Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Erfassung und Simulation von Betriebslasten an aktiven Systemen zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsprojekts wurden wesentliche neue Erkeimtnisse zur Betriebslastenanalyse aktiver Systeme gewonnen. Anhand eines Beispielsystems zur Schwingungsisolation empfindlicher Bauteile mit mehreren passiven und aktiven Elementen zur Reduktion der angreifenden Lasten wurden neue Verfahren und Strategien sowohl zur experimentellen als auch zur numerischen Analyse der Betriebslasten entwickelt und umgesetzt. Bei den einzelnen Elementen der vorgestellten experimentellen Methodik, der eingesetzten Messtechnik und der statistischen Versuchsplanung wurden bewährte konventionelle Techniken gepaart mit einer Auswertestrategie, basierend auf verbesserten Algorithmen zur spektralen Bewertung und Formulierung geeigneter skalarer Ausgangsgrößen, die das Systemverhalten adäquat beschreiben. Dies führte zu überraschend guten Ergebnissen, wobei die Analyse eindeutige quantitative Aussagen ermöglichte über den Einfluss äußerer Störgrößen wie bspw. der Temperatur auf die anliegenden Betriebslasten. Anhand der aus der experimentellen Analyse abgeleiteten Berechnungsmodelle lässt sich bspw. die mechanische und elektrische Beanspruchung der eingesetzten Piezoaktoren aus einem beliebigen Spektrum der Störgröße berechnen. Die Lebensdauer der Aktoren lässt sich im Folgenden als Funktion der nun bekannten angreifenden Lasten ermitteln, woraus sich eine Zuverlässigkeitsaussage über das aktive System ableiten lässt. Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund der hohen Komplexität des Beispielsystems. Dies führte dazu, dass die Regelstrategie als wesentiiches Element eines aktiven Systems lediglich idealisiert abgebildet wurde. Mögliche Folge Untersuchungen anhand vereinfachter Systeme zur umfassenden Anwendung, Bewertung und Optimierung dieser Methodik sind vorgesehen. Im Gegensatz hierzu sind die innerhalb dieser Arbeiten entwickelten numerischen Verfahren zur Betriebslastenanalyse aktiver Systeme grundlegender Natur. Eine breite Anwendung zur Analyse allgemeiner aktiver Systeme ist noch nicht absehbar. Gründe hierfür liegen in den offenen Fragestellungen bezüglich der eingesetzten mathematischen Algorithmen insbesondere im Zusammenhang mit dem noch jungen Forschungsgebiet der Simulation aktiver und adaptronischer Systeme. Beispielsweise existieren keine Verfahren zur Fehlerabschätzung der Sensitivitätsmaße zur Bewertung des Systems. Diese sind lediglich anhand analytischer Strukturmodelle exakt zu berechnen, sind somit im Allgemeinen unbekannt und werden numerisch approximiert. Eine Sensitivitätsanalyse karm allerdings erst dann als funktionsfähig angesehen werden, wenn die Güte der angenäherten Bewertungsmaße bestimmt werden karm. Trotz des großen Forschungsbedarfs im Einzelnen wurde dennoch aufgezeigt, dass das erarbeitete Konzept mit der Einbindung von neuartigen Reduktionsalgorithmen und Methoden der varianzbasierten Sensitivitätsanalyse eine quantitative Bewertung der Einflussgrößen prinzipiell ermöglicht. Anhand des untersuchten Demonstrators und eines zweiten aktiven Systems, einer aktiven Ölwanne, wurden teilweise sogar sehr gute quantitative Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen erzielt. Dies lässt erkennen, dass die eingesetzten numerischen Verfahren über ein sehr großes Potenzial verfügen. Zur Analyse und Erarbeitung von Lösungsmöglichkeiten der identifizierten grundlegenden FragesteUungen sind zukünftige Forschungsprojekte beabsichtigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Reliability Analysis of a Smart Structure System considering the Dependence on Parameter Uncertainties. In: Proc. USD2009 (2nd International Conference on Uncertainty in Structural Dynamics, Sheffield, 15.-17. Juni 2009). USD09-32
Han, Soong-Oh; Wolf, Kai; Hanselka, Holger
- Sensitivitätsbewertung adaptronischer Systeme bezüglich streuender Konstruktions- und Umgebungsparameter. In: VDI Berichte 2065 (Tagung Technische Zuveriässigkeit TTZ 2009, Leonberg, 29.-30. April 2009). Düsseldorf: VDI Veriag, 2009, S. 145-155
Han, Soong-Oh; Wolf, Kai; Hanselka, Holger; Bein, Thilo
