Ein aktives System zur Überwachung des Bauteilzustands wird erstmals in einem Feldversuch unter Realbedingungen getestet und sammelt wertvolle Daten für die Weiterentwicklung des Systems. Hierbei wird das Ziel verfolgt, Einschränkungen für hochbelastete Faserverbundstrukturen durch deren „schadenstolerante“ Auslegung zu reduzieren. Bei diesem konstruktiven Ansatz stellen mögliche Beschädigungen Bedingungen an die sich ergebende Restfestigkeit der Struktur. Die beschädigte Struktur muss weiterhin alle auftretenden Belastungen ertragen können. Hieraus werden hohe Sicherheitsfaktoren abgeleitet, aus welchen ein erhöhtes Strukturgewicht resultiert. Weiterhin sind regelmäßig aufwändige Inspektionen notwendig, um kritische Beschädigungen aufzudecken.
Unsichtbare Schäden erkennen
Faserverbundwerkstoffe weisen schadensmechanische Besonderheiten gegenüber metallischen Werkstoffen infolge ihres komplexen, mehrschichtigen Aufbaus auf. Hierbei sind in der Praxis insbesondere kaum oder gar nicht sichtbare Beschädigungen (engl. „barely visible impact damages“) kurz BVID, relevant. Bei dieser Schadensart handelt es sich um Ablösungen von Laminatschichten im Inneren des Materials, die visuell nicht zu erkennen sind. Hervorgerufen werden diese auch als Delaminationen bezeichneten Beschädigungen häufig durch einen stumpfen Schlag auf die Struktur. Da diese Schadensart bei einer visuellen Inspektion übersehen werden kann, erfolgt nach einem potenziellen Schadensfall eine detaillierte Inspektion mittels zerstörungsfreier Prüfung. Ein Entwicklungsziel bei dem Einsatz von aktiven Strukturüberwachungssystemen (eng.: „Structural-Health-Monitoring“, kurz „SHM“) ist es, diese Inspektion signifikant zu beschleunigen und damit die Ausfallzeit zu verringern. Durch die aktive Überwachung eignet sich ein SHM-System ebenfalls zur präzisen Planung von Wartungsintervallen, da diese an den realen Bauteilzustand angepasst werden können. Hierdurch wird die Verfügbarkeit der instrumentierten Fahrzeuge nochmals erhöht. Das am DLR entwickelte SHM-System hat in verschiedenen Forschungsprojekten seine Einsatzfähigkeit unter Laborbedingungen bewiesen. Der nächste Schritt in der Erforschung des Systems liegt in der Erprobung unter realen Umgebungsbedingungen. Hierzu wurde die Frontschürze eines Schienenfahrzeugs in dem Projekt „faWaSiS“ mit einem piezoelektrischen Sensornetzwerk ausgestattet und in einem mehrmonatigen Feldtest aktiv überwacht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Messsystem und das Sensornetzwerk zuverlässig arbeiten. Das Beispielbauteil bietet durch die fordernden Einsatzbedingungen eine gute Plattform zur Erprobung des Systems. Zukünftige Einsatzfelder sind ebenfalls im Luftfahrtbereich, bspw. bei Zusammenstößen von Flugzeugen mit Bodenfahrzeugen, zu sehen.
Robuste Algorithmen
Die erhobenen Daten aus dem Realbetrieb bilden die Grundlage insbesondere für die Weiterentwicklung der Algorithmen zur Schadensdetektion. Durch den Einsatz maschinellen Lernens werden Algorithmen entwickelt, die robust zwischen schadensartigen Strukturveränderungen und Veränderungen durch variierende Umgebungsbedingungen unterscheiden können. Das Ziel bei dieser Entwicklung ist, die Zuverlässigkeit des SHM-Systems im Hinblick auf die Schadensbewertung nochmals zu steigern.
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