das textile Halbzeug. Typisch für Faserverbundwerkstoffe ist, dass durch die Wechselwirkung des Verbunds ein Werkstoff entsteht, der im Vergleich zu den Eigenschaften der Fasern und des Füllstoffs höherwertigere Eigenschaften aufweist.
Das Faserverbundbauteil kann ein Karosserieteil für ein Fahrzeug sein; bspw. ein Stoßfängerbauteil oder ein Bauteil der Längsseite des Fahrzeugs.
Das Faserverbundbauteil kann ein Bauteil u. a. aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau, der Medizintechnik, den Bereichen Luft- und Raumfahrttechnik, Energie, Offshore, Robotic, Sportgeräte und Consumer Products sein.
Ferner kann es sich bei dem Faserverbundbauteil um ein Sportgerät handeln.
Das Faserverbundbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann im
urformenden Verfahren hergestellt werden. Dafür kann insbesondere beim Schritt des Integrierens ein sog. Liquide Composite Molding Verfahren (LCM- Verfahren) angewendet werden. LCM-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass vergleichsweise moderate Druck- und Temperaturlasten vorliegen.
Ein flexibler Schaltungsträger kann Silikone, Polyurethane, Polyamide oder Thermoplaste umfassen. So lässt sich der flexible Schaltungsträger leicht elastisch oder plastisch verformen, insbesondere lässt sich die integrierte Leiterbahnstruktur entsprechend plastisch verformen, wodurch im Wesentlichen der flexible Schaltungsträger an eine Geometrie bzw. Form des Faserverbundbauteils angepasst werden kann. Der flexible Schaltungsträger kann eine Leiterfolie sein.
Unter einem Sensormodul kann vorliegend ein elektronisches bzw.
elektrisches Bauteil zur Erfassung einer physikalischen Größe verstanden werden. Ein Sensormodul kann dazu ausgebildet sein eine Beschleunigung oder eine Drehbeschleunigung zu erfassen.
Grundsätzlich ist eine Ausbildung des Sensormoduls zur Erfassung einer oder mehrere physikalischen Effekt denkbar.
Denkbar wäre eine Ausbildung des Sensormoduls zur Erfassung eines Drucks. Eine solche Ausbildung erfordert allerdings eine offene Schnittstelle des Sensormoduls zur Umgebung des Faserverbundbauteils.
Andere Ausgestaltung des Sensormoduls könnten weitere Erfordernisse hinsichtlich der Integration in das Faserverbundbauteil aufweisen. Diese Erfordernisse hängen unter anderem von dem zu erfassenden physikalischen Effekt ab.
Das Sensormodul kann ein mikromechanisches Bauteil zur Erfassung einer Beschleunigung sein, mithin ein mikromechanischer Beschleunigungssensor nach der Art der microelectromechanical Systems (M EMS).
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bildet eine erweiterte Sicherheitsfunktion eines Faserverbundbauteils mit einer in das
Faserverbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung. Diese Sicherheitsfunktion bietet sich vor allem für solche Faserverbundbauteile als Karosseriebauteile eines Fahrzeugs an. Sensorwerte der Sensorvorrichtung, im Speziellen Beschleunigungswerte einer entsprechenden Sensorvorrichtung zur
Erfassung von Beschleunigungswerte, könnte dabei nicht nur zur Realisierung einer Schutzfunktion für Verkehrsteilnehmer wie die Insassen des Fahrzeugs oder weiterer Verkehrsteilnehmer verwendet werden, sondern darüber hinaus als erweiterte Sicherheitsfunktion zur Prüfung des Faserverbundbauteils verwendet werden.
Diese erweiterte Sicherheitsfunktion kommt vor dem Hintergrund zur Geltung, dass mechanische Energieeinträge auf Faserverbundbauteile zu inneren Schäden in dem Bauteil führen können. Bei diesen Schäden kann es sich beispielsweise um Delaminationen, Faserrisse oder sog. Faser -Pull-Outs handeln. Diese Schäden können sich nachteilig auf die Eigenschaften des Bauteils auswirken. Kommt ein Faserverbundbauteil als Karosseriebauteil zum Einsatz können auf mannigfaltige Weise mechanische Energieeinträge auf das Bauteil erfolgen, bspw. durch sog. Parkrempler oder andere Kollisionen. Durch die dabei entstehenden inneren Schäden kann sich im Allgemeinen der Bauteilcharakter ändern. Dies kann sich auf das Schwingungsverhalten des Bauteils auswirken. D. h. eingeleitete Impulse werden bei einem geschädigten Bauteil auf eine andere Art und Weise ausgeleitet, als bei Bauteilen im
Originalzustand bzw. im nicht-geschädigten Zustand. Diese andere Art und Weise, mit anderen Worten, dieser Unterschied lässt sich durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermitteln und so unmittelbar ein Rückschluss auf den Zustand des Bauteils bzw. allgemeiner auf den Charakter des Bauteils zu.
Zur Ermittlung bzw. zur Detektion dient das Signal der in das
Faserverbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung, da dieses unmittelbar auf den veränderten Bauteilcharakter reagiert.
Das Referenzsignal kann dadurch erzeugt werden, dass das
Faserverbundbauteil in eine Referenzschwingung versetzt wird und die
Referenzschwingung mittels der Sensorvorrichtung erfasst wird und das erfasste Signal oder ein davon abgeleitetes Signal das Referenzsignal ist.
Das Referenzsignal dient zur Folgeuntersuchungen bzw. Prüfungen des Faserverbundbauteils.
Es ist von Vorteil, wenn das Referenzsignal in einem Neuzustand des
Faserverbundbauteils erzeugt wird. Dadurch kann bei einer später erfolgenden Prüfung des Faserverbundbauteils gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch Vergleich des Prüfsignals mit dem
Referenzsignal eine Veränderung der Bauteilcharakteristika ermittelt werden. Basierend auf den ermittelten Bauteilcharakteristika kann auf den Zustand bzw. eine Zustandsänderung des Bauteils zum Zeitpunkt der Durchführung des Verfahrens zur Prüfung des Faserverbundbauteils im Vergleich zu dessen Neuzustand geschlossen werden. Mit dieser Information kann eine geeignete Maßnahme durchgeführt werden.
Der so bestimmte Zustand bzw. diese so bestimme Zustandsänderung des Faserverbundbauteils kann mittels eines Zustandssignals, das den Zustand bzw. die Zustandsänderung geeignet repräsentiert, ausgegeben werden.
Bei Karosseriebauteilen für ein Fahrzeug kann eine geeignete Maßnahme die Empfehlung sein, eine Werkstatt zur Inspektion oder Reparatur aufzusuchen. Als geeignete Maßnahme ist ebenso denkbar das Fahrzeug stillzulegen.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erfolgt die Spektralanalyse mittels einer Diskreten Fourier-Transformation (DFT).
Als Ausgangspunkt wird das diskrete Sensorsignal im Zeitbereich z. B. durch die Anwendung der Diskreten Fourier-Transformation (DFT) im diskreten
Frequenzbereich repräsentiert.
Dabei eignet sich im Besonderen die Anwendung einer Fast-Fourier- Transformation. Der Vorteil der Anwendung der Fast-Fourier-Transformation liegt darin, dass dieses Verfahren schnell durchgeführt werden kann. Dadurch wird ein ggf. damit einhergehender Genauigkeitsverlust ausgeglichen.
Die DFT kann z. B. über eine Fast Fourier Transformation (FFT) erfolgen. Die FFT ist eine schnellere Version der DFT und besitzt vergleichbare Eigenschaften. Die Repräsentation wird wie folgt mathematisch beschrieben:
Die nachstehenden Formeln stellen die Transformation eines
Beschleunigungssignals zeitdiskret in den Frequenzbereich (Sinusodiale) dar:
Ferner ist es vorteilhaft, wenn vor der Anwendung der Fast-Fourier- Transformation ein Zero-Padding im Zeitbereich erfolgt.
Unter Zero-Padding wird vorliegend verstanden, dass das Prüfsignal im
Zeitbereich mit Nullen aufgefüllt wird. Das Beobachtungsintervall kann dadurch vergrößert werden, wodurch nach der Anwendung der Fast-Fourier- Transformation eine engere Abtastung erzielt werden kann. Obwohl dadurch keine Qualitätserhöhung des Signals erzielt werden kann ist durch die engere Abtastung eine bessere Darstellung des Signals im Frequenzbereich möglich.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden im Schritt des Vergleichens bei der Spektralanalyse das Prüfsignal und das Referenzsignal nur einseitig betrachtet.
