DFG -Projekt Zweite Förderphase

Schematische Signalfluss

In der Vergangenheit wurden am Fachbereich vorrangig Versuche mit deterministischen Systemanregungen durchgeführt; d.h. die Anregung war im Verlauf bekannt.

Die in dem Labor untersuchten Systeme konnten identifiziert und eine eingebrachte Strukturmodifikation detektiert und lokalisiert werden.

Diese Methode konnte auch im Großversuch an der Brücke Hünxe erfolgreich angewendet werden. Der deterministische Versuchsaufbau ist sehr aufwendig. Da Bauwerke kontinuierlich ambienter Erregungen (z.B. Wind, Verkehr, Erschütterungen, Erdbeben, Wellen) unterliegen, können diese genutzt werden Versuche stark zu vereinfachen. Der schematische Signalfluss hierzu wird in Abbildung 9 gezeigt.

Gemittelte Leistungsspektren

Die erarbeitete Theorie konnte in realen Versuchen angewendet werden, um stochastisch erregte Systeme zu identifizieren.

Dabei basiert die Systemidentifikation vollständig parametrisierter Black-Box-Modelle auf dem Leistungsspektrum der Strukturantworten (hier Beschleunigungssignale). Die über einen Zeitraum von 1h gemessenen Schwingbeschleunigungen wurden, da es sich um stochastische Signale handelt, in gemittelte Leistungsspektren (ca. 220 Mittelungen) umgeformt und dienten folgend als Basis zur Systemidentifikation.

Die Schätzung der Kragarmspitze ist beispielhaft in Abbildung 11 gezeigt.

Schadensidentifikation

Das System wurde erfolgreich identifiziert. So konnte eine Strukturveränderung detektiert werden. Allerdings erwies sich die Skalierung des Systems (2. Identifikationsstufe) und damit die Schadenslokalisiation realer Systeme fortlaufend als problematisch. Aus diesem Grund wurde damit begonnen die H∞-Filtertheorie zu erarbeiten und anzuwenden. Weiterhin wurde ein neuer Schadensparameter eingeführt und in folgenden Versuchen angewendet. Zur Schadensidentifikation wurde der neudefinierte Schadensparameter ausgewertet. Der erarbeiteten Theorie nach zeigt eine erhöhte Abweichung eine Schädigung an. Im Folgenden soll dem folgend die relative Wahrscheinlichkeit dargestellt werden, welcher Messpunkt die häufigste Fehlerübertragung anzeigt. Zunächst wurde die Methodik in mehreren Versuchen verifiziert. Hierzu wurden Systemzustände miteinander verglichen, in denen keine Strukturmodifikation eingebracht wurde. Das Ergebnis hierzu zeigt Abbildung 13. Durch die Verifikation konnte eine Ungenauigkeit der Methodik von ca. 30% gefunden werden (rote Linie). Dieser Wert ist größer als der zu erwartende Wert von 12,5% (100/8). Daher ist in folgenden Untersuchungen die Methodik weiter zu verfeinern.

Ein weiteres Beispiel der Schadensidentifikation wird in Abbildung 15 dargestellt.

Auch hier kann die Schädigung am Messpunkt 1 (Kragarmspitze) zweifelsfrei detektiert und lokalisiert werden.

Anhand des aufgezeigten realen Beispiels einer Laborstruktur kann festgehalten werden, dass die vorgestellte Methodik dazu geeignet ist sowohl Rauscheinflüsse in Messungen zu reduzieren, als auch Strukturveränderungen bzw. Schäden zu identifizieren.

Derzeit wird im Rahmen des Projektendes der Abschlussbericht für den Mittelgeber – Deutsche Forschungsgemeinschaft - bearbeitet.

Der Versuchsaufbau

Zur Verifikation der im Vorfeld untersuchten Theorien wurden Versuche am realen Objekt im Labor durchgeführt.

Es wurde ein Stahlhohlprofil mit einer Länge von 2,45m mit acht uniaxialen Beschleunigungssensoren untersucht.

Als Anregung diente hier ein - von einem Lautsprecher wiedergegebenes - lautes akustisches Rauschen, welches eine zufällige Anregung simulierte. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 10 dargestellt.

Modellanalyse

In dieser Abbildung ist in schwarz ein raues gemessenes Leistungsspektrum der Kragarmspitze erkennbar. Die rote Linie stellt das Spektrum des identifizierten Modells dar. Wie ersichtlich ist, wurde in dem Modell die zweite bis sechste Eigenform parametrisiert.

Die erste Eigenform wurde, aufgrund einer geringen Anregung (entsprechend der Bauweise des anregenden Lautsprechers), bewusst nicht identifiziert. Zudem wurde das Rauschen zwischen den Eigenfrequenzen verringert.

Die identifizierten modalen Parameter wurden in der ersten Identifikationsstufe identifiziert und werden in Abbildung 12 gezeigt.

Systemveränderung

Auf Basis der ermittelten Leistungsfähigkeit wurden Schädigungen - hier versuchstechnisch bedingt besser Systemveränderung genannt - mit zusätzlichen Massen (Magneten) eingebracht und die Methodik wiederholt.

Dazu zeigt Abbildung 14 ein Beispiel.

Mit der hier gezeigten Schadensidentifikation kann die Schädigung am Messpunkt 5 (Kragarmmitte) detektiert und lokalisiert werden kann, da der Schadensparameter deutlich größer als die gefundene Schranke von 30% ist (rote Linie).