RapidEF_Enablers - Verkürzung der Flugzeugentwicklung durch digital unterstützte Versuchsmethoden mittels virtueller Sensoren und SHM Systeme

Abstract

Ermüdungsversuche an großen Strukturen sind wesentlicher Bestandteil der experimentellen Nachweisführung für Luftfahrtbauteile, sind jedoch mit erheblichem Aufwand für die Instrumentierung, Versuchsdurchführung, sowie die Überwachung und Auswertung des Versuchs verbunden. Der bisherige Stand der Wissenschaft und Technik umfasst bereits versuchsbegleitende numerische Strukturmodelle, optische Messtechnik, Structural Health Monitoring Verfahren und simulationsgestützte Versuchsauswertungen. Diese Methoden werden bislang jedoch häufig getrennt eingesetzt und bilden reale Prüfkörper, Prüfstandsrandbedingungen und lokale Struktur- und Last-Zustände nur eingeschränkt ab. Ziel des DLR-Teilprojekts im Verbundprojekt Rapid EF Enablers war es daher, digitale Methoden zur effizienteren Durchführung und Auswertung von Struktur Ermüdungsversuchen and Flugzeugbauteilen zu entwickeln. Im Fokus standen dabei die Kalibrierung eines digitalen Zwillings, virtuelle Sensormodelle zur erweiterten Dehnungserfassung und schallbasierte Verfahren zur Zustandsüberwachung. Mit diesen Methoden soll durch geringeren Instrumentierungsaufwand die Rüstzeit reduziert und durch verbesserte Bewertung des Strukturzustandes die Stillstandszeiten zu verringert werden. Methodisch wurden nominelle Finite-Elemente-Modelle durch experimentelle Messdaten kalibriert und so jeweils zu einem prüfkörperspezifischen digitalen Zwilling. Darauf aufbauend wurden virtuelle Sensoren zur Berechnung zusätzlicher Dehnungen an schwer zugänglichen Stellen der Struktur untersucht. Darüber hinaus wurden Verfahren zur Strukturüberwachung und Schadensdetektion auf Basis geführter Ultraschallwellen für die Schadenserkennung und Zustandsbewertung betrachtet. Die geführte Wellen-basierte Strukturüberwachung wurde als kosten- und zeiteffiziente Alternative zu konventionellen zerstörungsfreien Prüfverfahren für full-scale Flugzeugstrukturen identifiziert. Dies wurde durch multimodale Überwachungsansätze für Strukturtests und durch maschinelle Lernverfahren erreicht. Als Ergebnis konnte die Methode zur Kalibrierung eines digitalen Zwillings, zur simulationsgestützten virtuellen Messwerterfassung und zur schallbasierten Strukturüberwachung entwickelt und an repräsentativen Strukturversuchen bewertet werden. Dies waren Versuche an einem versteiften Paneel und an einer full-scale Rumpfstruktur. Die Arbeiten zeigten, dass kalibrierte Modelle die Versuchsauswertung deutlich verbessern und eine gezieltere Kombination physischer und virtueller Sensorik ermöglichen. Für die Zustandsüberwachung zeigte sich das Verständnis von Lasteinflüssen für Anwendungen entscheidend, die eine Überwachung unter variierenden Betriebsbedingungen erfordern. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für zukünftige digital unterstützte Strukturversuche in der Luftfahrt. Sie können zur effizienteren Instrumentierung, verbesserten Versuchsauswertung und Weiterentwicklung von Zustandsüberwachungs- und Bewertungsmethoden genutzt werden.