Entwicklung angepasster Simulationsmodelle für Methoden der Zustandsüberwachung basierend auf geführten Wellen

Verfahren der Zustandsüberwachung durchdringen fortlaufend immer weitere Anwendungsfelder wie die Luftfahrt, den Automobilbau, die chemische Industrie, erneuerbare Energien oder das Bauwesen. Für viele Einsatzszenarien eignen sich insbesondere Methoden, die auf der Nutzung geführter Wellen, als Spezialform des Ultraschalls, basieren. Gekrümmte Bauteile und Strukturen oder heterogene und anisotrope Materialien, sowie das dispersive Verhalten geführter Wellen im Allgemeinen, erschweren die Auslegung und Konzeptionierung der Überwachungssysteme. In der Regel lässt sich der enorme Aufwand bei der Entwicklung und Anpassung nicht vollständig durch Laborversuche abdecken. Der Einsatz Modell-gestützter Methoden ist eine anerkannte Alternative zu Laborversuchen, bedarf allerdings geeigneter und angepasster Simulationsmodelle und -programme. Klassische Modellierungs- und Diskretisierungsverfahren, wie Finite Differenzen, Finite Volumen oder Finite Elemente Methoden, wurden und werden kontinuierlich an die Anforderungen der o.g. Anwendungsfelder angepasst. Insbesondere FEM-Modellierungen können eine hohe Güte bei der Approximation der Wellenfelder liefern, weisen jedoch auch einen enorm hohen Rechen- und Zeitaufwand auf. Angepasste Finite Differenzen Methoden, wie das FDTD-Verfahren, oder Finite Volumen Methoden, wie EFIT, können diesem Nachteil begegnen und werden seit vielen Jahren erfolgreich für die Zerstörungsfreie Prüfung und die Zustandsüberwachung eingesetzt. Auch diese Verfahren weisen jedoch Approximierungsfehler, insbesondere bei der Modellierung gekrümmter Strukturen, auf, die u.a. in der Literatur als ""Staircase-Approximation"" bekannt sind. Weiterhin zeigen diese Methoden Nachteile bei der Modellierung mehrschichtiger Laminate, wie sie bei Faserverbundwerkstoffen auftreten, da dünnlagige Materialaufbauten eine sehr feine Diskretisierung erzwingen. Diesen Aspekten widmet sich der vorliegende Beitrag und zeigt Ansätze, Simulationsmodelle gezielt an Anforderungen von Methoden der Zustandsüberwachung basierend auf geführten Wellen anzupassen.