Entwicklung und Validierung eines allgemeingültigen Messverfahrens zur Bestimmung der Strukturintensität auf Basis der 3D-Laservibrometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte ein neues Messverfahren zur Bestimmung der Strukturintensität (STI) an gekrümmten und dünnwandigen Strukturen entwickelt werden. Im ersten Teil des Forschungsvorhabens wird ein Rahmenprüfstand konzipiert, der eine flexible und reproduzierbare Aufnahme unterschiedlicher Balken- und Schalenstrukturen ermöglicht. Basierend auf realen Prüfkörpern werden korrespondierende Finite-Elemente-Modelle mit der Software ANSYS erstellt und mit einem schrittweisen Modellabgleich wird eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den numerischen und experimentellen Modellen erreicht. Als Kern des Forschungsvorhabens wird ein Ansatz zur Berechnung der STI in gekrümmten und dünnwandigen Balken- und Schalenstrukturen erarbeitet, der auf Verschiebungen basiert, welche diskret an definierten Messpunkten mit bekannten Koordinaten vorliegen. In Anlehnung an die Mechanik von dünnen Schalen wird ein lokales krummliniges und körperangepasstes Koordinatensystem in der Schalenmittenebene definiert. Auf diese Weise lassen sich allgemeine Gleichungen für die STI aufstellen, die für beliebig gekrümmte dünnwandige Strukturen gültig sind. Im Gegensatz zur Betrachtung von ebenen Strukturen müssen neben den Ortsableitungen der Verschiebungen auch die Krümmungseigenschaften der Strukturen korrekt ermittelt werden. Insgesamt sind für eine vollständige Ermittlung der STI sechs Messgrößen, drei Messpunktkoordinaten und drei Verschiebungen, bezogen auf ein globales Messkoordinatensystem, notwendig. Das entwickelte Messverfahren wurde mit virtuellen Messdaten, die auf Basis einer Finite-Elemente-Simulation gewonnen werden, verifiziert. Die experimentelle Validierung wird für Balken- und Schalenstrukturen mit unterschiedlicher Gestalt durchgeführt, indem reale Messdaten eines 3D-Scanning-Laservibrometers verwendet werden. Bei der Verarbeitung von Messdaten zeigt sich eine erwartete hohe Anfälligkeit des Messverfahrens auf Abweichungen der Messdaten. Bei weiterführenden Untersuchungen konnte ein Savitzky-Golay-Filter als Methode identifiziert werden, mit der eine gute Berechnung der STI durchgeführt werden kann. Bei der experimentellen Validierung hat sich gezeigt, dass ein hochwertiger und konsistenter Datensatz aus Messpunktkoordinaten und Verschiebungen notwendig ist und Berechnungsfehler insbesondere durch eine schlechte Kondition der Berechnungsgleichungen auftreten. Die Fortsetzung des Forschungsvorhabens soll die Anwendung des Messverfahrens vertiefen. So ist vorgesehen, das entwickelte Verfahren für eine experimentelle Untersuchung von dünnwandigen Strukturen anzuwenden, die über eine Fügestelle verbunden sind. Auf diese Weise soll eine Modellierungsmethodik für Fügestellen erarbeitet werden, damit auch in diesem Fall eine korrekte Bestimmung der STI in einer Finite-Elemente-Simulation möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018): Entwicklung einer robusten Berechnungsmethode zur Bestimmung der Strukturintensität von dünnwandigen, gekrümmten Bauteilen unter Zuhilfenahme virtueller Messdaten, In: DAGA 2018, 44. Jahrestagung für Akustik, München, S. 1235–1238
Kleinfeller, N., Bös, J. und Melz, T.
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(2019): Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Strukturintensität von dünnwandigen und gekrümmten Strukturen, In: DAGA 2019, 45. Jahrestagung für Akustik, Rostock, S. 1022–1025
Kleinfeller, N., Bös, J. und Melz, T.
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(2019): Measurement of the structural intensity of curved shell structures by means of 3D laser vibrometry, In: ICA 2019, 23. International Congress on Acoustics, Aachen
Kleinfeller, N., Bös, J. und Melz, T.
