Simulativ-experimentelle Auslegungsmethodik für Sensornetzwerke einer strukturintegrierten Zustandsüberwachung

Abstract

Methoden der strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, kurz SHM) werden in verschiedenen industriellen Bereichen eingesetzt. Eine wichtige Gruppe von SHM-Verfahren basiert auf geführten Wellen in Platten und plattenähnlichen Strukturen. Hierbei werden auf der Plattenoberfläche applizierte piezoelektrische Wandler zur Anregung und zum Empfang eingesetzt. Geführte Wellen breiten sich großflächig aus und interagieren dabei mit strukturellen Inhomogenitäten und Schäden. Durch das Sensornetzwerk können Veränderungen der Wellenausbreitung gemessen werden. Eine geeignete Auswertung der Sensorsignale ermöglicht eine Detektion und Lokalisation von Strukturschäden. Eine wesentliche Herausforderung bei der Planung der Sensornetzwerke besteht in der optimalen Auslegung von Aktuatoren und Sensoren unter Berücksichtigung anwendungsspezifischer Bedingungen. Dies betrifft ihre Anzahl, Position, Form und Materialeigenschaften. Bisherige Ansätze basieren z. B. auf einer konstanten oder iterativ steigenden Sensordichte. Durch Simulationen der Wellenausbreitung wird die Wahrscheinlichkeit einer Schadensdetektion bestimmt. Die Sensordichte wird erhöht, bis die Detektionswahrscheinlichkeit einen vordefinierten Schwellenwert erreicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Methodik zur Auslegung von Sensoren und Sensornetzwerken für SHM-Systeme vorgestellt. Hierfür wird ein Verfahren entwickelt, welches mittels luftgekoppelter Ultraschallprüftechnik ermittelte Aufzeichnungen der Wellenausbreitung dazu verwendet, die Signale von realen, auf dem Bauteil applizierten Sensoren zu berechnen. Durch die Verwendung validierter Messdaten der Wellenausbreitung wird gegenüber rein simulativen Methoden eine prinzipiell höhere Realitätsnähe erreicht. Die Messdaten werden mit einem kontinuumsmechanischen Modell und Methoden der Mustererkennung kombiniert, um das dreidimensionale Wellenfeld zu rekonstruieren. Störende Einflüsse der Wellenabstrahlung werden weitgehend kompensiert. Die Verformungen werden auf ein numerisches Sensormodell übertragen, um dessen Antwortsignal zu bestimmen. Die Sensorsignale werden damit auf eine simulativ-experimentelle Weise ermittelt, ohne dass zeitaufwendige Versuchsreihen notwendig sind. Durch die Optimierung einzelner Sensoren an diskrete Eigenschaften der Struktur und der Wellenausbreitung können vollständige Sensornetzwerke ausgelegt werden.