Forschung
Abteilung Schwingungen

Forschungsschwerpunkte in der Abteilung Schwingungen

© FBG / C. Bierwagen
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Die wissenschaftlichen Arbeiten in der Abteilung Schwingungen gliedern sich in die folgenden Hauptforschungsfelder:

STRUKTURÜBERWACHUNG (STRUCTURAL HEALTH MONITORING, SHM) UND AKUSTIK

Auf dem Gebiet der Strukturüberwachung wird an der Kombination, Erprobung und Weiterentwicklung von schwingungsbasierten globalen SHM-Verfahren, die auf Messdaten, zum Beispiel Rotorblättern, Tragstrukturen von Windenergieanlagen oder von Konstruktionen des Ingenieurbaus, anwendbar sind, geforscht. Ein weiterer Schwerpunkt der Gruppe ist die Ableitung geeigneter FE-Modelle und Methoden für das modellbasierte SHM. Wesentliche Anforderungen an sämtliche Algorithmen sind Robustheit und Modularität.

In der Akustik liegt der aktuelle Forschungsschwerpunkt in der Untersuchung des Einflusses atmosphärischer und topografischer Bedingungen auf die Schallausbreitung infolge von Windenergieanlagen im Betrieb. Hierzu werden sowohl numerische Prognosemodelle als auch experimentelle Konzepte, basierend auf umfangreichen Schallmessungen, zur Validierung komplexer numerischer Modelle sowie zur Ableitung analytischer Ansätze entwickelt.


GEKOPPELTE DYNAMISCHE SYSTEME

Die Entwicklung effizienter parametrisierter Simulationsmodelle für komplexe Strukturen mit akzeptablen Rechenzeiten stellt aus wissenschaftlicher Sicht eine besondere Herausforderung dar. In der Arbeitsgruppe werden schwerpunktmäßig deterministische Modelle und Analysen von aeroelastischen Strukturen mit verschiedenen Nichtlinearitäten und Interaktionen entwickelt, welche Energie-, Impuls- und Drall-erhaltende Zeitintegrationsverfahren verwenden. Die untersuchten sowie entwickelten Methoden werden in die, auf Mehrkörpersystemen sowie der FEM basierende, interne Berechnungssoftware DeSiO (Design and Simulation Framework for Offshore Support Structures) implementiert. 


UNSCHÄRFE

Auf dem Gebiet der Schwingungen konzentriert die abteilungsübergreifende Querschnittsgruppe  ihre Arbeiten in der Entwicklung realitätsnaher numerischer Strukturanalyse von Windenergieanlagen unter Berücksichtigung von polymorpher Unschärfe. Dabei ist ein wesentliches Ziel, die Effizienz der unscharfen Analysen über eine Reduktion der erforderlichen Modellauswertungen zu verbessern. Dies erfolgt mit Hilfe weiterentwickelter Sensitivitätsanalysen, die unter Berücksichtigung polymorph unscharfer Parameter verwendet werden können. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von geeigneten Ersatzmodellen, sogenannten Metamodellen, die das komplexe Systemverhalten approximieren. Zwar werden solche Metamodelle heutzutage bereits vielfach eingesetzt, doch sind ihre Genauigkeit und Effizienz bei komplexen Systeme bisher beschränkt oder kaum umfassend analysiert.


AKTUELLE FORSCHUNGSPROJEKTE DER ABTEILUNG SCHWINGUNGEN

Strukturüberwachung

  • Deutsche Forschungsplattform für Windenergie (DFWind)
    Das Ziel des Projektes ist die Schaffung der Grundlagen einer Windenergieforschungs- und Entwicklungsplattform, mit der zahlreiche Themen für deren Nutzung entlang der gesamten Wirkungskette in einer bisher unerreichten Qualität bearbeitet werden können. Der Forschungsfokus liegt auf der Interaktion der Subsysteme im Gesamtsystem Windenergieanlage auch unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung von zwei separaten WEA bis hin zur Wirkung auf das Verbundnetz. Das ISD wird sich hierbei auf die intelligente Messdatenanalyse, die Strukturüberwachung sowie die Berechnung gekoppelter dynamischer Systeme konzentrieren.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Dr.-Ing. Tanja Grießmann, Stefan Wernitz, M.Sc., Benedikt Hofmeister, M.Eng.
    Jahr: 2016
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325936E
    Laufzeit: 01.01.2016 – 31.12.2020
    © DLR
  • Multivariates Schadensmonitoring von Rotorblättern (MultiMonitorRB)
    Wesentliche Ziele des Projektes MultiMonitorRB sind die Entwicklung, Kombination und Erprobung von globalen und lokalen SHM-Verfahren für Rotorblätter von Windenergieanlagen. Im Sinne einer multivariaten Vorgehensweise werden verschiedene strukturmechanische und akustische Ansätze, welche unterschiedliche Kenngrößen und Schadensmerkmale erfassen können, berücksichtigt. Die SHM-Verfahren sollen eine automatisierte und zuverlässige Erkennung und Klassifizierung strukturrelevanter Schäden im frühen Stadium gewährleisten.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Marlene Bruns, M.Sc., Helge Jauken, M.Sc.
    Jahr: 2017
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324157A
    Laufzeit: 01.03.2017 – 31.12.2020
    © ISD
  • Optimierung der Bemessung hybrider Türme und Entwicklung eines geeigneten Monitoringkonzepts (HyTowering)
    Bei weiter steigenden Turmhöhen werden zunehmend Hybridtürme aus vorgespannten Betonsegmenten und aufgesetzten Stahltürmen für Onshore-Windenergieanlagen eingesetzt. Mit der Höhe wächst das Risiko für Instabilitäten bzw. für Schäden an der Struktur. Gegenstand des genehmigten Forschungsvorhabens sind daher großformatige Versuche an Betonsegmenttürmen, an denen sowohl Bemessungsmodelle entwickelt als auch Monitoringkonzepte erprobt werden können.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Nikolai Penner, M.Sc., Benedikt Hofmeister, M.Eng.
    Jahr: 2018
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324221A
    Laufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020
    © ISD
  • Gebrauchstauglichkeit und Komfort von dynamisch beanspruchten Holztragwerken im urbanen mehrgeschossigen Hochbau (DBH)
    Ziel des Forschungsvorhabens ist die Analyse von Schwingungs- und Erschütterungsphänomenen im modernen, urbanen Holzbau und die Entwicklung von innovativen Methoden und technischen Empfehlungen für Planer und Projektentwickler. Zusätzlich sollen Mess- und Ergebnisdaten in digitaler Form veröffentlicht werden. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach urbanen Holzbauten, insbesondere in einem von Verkehrserschütterungen stark beeinflussten Umfeld, wird die Fragestellung nach dem Schwingungsverhalten vielgeschossiger Holztragwerke bemessungsrelevant und immer dringender. In Kombination mit der per se vorhandenen Nachhaltigkeit des Baustoffes Holz schafft eine ausreichende Planungssicherheit gleichzeitig die Voraussetzung dafür, dass mehrgeschossige Gebäude zukünftig komplett in Holzbauweise ausgeführt werden können und dadurch im Vergleich mit einer Bauweise in Stahlbeton eine deutlich nachhaltigere Variante gewählt werden kann. Im Ergebnis des Projekts werden wichtige Beiträge zur Sicherstellung schwingungsabhängiger Komforteigenschaften von Holzgebäuden erwartet.
    Leitung: Dr.-Ing. Tanja Grießmann
    Team: Benedikt Hofmeister, M.Eng.
    Jahr: 2018
    Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt - Aktenzeichen 34548/01 - 25
    Laufzeit: 2018- 2021
    © iBHolz, Braunschweig
  • Qualitätsgesicherte Fließfertigung leichter UHFB-Stabelemente mittels Künstlicher Neuronaler Netze (SPP 2187)
    Gemeinsam mit dem Institut für Baustoffe forscht das ISD an einem neuartigen Herstellungsverfahren für Bauteile aus ultra-hochfestem Beton mit einer Bewehrung aus Stahlblech und Kohlenstofffasern. In einem innovativen Strangpressverfahren werden stabförmige Bauteile hergestellt, die einen Kern aus ultra-hochfestem Beton haben. Sie sind durch eine Kombination aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und Stahlblech bewehrt. Es wird ein Sensorkonzept entwickelt, welches in der Lage die, die Bauteile „ab Bauteilgeburt“ zu überwachen. Verschiedene heterogene Messdaten werden genutzt, um den Prozess des Strangpressens mithilfe eines Künstlichen Neuronalen Netzes zu steuern und zu überwachen, sodass eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile gewährleistet werden kann.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Nikolai Penner, M.Sc., Jicheng Yuan, M.Sc.
    Jahr: 2019
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402702316
    Laufzeit: 2019 - 2022

Akustik

  • Von der Schallquelle zur psycho-akustischen Bewertung (WEA-Akzeptanz)
    Im Rahmen des Projektes soll ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt werden, der die physikalische Schallentstehung, -abstrahlung und -ausbreitung mit der psychoakustischen Bewertung am Immissionsort verknüpft. In Zusammenarbeit zwischen dem Industriepartner Senvion, dem IKT und dem IMUK der Leibniz Universität Hannover, soll ein akustisches Gesamtmodell entwickelt werden, das sowohl die Schallentstehung am Rotor, an WEA-Komponenten und in der Gondel, als auch die Schallausbreitung bis zum Empfänger unter realistischen atmosphärischen Bedingungen erfasst. Das Gesamtmodell beinhaltet auch die für die Akzeptanz in der Bevölkerung so wichtige psychoakustische Lästigkeitsbewertung der berechneten Schallimmissionen.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Jasmin Hörmeyer, M.Sc., Susanne Martens, M.Sc., Tobias Bohne, M.Sc.
    Jahr: 2017
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324134A
    Laufzeit: 01.04.2017 – 31.10.2020
    © ISD

Gekoppelte Dynamische Systeme

  • Schwingungs- und Festigkeitsverhalten von Bauteilen mit regenerations-bedingten Imperfektionen und Eigenspannungen (TP B4 "Stochastische Strukturanalyse" des SFB 871)
    Reale Bauteile weisen regenerationsbedingte Imperfektionen (Geometrie, Material und Eigenspannungen) auf, die das Strukturverhalten maßgeblich beeinflussen. Am Anwendungsbeispiel des komplexen Investitionsguts einer Verdichterblisk, wird der Regenerationseinfluss auf die Anfahrdynamik und Lebensdauer quantifiziert. Grundlage für die notwendige probabilistische Strukturanalyse sind effiziente Berechnungsansätze. Letztlich erfolgt eine Bewertung der möglichen Regenerationspfade (konkurrierende und nichtkonkurrierende).
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: M.Sc. Ricarda Berger (seit 2016), Dipl.-Ing. Timo Rogge (bis 2015)
    Jahr: 2014
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    Laufzeit: 2010-2021
    © ISD
  • Verbundforschung zur Steigerung der Effizienz von Windenergieanlagen im Energiesystem (ventus efficiens)
    Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Steigerung der Effizienz von (Offshore-) Windenergieanlagen im Energiesystem. Obwohl diese heute mit hoher Qualität hergestellt, errichtet und betrieben werden, ist eine kontinuierliche Steigerung der Effizienz unabdingbar. Nur so können die Stromgestehungskosten noch deutlich weiter gesenkt werden. Dies ist für die Windenergie von besonderer Bedeutung, da sie in Zukunft einen wesentlichen Anteil der europäischen Stromproduktion stellen wird.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes
    Team: Dr.-Ing. Cristian Gebhardt, Karsten Schröder, M.Sc.
    Jahr: 2015
    Förderung: Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur
    Laufzeit: 01.12.2014 - 31.12.2019
    © ForWind
  • Präzises Messsystem zur berührungslosen Erfassung und Analyse des dynamischen Strömungsverhaltens von WEA-Rotorblättern (PreciWind)
    Im Rahmen des Vorhabens PreciWind wird ein mobiles thermografisches Messsystem zur kontinuierlichen Erfassung und Analyse des dynamischen Strömungsverhaltens von Rotorblättern an Windenergieanlagen (WEA) im Betrieb entwickelt. Mit dem für den Freifeldeinsatz entwickelten System kann die aerodynamische Leistungsfähigkeit laufender WEA quantifiziert und bewertet werden. Die Analyse der oberflächennahen Strömungszustände wird mit einer geometrisch hochauflösenden Infrarotkamera im langwelligen Strahlungsbereich verwirklicht. In Kombination mit einem Laserabstandsmesssystem zur Erfassung der Rotorblattdistanz und -geometrie wird das Messsystem auf einem ko-rotierenden Messsystemträger fixiert, um erstmals das Strömungsverhalten während einer vollständigen Umdrehung des Rotors zu untersuchen. Diese Anordnung ermöglicht die Kompensation der Relativbewegungen zwischen Messsystem und WEA-Rotor und ermöglicht zeitgleich eine Analyse der Strukturdynamik der WEA auf Grund von wechselnden Krafteinwirkungen innerhalb eines Rotorumlaufes. Unter Verwendung einer mobilen Stromversorgung können Messungen im Freifeld aus Distanzen von bis zu 300 m zur WEA durchgeführt werden. Das ISD verfolgt innerhalb dieses Projekts erstmalig das Konzept eines Digitalen Zwillings. Ein virtuelles Abbild der WEA wird detailgetreu konzipiert und die gesamten Messaktivitäten mit Hilfe der parametrisierten Simulationsmodelle zur effektiven Positionierung und Einstellung des neuartigen Messsystems verfolgt, sowie auftretende Ursachen von Charakteristika und Unschärfe entlang der gesamten Versuchsstrecke und Messdurchführungen mit Fokus auf strukturmechanische Aspekte untersucht. Eine Validierung der simulationsbasierten Modelle erfolgt anhand von hochwertigen Messdaten.
    Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes, PD Dr.-Ing. habil. Cristian Guillermo Gebhardt
    Team: Daniel Schuster, M. Sc., Dipl.-Ing. (FH) Christian Hente, M.Sc.
    Jahr: 2020
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 03EE3013B
    Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2022
    © BIMAQ

Unschärfe

  • Fundierte Metamodellbildung stochastischer, geregelter Strukturen am Beispiel von Windenergieanlagen (MetaWind)
    Smarte Systeme, die zumeist aus dem Bereich der Kommunikationstechnik kommen und auf einer Kombination von vernetzten, regel- oder steuerbaren, sensorischen und intelligenten Teilsystemen bestehen, sind in den Medien in den letzten Jahren allgegenwärtig. Eigentlich gibt es smarte Systeme schon seit Jahren in verschiedensten Ingenieurbereichen. Im Bauingenieurwesen sind dies zum Beispiel Windenergieanlagen, die vernetzte Elemente der Mess- und Regelungstechnik aufweisen. Für eine wirtschaftliche und zuverlässige Auslegung dieser Systeme ist deren Simulation notwendig. Aufgrund des nichtlinearen, stochastischen und geregelten Verhaltens solcher Systeme kann die erforderliche Rechenleistung unwirtschaftlich hoch sein. In diesem Fall können Ersatzmodelle, sogenannte Metamodelle, zum Einsatz kommen, die das Systemverhalten approximieren. Zwar werden solche Metamodelle heutzutage bereits vielfach eingesetzt, doch ihre Genauigkeit und Effizienz sind bei komplexen Systeme bisher beschränkt oder zumindest kaum umfassend analysiert. Daher adressiert dieses Forschungsvorhaben diese Forschungslücke und entwickelt fundierte Metamodelle für Windenergieanlagen auf Basis eines umfassenden Vergleichs verschiedener Varianten.
    Leitung: Dr.-Ing. Clemens Hübler
    Team: Franziska Müller, M.Sc.
    Jahr: 2019
    Förderung: Leibniz Young Investigator Grant (LUH)
    Laufzeit: 2019- 2021
    © ISD
  • Effizienzsteigerung unscharfer Strukturanalysen von Windenergieanlagen im Zeitbereich (ENERGIZE)
    Windenergie ist eine zukunftsträchtige Technologie zur Erfüllung der Ziele für den Ausbau erneuerbarer Energien. Zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit müssen Kosten gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht werden. Ein erfolgversprechender Ansatz hierfür ist die realitätsnähere numerische Strukturanalyse von Windenergieanlagen (WEA) unter Berücksichtigung von polymorpher Unschärfe. Unter Unschärfe ist, die Variabilität, Unvollständigkeit und Ungenauigkeit von Daten zu verstehen. Eine Möglichkeit polymorphe Unschärfe zu modellieren, ist die Verwendung von Methoden der „imprecise probability“. In der Forschung im klassischen Bauingenieurwesen werden solche Ansätze zuletzt vermehrt angewendet. Aufgrund der Komplexität von WEA, die Herausforderungen mit unbekannten und streuenden Eingangsparametern (typisch für das Bauingenieurwesen) und komplexes Regelverhalten (typisch für den Maschinenbau) vereinen, sind solche Ansätze bisher nicht zu finden. Rechenzeiten sind teilweise zu hoch und die Verwendung von Metamodellen ist aufgrund der Komplexität von WEA nur bedingt möglich. Daher werden in diesem Forschungsvorhaben zunächst geeignete Methoden der „imprecise probability“ auf ein WEA-Modell angewendet. Anschließend - hier liegt der Kern des Vorhabens – wird die Effizienz der unscharfen Analyse gesteigert, indem die Anzahl der erforderlichen Modellauswertungen reduziert wird. Dies erfolgt einerseits mit Hilfe weiterentwickelter Sensitivitätsanalysen, die unter Berücksichtigung polymorph unscharfer Parameter verwendet werden können. So kann die Anzahl der unscharfen Parameter reduziert werden. Andererseits werden Stichprobenverfahren entwickelt, die mit Methoden der „imprecise probability“ und Lastextrapolationsverfahren für WEA kombinierbar sind. Anschließend kann eine effizientere Strukturanalyse von WEA unter Berücksichtigung von polymorpher Unschärfe bei gleichzeitiger Einhaltung adäquater Rechenzeiten durchgeführt werden, sodass realitätsnähere Analysen möglich sind.
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes, Dr.-Ing. Cristian Gebhardt
    Team: Dr.-Ing. Clemens Hübler
    Jahr: 2019
    Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
    Laufzeit: 2019 – 2022
    © ISD
  • VIPile – Einfluss der Vibrationsparameter auf die Installation und das Tragverhalten von Monopiles
    Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes, Dr.-Ing. Clemens Hübler
    Team: Marlene Bruns, M.Sc.
    Jahr: 2020
    Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 03EE3022
    Laufzeit: 01.08.2020 – 31.07.2023
    © ISD