Dr’in Maren Scheel

Experimentelle Schwingungsuntersuchung von (Leicht-)Bauteilen mit Fügestellen

Leichtbau ist ein Schlüssel zum Erfolg um mit den vorhandenen Ressourcen schonend umzugehen und Emissionen zu mindern. Durch ein leichteres und schlankeres Design von Bauteilen können Material eingespart und Maschinen effizienter betrieben werden. Allerdings sind leichte, schlanke Strukturen wie beispielsweise die Turbinenschaufeln eines Flugzeugtriebwerks oder Rotorblätter einer Windkraftanlage besonders schwingungsanfällig. Schwingungen können zu Materialermüdung führen, den ordnungsgemäßen Betrieb und die strukturelle Integrität von Maschinen gefährden und sogar Menschenleben in Gefahr bringen. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und lange Produktlebenszeiten zu ermöglichen, ist es daher unerlässlich, Schwingungen zu verstehen, vorherzusagen und zu messen. Für die Schwingungsvorhersage ist die Kenntnis von Kenngrößen wie Resonanzfrequenzen, Dämpfungsgrad und Schwingform von essentieller Bedeutung.

Mechanische Fügestellen in Maschinen wie Schraubverbindungen oder Verbindungen zwischen einer Schaufel und einer Scheibe in Flugzeugtriebwerken sind noch immer äußerst schwierig zu modellieren. Es ist daher praktisch unmöglich, Schwingungen von Bauteilen mit Fügestellen vorherzusagen, ohne Modellparameter experimentell zu bestimmen. Darüber hinaus verursachen Kontaktvorgänge in den Fügestellen nichtlineare Kraft-Verformungs-Zusammenhänge, wodurch die Schwingungskenngrößen von der Schwingungsamplitude abhängen. Wenn in solchen Fällen konventionelle, auf linearen Zusammenhängen basierende Methoden angewandt werden, sind die Ergebnisse inkonsistent und fehlerhaft.

Frau Scheel entwickelte ein Messverfahren, um Schwingungskenngrößen experimentell und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude zu ermitteln. Dieses ermöglicht es, kompliziertes Schwingverhalten nur basierend auf Messdaten zu modellieren, Modellparameter zu identifizieren und physikalische Modelle zu validieren. Das Verfahren greift hauptsächlich auf konventionelle und weit verbreitete Schwingungsprüfgeräte zurück und erleichtert damit die Anwendung in der industriellen Praxis. Das Messverfahren ist dadurch für die Untersuchung reibungsgedämpfter, dünnwandiger Strukturen geeignet und kann in der schwingungssicheren Auslegung von Bauteilen und Strukturen eingesetzt werden. Dadurch können beispielsweise Turbinenschaufel in Flugzeugtriebwerken oder Rotorblätter von Windkraftanlagen leicht und ressourcenschonend gebaut und trotzdem ein sicherer und ungestörter Betrieb ermöglicht werden.

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