Semi-active and active control of vibrations via shape morphing: Final Report

Abstract

Tragende Strukturen werden meist so ausgelegt, dass sie Festigkeits- und Verfor- mungsanforderungen unter extremen, selten auftretenden Lasten erfüllen. Die Tragfähigkeit bleibt daher über weite Teile der Lebensdauer unausgenutzt. Adaptive Strukturen integrieren Sensoren und Aktoren zur Anpassung von Geometrie und inneren Kräften, wodurch optimale Reaktionen über ein breites Spektrum an Betriebsbedingungen erzielt werden, und zwar nicht nur für einen Extremzustand mit langer Wiederkehrperiode. Die Schwingungssteuerung hat im Ingenieurbau eine gewisse Akzeptanz erlangt, begünstigt durch den Trend zu leichten, ultraschlanken Konstruktionen mit geringerer Dämpfung und niedrigeren Eigenfrequenzen. Die breite Einführung aktiver Steuerungssysteme wurde je- doch durch hohe Energieanforderungen sowie Zuverlässigkeitsprobleme bei impulsartigen Störungen gehemmt. Dieses Projekt untersucht das Potenzial adaptiver Strukturen, d. h. mit Sensoren und Akto- ren ausgestatteter Systeme, um über konventionelles passives Verhalten hinauszugehen. Die duale Aktorik-Sensorik-Fähigkeit lässt sich nicht nur zur Schwingungssteuerung, sondern auch zur Strukturzustandsüberwachung nutzen. Die eigenfrequenzbasierte Schadenslokali- sierung ist ein etablierter Ansatz, leidet jedoch unter einer grundlegenden Einschränkung: Eigenfrequenzen sind globale Eigenschaften mit begrenzter räumlicher Auflösung, was bei symmetrischen Konfigurationen zu mehrdeutigen Ergebnissen führt. Das Projekt begegnet dieser Einschränkung mit einer neuen Schadenslokalisierungsstrate- gie für Balken mit adaptiven Systemen. Durch systematische Störung der Systemdynamik, mittels Steifigkeitsmodulation oder kontrollierter geometrischer Verformung, werden zusätzli- che räumliche Informationen in die Modalantwort eingeführt. Zwei Fallstudien werden unter- sucht: ein Balken mit variablen Federn sowie ein Balken mit adaptivem Untergurt- Schrägseillager-System mit längenveränderlichen Aktoren. In beiden Fällen durchbrechen die aktorinduzierten Störungen die modale Symmetrie der gelenkig gelagerten Konfiguration, was eine eindeutige Schadenslokalisierung aus Eigenfrequenzmessungen allein ermöglicht und die Abhängigkeit von schwer erfassbaren höheren Schwingungsformen reduziert. Eine neue Schadensindikatorfunktion auf Basis Laplace'scher Ähnlichkeitskerne wird formuliert und anhand semi-analytischer und numerischer Fallstudien validiert. Load-bearing structures are usually engineered to meet strength and deformation re- quirements under extreme and thus infrequently occurring loads. This means that load- carrying capacity is generally underutilized for a significant majority of the lifespan. Adaptive structures incorporate sensors and actuators that enable the modification of geometry and internal forces. This integration allows adaptive structures to achieve optimal responses in terms of strength and deformation criteria across a wide range of service conditions, rather than just one extreme condition with a long return period. Vibration control has gained some level of acceptance in the context of load-bearing civil structures, driven by the general trend towards lightweight and ultra-slender constructions with less inherent damping and lower eigenfrequencies. However, the widespread adoption of active control systems that rely on the application of response-dependent direct control forces has remained inhibited by high operational energy requirements, as well as reliability issues in countering high-amplitude, high-velocity pulse-like disturbances common in civil engineering applications. This project investigates the potential of adaptive structures, i.e., systems equipped with both sensors and actuators, to go beyond conventional passive behaviour. The dual actuation- sensing capability of adaptive structures can be exploited not only for vibration control but also for structural health monitoring. Eigenfrequency-based damage localization is a well- established monitoring approach owing to the relative ease of frequency measurement, yet existing methods suffer from an inherent limitation: eigenfrequencies are global properties that provide limited spatial information, leading to ambiguous localization results in symmetric structural configurations. The project addresses this limitation by proposing a new damage localization strategy for beams augmented by adaptive systems. By systematically perturbing the dynamics of the adaptive system, through either stiffness modulation or controlled geometric deformation, additional spatial information is introduced into the measured modal response. Two case studies are investigated: a beam with variable springs and a beam equipped with an adaptive underdeck cable-stay system with variable-length actuated struts. In both cases, the actua- tion-induced perturbations break the modal symmetry of the simply-supported configuration, enabling unambiguous localization of damage from eigenfrequency measurements alone, while reducing the dependence on higher-mode measurements that are difficult to obtain reliably in practice. A new damage indicator function based on Laplacian similarity kernels is formulated and validated through semi-analytical and numerical case studies.