Strukturdiagnose mit Ultraschallwellen durch Verwendung von piezoelektrischen Sensoren und Aktoren

Zu den wichtigsten Eigenschaften bei der Auslegung von technischen Strukturen zahlt die Gewahrleistung der Betriebssicherheit. Die fruheren Entwicklungen im klassischen Maschinenbau bzw. im klassischen Bauwesen gingen nach damaligem Kenntnisstand von konservativen Auslegungsstrategien aus, den so genannten safe-life Konzepten. Die Vorgehensweise bestand darin, die Bauteile so zu dimensionieren, dass der Versagensfall praktisch nicht eintreten konnte. Dies fuhrte in vielen Fallen zu einer Uberdimensionierung, was mit einem hohen Strukturgewicht einherging. Mit dem Aufkommen des Leichtbaus und einem neuen okologischen Bewusstsein, musste dieses klassische Konzept uberdacht werden. Aus diesem Grund entwickelte man das fail-safe Konzept. Hierbei wird nun so ausgelegt, dass auch bei einer Anfangsschadigung oder dem Komplettausfall einer Komponente die Gesamtstruktur noch sicher funktioniert und die Betriebssicherheit gewahrleistet ist. Bei diesem Auslegungskonzept spielen Uberwachungssysteme eine wichtige Rolle, die unter den Oberbegriffen Structural Health Monitoring (SHM) und Non-Destructive Testing (NDT) zusammengefasst sind. In der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass sich gefuhrte Ultraschallwellen sehr gut fur die Uberwachung von dunnwandigen Strukturen eignen. Angeregt durch piezoelektrische Aktoren breiten sich die Wellen uber eine relativ grose Distanz aus und interagieren dabei sensitiv mit verschiedenen Schadenstypen, wie z.B. Rissen, Delaminationen oder Korrosionsschaden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und experimentellen Realisierung eines autonomen, wellenbasierten SHM-Konzepts fur isotrope und anisotrope Werkstoffe. Hierbei ist die Elimination des Temperatureffekts fur die Schadensdiagnose von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe eines Schadensindikators und statistischen Schwellwerten kann ein Schaden zunachst automatisch detektiert und im Anschluss mittels einer Laufzeitanalyse lokalisiert werden. Nach der erfolgreichen Bestimmung des Schadensortes konnen gezielte Wartungsmasnahmen eingeleitet werden, so dass die Betriebssicherheit der Struktur erhalten bleibt. Die Validierung des vorgestellten Uberwachungskonzepts erfolgt mit Hilfe umfangreicher experimenteller Untersuchungen an isotropen wie auch anisotropen Platten bei unterschiedlichen Schadigungstypen. Weiterhin dokumentiert diese Arbeit die Formulierung von zwei neuen Signalverarbeitungsverfahren, die zu einer Verbesserung der Schadensvisualisierung beitragen: das zeitveranderliche inverse Filter und das in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Nelles (Universitat Siegen) entwickelte statistische Versuchsplanungsverfahren HilomotDoE.