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Großer Fortschritt in der Schwingungsanalyse an Ingenieurbauten

Die Ermittlung, Modellierung und Regulation von Schwingungen ist entscheidend für die Sicherheit von Ingenieurbauten. Ein EU-finanziertes Forscherteam hat eine moderne Software für die Schwingungsanalyse entwickelt, die ideal für Unternehmen geeignet ist, die im Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Mechaniksektor agieren.

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Schwingungen sind gang und gäbe bei flexiblen Ingenieurbauten. In den meisten Fällen sind diese nicht wünschenswert, da sie Energie verschwenden, Ermüdung verursachen und nicht gewollte Geräusche erzeugen. Alle Schwingungen sind von Natur aus nichtlinear, das heißt, dass die Schwingungsreaktion nicht proportional zur Anregungskraft ist. Doch nichtlineare Phänomene werden in der Industrie meistens übersehen, da es der Wissenschaft an einer spezifischen Methodik und Software für die angemessene Handhabung mangelt. Infolgedessen werden häufig lineare Ansätze bevorzugt, da diese das Systemverhalten simpel, vorhersagbar und einfach in der Handhabung halten.

Nichtlineare Phänomene ohne lineare Pendants

Lineare Ansätze haben unbestritten bei der Entwicklung von Verfahren und Instrumenten geholfen, die zur Lösung komplexer ingenieurtechnischer Herausforderungen beitragen. Aber „der Trend hin zu leichteren, flexibleren, umweltschonenderen und weniger kostspieligen Bauten spornt Ingenieure dazu an, innovative Konstruktionen zu erfinden und, bedeutsamerweise, Sicherheitstoleranzen zu senken“, erklärt Gaëtan Kerschen, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik am Fachbereich für Luft- und Raumfahrttechnik und Maschinenbau der Universität Liège, Belgien. Diese Bauten sind anfällig dafür, ein nichtlineares Verhalten zu zeigen, sobald sie ausgedehnt oder gedreht werden. „Die ungleiche Reibung zwischen den verschiedenen Elementen eines Batteriesatzes oder zwischen den Triebwerksschaufeln und der Hülle kann zu einer stark nichtlinearen Dynamik (Schwingungen) in Elektrofahrzeugen bzw. Flugzeugen führen“, merkt Kerschen an. Grundsätzlich gehen aus einer Nichtlinearität komplexe dynamische Phänomene hervor, einschließlich modaler Wechselwirkungen, Gabelungen oder Chaos. Somit ist jeder Versuch, herkömmliche lineare Verfahren anzuwenden, um die Dynamik zu erfassen, zum Scheitern verdammt.

Die Überwindung wichtiger Hürden bei der Konstruktion sicherer Ingenieurbauten

Aufbauend auf dem Erfolg eines anderen Projekts zur Entwicklung der ersten Software, welche die Auswirkungen nichtlinearer Schwingungen auf Ingenieurbauten präzise quantifizieren kann, hilft das EU-finanzierte Projekt NI2D bei der Kommerzialisierung der neu entwickelten Technologie. „Unsere Software assistiert Prüf- und Simulationsingenieuren bei der Abschätzung der Wichtigkeit nichtlinearer Phänomene, die in Bauten vorliegen, indem herkömmliche Prüfdaten auf innovative Weise analysiert werden“, erklärt Kerschen. Ingenieurteams können die Quelle der nichtlinearen Schwingung ermitteln und dann neue Modelle erstellen, die dieses Verhalten zu Konstruktionszwecken beschreiben. Er fährt fort: „Nichtlinearität verwandelt sich dann von einem unbekannten und potenziell gefährlichen Phänomen in ein gut verstandenes, vorhersagbares und tolerierbares dynamisches Ereignis. Dies ermöglicht Ingenieuren, ihre Konstruktionen in neue Höhen zu schrauben und hilft bei der Überwindung von Ängsten in Bezug auf das Reich der nichtlinearen Schwingungen.“ Das einzigartige Merkmal an NI2D ist, dass sowohl Zeitreihen- als auch Finite-Elemente-Modelle genutzt werden können. Im Vergleich zu bestehender handelsüblicher Software werden außerdem die Aktualisierung nichtlinearer Modelle ermöglicht und Modellanalysen (die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Systemen im Frequenzbereich) unterstützt. Durch die Kombination nichtlinearer Zeitreaktionen, Schwingungsmodi, Resonanzfrequenzen und Gabelungen bietet die Software einen klaren und unmittelbaren Überblick über die Auswirkungen von Nichtlinearitäten auf die dynamischen Eigenschaften der Struktur zu Prognose- und Konstruktionszwecken.

Vielfältige Vorteile

Nichtlinearitäten können die strukturelle Integrität und Leistung von Produkten beeinträchtigen. Das größte Risiko ist, dass die Produktentwicklung im Falle nicht erfüllter Zulassungsanforderungen (etwa im Fall von Satelliten) unterbrochen wird. Im Hinblick auf Flugzeug- und Autoteile führt der beschleunigte Verschleiß aufgrund von Nichtlinearitäten zu erhöhten Instandhaltungskosten und negativen Umweltauswirkungen. NI2D bietet die Möglichkeit zur Abschätzung der Nichtlinearitäten in der frühen Entwurfsphase, sodass Unternehmen hochgenaue Modelle der nichtlinearen Verbindungen in ihrer Struktur erhalten. Darüber hinaus verkürzt NI2D die Dauer der Prüfkampagne erheblich und verbessert die Vorlaufzeit für das Produkt. Das Fazit von Kerschen lautet: „Durch die Vermittlung eines reichhaltigen Satzes nichtlinearer Wechselwirkungen beschleunigt NI2D die Validierung aussichtsreicher neuer Konstruktionen, sodass nicht mehr auf konservative Konstruktionen zurückgegriffen werden muss.“

Schlüsselbegriffe

NI2D, Ingenieurbauten, nichtlineare Schwingung, Schwingungsanalyse, Auto, Flugzeug, Satellit

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