Dies bietet sich an, da die Periodizität des Signals ausgenutzt wird, sodass bei der (diskreten) Fourier-Transformation das Spektrum des Signals über nur eine Periode betrachtet wird. Eine Periode erstreckt sich über den Frequenzbereich von 0 bis zur Samplerate des Sensorsignals. Da nach der (diskreten) Fourier- Transformation das Spektrum des Signals symmetrisch um den Mittelpunkt vorliegt, liegt auch die gewonnene Information redundant vor, wodurch eine einseitige Betrachtung ausreichend ist.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erfolgt im Schritt des Bestimmens die Bestimmung in Abhängigkeit von signifikanten Änderungen der Charakteristik des Frequenzspektrums.
Unter signifikant werden gemäß der vorliegenden Erfindung alle Änderungen verstanden, die über den Rahmen der - an sich bekannten - Messgenauigkeit der integrierten Sensorvorrichtung hinausgehen und damit nicht auf die
Messunschärfe zurückzuführen sind. Nach einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung liegt die Prüfschwingung innerhalb eines betrachteten Messbereichs der
Sensorvorrichtung und ist abhängig von einer Eigenfrequenz der Umgebung des Faserverbundbauteils.
Unter einer Umgebung können vorliegend beispielsweise eine
Einspannvorrichtung des Faserverbundbauteils, die Aufhängevorrichtung des Faserverbundbauteils an einem Fahrzeug, aber auch sonstige
Frequenzübertragungen, die einen Einfluss auf die Erfassung des Prüfsignals haben, verstanden werden.
Für eine genaue Signalanalyse sollten beim Versetzen des Bauteils in eine Prüfschwingung die Eigenfrequenzen der Umgebung außerhalb des
Messbereichs (Frequenzbereich) des Sensormoduls liegen. Insbesondere wenn der Beschleunigungssensor einen Hoch- oder Tiefpassfilter besitzt. Dies kann beispielsweise durch eine Schwingungsisolation erfolgen.
Dies gewährleistet, dass bei der Analyse des Frequenzgangs des
Beschleunigungssensorsignals keine Frequenzanteile durch Eigenschwingung der Umgebung überlagert sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, die derart gestaltet ist, alle Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm, das derart gestaltet ist, alle Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gemäß der vorliegenden Erfindung gespeichert ist.
Zeichnungen Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens 100 zur Prüfung eines Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Schritt 101 wird das Faserverbundbauteil in eine Prüfschwingung zur
Erzeugung eines Prüfsignals versetzt. Das Versetzen in eine Prüfschwingung kann dabei durch Einbringen eines Prüfimpulses auf einen Prüfort des
Faserverbundbauteils erfolgen. Im Ablaufdiagramm ist der Verfahrensschritt gestrichelt dargestellt, da dieser Schritt keinen wesentlichen Schritt des beanspruchten Verfahrens darstellt.
In Schritt 102 wird das Prüfsignal mittels einer in das Faserverbundbauteil integrierten Sensorvorrichtung erfasst. Das Prüfsignal kann dabei als diskretes Sensorsignal im Zeitbereich, d. h. bspw. als Beschleunigung über die Zeit, aufgezeichnet werden.
Im optionalen Schritt 103 erfolgt ein Zero-Padding des aufgezeichneten
Sensorsignals im Zeitbereich.
In Schritt 104 erfolgt eine Transformation des erfassten Prüfsignals im diskreten Zeitbereich zur Repräsentation im diskreten Frequenzbereich. Diese
Transformation kann bspw. mittels einer Diskreten Fourier-Transformation (DFT) z. B. durch Anwendung der Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt werden.
In Schritt 105 wird das Frequenzspektrum des Prüfsignals im Frequenzbereich, insbesondere einseitig, insbesondere der Realteil, untersucht. In Schritt 106 erfolgt ein Vergleich des Prüfsignals im Frequenzbereich bzgl. charakteristischer Größen mit einem Referenzsignal.
In Schritt 107 wird ausgehend von dem Vergleich aus Schritt 106 ein Zustand oder eine Zustandsänderung bestimmt.