Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

SmartSHM - Effiziente Zustandsüberwachung struktureller Klebungen

Die Vorhersage und Detektion von Schädigungen innerhalb einer Klebefuge stellt eine besondere Herausforderung dar. Die in der Industrie zur Vorauslegung verwendeten Berechnungsmethoden weisen signifikante Ungenauigkeiten auf. Speziell die Berechnung von Schadensinitiierung und -fortschritt sind problematisch. Schwankende Fertigungsqualitäten und mangelndes Wissen im Bereich des Ermüdungsverhaltens verstärken die Differenz zwischen dem theoretisch vorhergesagten und dem realen Bauteilverhalten. Als Konsequenz fehlt es an breiter Kundenakzeptanz und Vertrauen in die Betriebssicherheit.

Eine weitere Herausforderung stellt die strukturelle Bewertung einer vorhandenen Schädigung dar. Klebungen können nach ihrer Fertigung nicht-destruktiv untersucht werden, wobei lediglich die Ausdehnung eines beschädigten Bereichs, nicht jedoch die Auswirkung des Schadens auf das strukturmechanische Verhalten bestimmt wird. Direkte Rückschlüsse zur Restfestigkeit und zur verbleibenden Lebensdauer sind so nicht gegeben.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll ein effizientes und zuverlässiges System der Strukturzustandsüberwachung entwickelt werden, das in der Lage ist, bei geringem messtechnischen Aufwand einen Schaden zuverlässig und frühzeitig im Betrieb zu erkennen und zu bewerten. Das Konzept baut auf dem Wissen der Strukturmechanik auf. Bereits bei der Auslegung einer Klebung können kritische Bereiche, in denen eine Schadensinitiierung wahrscheinlich ist, zuverlässig identifiziert werden. Durch die Berücksichtigung des Schadens in den statischen Berechnungsmodellen kann die Änderung im strukturmechanischen Verhalten erfasst werden und so effiziente Schadensindikatoren ermittelt werden. Betreiber der überwachten Strukturen und deren Vertragspartner, welche meist kmU geprägt sind, erhalten eine bessere Planbarkeit von Betrieb und Wartung. Der Entwurf von Überwachungssystemen und die Vermarktung der erworbenen Daten stellen neue Geschäftsfelder dar, die von kmU gefüllt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass eine Zustandsstrukturüberwachung einer einfachen Überlappklebung mittels Überwachung dehnungsmarkanter Stellen möglich ist. Die innerhalb eines Zugscherversuchs auf den Prüfkörper einwirkende Belastung verursacht einen Punkt, an dem die Längsdehnung des Fügeteils gleich null ist. Dieser Punkt wird als Dehnungsnullpunkt bezeichnet. Durch eine FE-Simulation konnte gezeigt werden, dass die Position dieses Punktes bis zum Erreichen einer bestimmten Kraft unabhängig von der Belastung des unbeschädigten Prüfkörpers ist. Zudem wurde die genaue Position des Dehnungsnullpunktes mittels Finiter-Elemente-Methode bestimmt. An dieser berechneten Position wird der DMS auf der Rückseite des Prüfkörpers positioniert. Die vordere Seite des Prüfkörpers wurde zum Abgleich der erfassten Messdaten mittels DIC überwacht. Ein Vergleich der Daten, die per FE-Simulation errechnet wurden, und der Daten des DIC-Systems ergab, dass die Messergebnisse beider Verfahren in guter Genauigkeit übereinstimmen. Das Einbringen von Schadenssimulationen unterschiedlicher Abmessungen hat sich unmittelbar auf die erfassten Kraft-Verschiebungs-Verläufe ausgewirkt. Je größer der eingebrachte Schaden ausfällt, desto geringer ist die maximal ertragbare Last des Prüfkörpers. Die Auswertung der vom DMS gemessenen Dehnungen der unterschiedlichen Prüfkörper hat ebenfalls aussagekräftige Ergebnisse geliefert. Je nach Prüfkörper wurde, abhängig vom Zustand der Klebung, ein abweichender Verlauf der Dehnung erfasst. Es wurde somit gezeigt, dass sich der Zustand der Klebung unmittelbar auf den Verlauf der Dehnung auswirkt. Durch Überwachung der dehnungsmarkanten Stellen ist es möglich, Rückschlüsse auf den Zustand der Klebstelle zu ziehen.