Eine hybride POD-Methode für SHM-Systeme basierend auf geführten Wellen am Anwendungsbeispiel Rohrleitung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Inka Mueller; Dr. Jens Prager
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575660193

Pipelines zählen in verschiedenen Branchen, darunter Öl-, Gas- und Chemieindustrie, sowie zum Wasserstofftransport und in Fernwärmenetzen zu kritischer Infrastruktur. Ihre Integrität zu gewährleisten, ist entscheidend für unsere Sicherheit. Structural Health Monitoring (SHM) mit ultraschallgeführten Wellen hat sich als vielversprechende Methode zur kontinuierlichen Überwachung etabliert. Es ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Defekten und reduziert so potentiell Häufigkeit und Kosten herkömmlicher Inspektionen. Die Bewertung der Zuverlässigkeit solcher SHM-Systeme erfolgt mittels Probability of Detection (POD) Analyse, die angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit bestimmte Schadensarten und -größen erkannt werden. Experimentelle POD-Studien, die alle relevanten strukturellen, betrieblichen und umweltbedingten Unsicherheiten abdecken, sind jedoch extrem kostenintensiv. Als Alternative wird Model-Assisted POD (MAPOD) eingesetzt, bei dem Simulationen Experimente ersetzen. MAPOD erfordert jedoch rechenzeiteffiziente Methoden, um den großen Parameterraum zu bewältigen. Beide Ansätze vernachlässigen zudem den spezifischen "Fingerabdruck", den jede Pipeline-Anwendung durch ihre individuelle Ausführung besitzt. Das Projekt „Eine hybride POD-Methode für SHM-Systeme basierend auf geführten Wellen am Anwendungsbeispiel Rohrleitung“ verfolgt das Ziel, die Zuverlässigkeit eines spezifischen SHM-Systems mit einer neuen effizienten Variante der POD-Analyse zu bewerten. Die zentrale Idee ist es, mit experimentellen Daten den spezifischen Fingerabdruck der realen Struktur zu erfassen, und andererseits mit effiziente Simulationen den Einfluss von Schäden systematisch abzubilden. Damit werden die Vorteile beider Ansätze kombiniert. Hierzu wird die Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) weiterentwickelt – eine semianalytische Simulationsmethode, die eine effiziente Modellierung der Wellenausbreitung in intakten Pipeline-Abschnitten ermöglicht. SBFEM reduziert die Rechenzeiten erheblich, indem große Teile des Problems analytisch gelöst werden. Die Methode wird im Projekt erweitert, um die mulitphysikalischen Zusammenhänge einer gefüllten Pipeline sowie den piezoelektrischen Effekt der Sensoren zu berücksichtigen, und experimentell validiert. Im Unterschied zu herkömmlichen POD-Ansätzen, die viele Pipelinetests benötigen, integriert HyPOD gezielt den einzigartigen Fingerabdruck der einen betrachteten Pipeline. Dadurch werden Effekte wie Sensormontage, Materialabweichungen und geometrische Unregelmäßigkeiten direkt berücksichtigt – ohne die Pipeline zu schädigen. Am Ende des Projekts steht eine effiziente hybride POD-Methode zur Verfügung, die auch auf andere Strukturen übertragbar ist. Das Projekt ist eine Kooperation der Hochschule Bochum, die ihre Expertise in POD-Analysen und Pipeline-Experimenten einbringt, und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Experten auf dem Gebiet der fortschrittlichen Simulationsmethoden auf Basis der SBFEM.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen