Fehlersuche mit Wind und Wasser

Mediendienst / 1.4.2010

Brücken, Flugzeuge und Windräder sind ständig in Bewegung. Naturgewalten, Fahrzeuge und Fußgänger lösen die Vibrationen aus. Bislang wird das Schwingungsverhalten der Bauteile mit aufwändigen Prüfverfahren getestet. Ingenieure zeigen jetzt, dass es auch einfacher geht.

Bild: Bauteile im Test
© Foto Fraunhofer LBF

Hält die Stange des Windrads Wind und Wetter stand? Forscher am LBF nutzen Umwelteinflüsse, um Rückschlüsse auf den Zustand eines Bauteils zu ziehen.

Hoch über dem Fluss spannt sich eine schmale Eisenbrücke. Ein Fußgänger spürt deutlich, wie der Stahl schwingt, wenn eine weitere Person die Brücke betritt. Damit jeder sich beim Überqueren sicher fühlen kann, wird mit aufwändigen Verfahren geprüft, in welchem Zustand die Struktur ist und ob Einsturzgefahr besteht. »Oft werden etwa Brücken mit riesigen Fallhämmern angeregt, um das Schwingungsverhalten zu testen«, sagt Dr. Dirk Mayer vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Derzeit arbeiten Mayer und sein Team daran, natürliche Faktoren wie Wind oder Wasser für eine automatisierte Schwingungsanalyse zu nutzen. Langwierige und teure Hammertests könnten mit dieser »Output Only Modal Analyse« schon bald überflüssig werden.

»Nicht nur bei Brücken, sondern auch bei Schiffen, Windenergieanlagen oder Flugzeugen ist es wichtig, das Schwingungsverhalten kontinuierlich zu überwachen«, erläutert der Experte. »Bei Flugzeugen verwendet man allerdings unter den Tragflächen angebrachte elektro-dynamische Shaker, um Defekte zu entdecken.« Im Gegensatz zu bisherigen Testverfahren arbeiten die Wissenschaftler nicht mit dem Hammer oder Shaker – sondern ausschließlich mit den Einflüssen der Umwelt. Um die Schwingungserregung durch den vorhandenen Wind zu nutzen, haben die Experten zwei Beschleunigungssensoren an einem Windradmodell angebracht. Zwei Rechner verarbeiten die gemessenen Werte. »Zwei Computer deshalb, weil schon bei 100 Abtastwerten pro Sekunde innerhalb kurzer Zeit riesige Datenmengen auflaufen«, sagt Mayer. »Deshalb übernimmt ein PC die Vorverarbeitung der Signale und komprimiert so die Daten. Der zweite erledigt die weitere Auswertung und bestimmt die Resonanzfrequenzen. Wird die Frequenz im Lauf der Zeit niedriger, bedeutet dies, dass die Steifigkeit nachlässt. Der Prüfer weiß, was die Steifigkeits- oder Dämpfungswerte für sein Bauteil oder seine Maschine bedeuten. Bei unserem Test erkennen wir, ob die Stange des Windradmodells defekt ist. Bei Brücken kann man auf den Bauteilzustand schließen, wenn man mit dieser Methode einige Wochen die Anregungen, die die Fußgänger auslösen, auswertet.«

Die Forscher wollen ihr Verfahren künftig als Dienstleistung anbieten. Außerdem überlegen sie, inwieweit sich unerwünschte Schwingungen aktiv dämpfen lassen. Auf der Hannover-Messe vom 19. bis zum 23. April zeigen die Experten die neue Analyse an einem Modellflugzeug (Adaptronik in Halle 2, Stand D26.). Denn künftig sollen auch Linienmaschinen mit dieser Methode während des Betriebs untersucht werden.