Ultrasonic Characterization of Elastic Anisotropy in Composites: Case Study of CFRP
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Igor Solodov
Abstract
Combined measurements of bulk and plate wave velocities are used to infer the complete matrix of elastic constants for orthotropic CFRP laminates. A direct estimate of Young's moduli in principal axes of the composite is deduced from the low-frequency values of the s0-wave velocities in these directions. The non-contact ultrasonic evaluation of the in-plane anisotropy of Young's modulus in CFRP is implemented by air-coupled measurements of the a0-wave dispersion extrapolated to a static case. A strong variation of elastic anisotropy as a function of frequency is measured for both s0- and a0-waves. A simple phenomenology presented enables a rapid quantification of frequency variation of plate wave anisotropy in composites. The relation between elastic wave anisotropies and inherent material elasticity is discussed for bulk, surface, and plate waves.
Kurzfassung
Die E-Moduln in Hauptachsenrichtung des CFK wurden unmittelbar aus den Phasengeschwindigkeiten von Niederfrequenz-s0-Wellen in den jeweiligen Richtungen abgeschätzt. Die berührungslose Ermittlung der planaren Anisotropie des E-Moduls wurde mittels luftgekoppeltem Ultraschall und Extrapolation der Dispersion von a0-Wellen in den stationären Fall (f = 0) implementiert. Für beide Plattenwellentypen konnte eine starke Abhängigkeit des Anisotropiegrades von der Frequenz festgestellt werden. Eine einfache, phänomenologische Methode ermöglicht eine rasche Quantifizierung der Plattenwellenanisotropie in Faserverbundwerkstoffen. Der Zusammenhang zwischen der Anisotropie elastischer Wellen und der eigentlichen Materialanisotropie wird für Bulk-, Platten- und Oberflächenwellen diskutiert.
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© 2008, Carl Hanser Verlag, München
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