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B: Systemtechnik und Auslegung

B03 – Methoden und Technologien für ausfallsichere Elemente und Strukturen adaptiver Tragwerke

Für die angestrebten adaptiven Tragwerksstrukturen ist eine Anpassung an die jeweilige aktuelle Lastsituation und an den Nutzer erforderlich. Diese aktive domänenübergreifende Adaption beinhaltet entsprechende Sensorik, Aktorik und Informationsverarbeitung.

Störungen und Ausfälle innerhalb des Adaptionsprozesses schädigen die Gesamtstruktur oder beeinträchtigen die Funktion für den Nutzer und müssen daher möglichst vermieden bzw. frühzeitig erkannt werden. Kommt es tatsächlich zu einem Ausfall, darf er keine schwerwiegenden Folgen haben.

Daher werden im Teilprojekt B03 Unsicherheiten, Störgrößen, Fehlerfälle und Ausfallmöglichkeiten intensiv betrachtet. Eine integrierte Überwachung und Fehlererkennung gibt Aufschluss über das Vorliegen von Fehlerfällen. Eine anschließende Fehlerdiagnose zieht Rückschlüsse auf den Fehlerort und die Fehlerursache um Fehlerfälle zu isolieren und frühzeitig zu erkennen. Um das System weniger störempfindlich und robuster gegenüber von Störgrößen zu machen, werden letztere geschätzt. Kommt es zu einem Ausfall oder ist ein Ausfall wahrscheinlich minimiert ein adaptives, hybrides, domänen- und levelübergreifendes Fail-Safe-Konzept die Schadensauswirkung. Dieses reduziert durch den Einsatz aktiver und passiver Fail-Safe-Elemente im Adaptionsprozess auf Basis der zu erwartenden Situation die Schadensauswirkung und garantiert für eine gewisse Dauer einen sicheren Zustand.

Es ergeben sich die folgenden zentralen Fragestellungen:

  • Wie lassen sich Elemente und Strukturen adaptiver Tragwerke zuverlässigkeitsorientiert modellieren und analysieren?
  • Welche ausfallkritischen Zustände existieren und mit welchen Methoden lässt sich daraus ein adaptives, hybrides, domänen- und levelübergreifendes Fail-Safe-Konzept ableiten?
  • Welche konstruktiven Möglichkeiten bestehen, um Elemente und Strukturen ausfallsicher zu gestalten?
  • Welche Wechselwirkung besteht zwischen den hybriden Bestandteilen des Fail-Safe-Konzepts und wie lassen sich diese optimal verknüpfen?
  • Wie lassen sich die Zustände der Strukturen übergreifend überwachen und welche Fehlerreaktionen sind erforderlich um Ausfälle mit fatalen Folgen zu verhindern?
  • Wie beeinflussen sich das Fail-Safe-System und das adaptive Gesamtsystem?
  • Wie lassen sich anhand der Störgrößenschätzungen frühzeitig Schäden erkennen?
  • Wie lassen sich durch die Erfassung des Bauteilzustands durch charakteristische Messgrößen frühzeitig Schäden detektieren?
  • Wie lassen sich Messdaten im Hinblick auf Schadensindikatoren auswerten?

Grundlegende Ziele für das Fail-Safe-Konzept sind die Modellierung und Schätzung von Störungen in verteilten Systemen. Es müssen sowohl Stör- als auch Fehlermodelle für die Elemente und Strukturen der adaptiven Tragwerke erstellt werden.

 (c) ILEK
Glasbogen

 (c) ILEK
Verbundglas mit Kohlefaserbewehrung zur Sicherstellung der Resttragfähigkeit im Bruchzustand

Diese von den Störbeobachtern geschätzten Störungen und Lasten sind auf ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit hin zu bewerten und zu klassifizieren. Dazu werden Kriterien erarbeitet, anhand derer sich der Lastfall vom Störfall unterscheiden lässt. Um festzustellen welches Fehlverhalten (Sensorausfall vs. Strukturfehler) sich durch das gemessene Signal ausprägt, soll eine Fehlerdiagnose erfolgen.

Eine besondere Herausforderung ist es, die Störungen für verteilte Systeme zu modellieren. Durch eine beliebig gestufte, angepasste Fehlerreaktion soll der Betriebszustand so weit wie möglich aufrechterhalten werden. Wesentlicher Bestandteil des Sicherheitskonzepts ist die gezielte Kombination von aktiven und passiven Sicherheitselementen, die sowohl statisch als auch dynamisch in den Prozess eingreifen und die Fehlerreaktion abstufen.

Die Fehlerdiagnose der Elemente wird an die Teilprojekte B02 und B04 übergeben, um die Beobachter und Regler zu rekonfigurieren. Die in B03 entwickelten Zuverlässigkeitsanforderungen werden an C02 ausgetauscht um ein Fluidaktor-Konzept auszuwählen und später die Zuverlässigkeit optimieren zu können. Um die Energieversorgung der elektroaktiven Schichtsysteme zuverlässig auszulegen, wird das Fail-Safe-Konzept an C03 weitergereicht.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Institut für Maschinenelemente
     
  • Prof. Dr.-Ing. Cristina Tarín, Institut für Systemdynamik

Ansprechpersonen

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M. Sc.

Andreas Ostertag

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M. Sc.

Andreas Gienger

Wissenschaftlicher Mitarbeiter