Modellierung und Simulation von wellenbasierten Structural-Health-Monitoring-Systemen mit der Spektral-Elemente-Methode

Eine Vielzahl lasttragender technischer Strukturen bedarf zur Gewahrleistung der Betriebssicherheit einer regelmasigen Uberprufung ihrer Integritat, da aus technologischen, wirtschaftlichen oder okologischen Grunden keine dauerfeste Auslegung moglich ist. Uber die gesamte Lebensdauer dieser Strukturen stellen die notwendigen Inspektionen, die in der Regel mit hohem manuellen Arbeitsaufwand einhergehen, einen grosen wirtschaftlichen Faktor dar. Zudem bewirkt der menschliche Faktor ein nicht unerhebliches Risiko, Schaden zu ubersehen. Daher existiert eine hohe Nachfrage nach Methoden, die eine selbstandige Strukturuberwachung mit permanent installierter Sensorik ermoglichen. Derartige Verfahren werden unter dem Oberbegriff "Structural Health Monitoring (SHM)" zusammengefasst. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Verfahren zur Uberwachung dunnwandiger Strukturen, die auf so genannten gefuhrten Wellen basieren. Diese Wellen, die mit Hilfe piezoelektrischer Elemente angeregt und detektiert werden, interagieren stark mit Strukturdiskontinuitaten (Rissen, Delaminationen) und weisen daher eine hohe Sensitivitat schon gegenuber kleinen Schadigungen auf. Eine erhebliche Herausforderung ist jedoch die Auslegung eines derartigen SHM-Systems fur konkrete Strukturen: Die Anpassung und Optimierung von Parametern wie Aktuator- und Sensorpositionen, Signalformen und Auswertealgorithmen erfolgt bisher meist durch eine grose Anzahl von Vorversuchen und ist damit zeitaufwandig und kostenintensiv. Zudem wird ein tiefgreifendes Verstandnis der bei der Wellenausbreitung ablaufenden Vorgange benotigt. Nach einer Zusammenfassung notwendiger Grundlagen stellt diese Arbeit ein leistungsfahiges Simulationsverfahren basierend auf Spektralelementen vor, mit dem Wellenausbreitungsvorgange in flachen Schalenstrukturen mit einer hoheren Effizienz simuliert werden konnen, als dies mit konventionellen Finiten Elementen moglich ist. Dadurch wird es moglich, ein derartiges SHM-System im Stadium der Vorentwicklung schon vor einer realen Installation virtuell abzubilden und z.B. die Detektierbarkeit von Schadigungen zu untersuchen. Auf der Basis von Simulationsmodellen werden in verschiedenen Studien grundlegende Eigenschaften der Wellenausbreitung untersucht. Dabei werden unter anderem unterschiedliche Modelle der piezoelektrischen Aktuatoren und Sensoren sowie verschiedene Schadigungsmodelle betrachtet. Die Sensitivitat diverser Sensorkonfigurationen hinsichtlich typischer Schadigungen einer versteiften Schalenstruktur wird detailliert analysiert. Ein Vergleich mit verschiedenen experimentellen Studien erlaubt eine Validierung des vorgestellten Simulationsverfahrens.