Lasttragende Strukturen im Maschinenbau stehen typischerweise vor der Herausforderung, äußeren Belastungen standzuhalten und diese über einen Lastpfad zu übertragen. In den meisten Fällen ist der Lastpfad durch die lasttragende Struktur konstruktionsbedingt vorgegeben. Wenn jedoch Teile der lasttragenden Struktur geschwächt oder geschädigt werden, z. B. aufgrund von Verschleiß oder Überlastung, wird ihre Tragfähigkeit unsicher. In dieser Arbeit wird die semi-aktive Lastumverteilung verwendet, um einen Teil der Last um geschädigte Teile der Struktur herumzuleiten und so ein Versagen oder eine Fehlfunktion der Struktur zu verhindern. Bisherige Studien zu semi-aktiven oder aktiven Maßnahmen zur Anpassung oder Beeinflussung des dynamischen Verhaltens einer Struktur untersuchten hauptsächlich die Regelung von Dämpfungseigenschaften oder die Schwingungskontrolle und adressierten nicht die Lastumverteilung. Die vorgeschlagene semi-aktive Lastumverteilung bietet eine technologische Möglichkeit, den Lastpfad während des Betriebs anzupassen indem bereits vorhandene Teile der lasttragenden Struktur mit Aktuatoren erweitert werden. Darüber hinaus ist für genaue numerische Vorhersagen des Lastumverteilungsvermögens ein geeignetes mathematisches Modell erforderlich. Dafür wird die Genauigkeit der Vorhersage des abgeleiteten mathematischen Modells bewertet und methodisch durch die Quantifizierung und Reduktion der Parameterunsicherheit erhöht.

Die Struktur zur numerischen und experimentellen Untersuchung der Lastumverteilung in dieser Arbeit basiert auf einer im SFB 805 entwickelten lasttragenden Struktur und besteht aus einer translatorisch beweglichen Masse, die über ein Feder-Dämpfer-System mit einem Balken verbunden ist, und zwei neuentwickelte, semi-aktive Gelenkmodule für die Lastumverteilung. Der Balken ist beidseitig näherungsweise gelenkig gelagert. Die Steifigkeitscharakteristik der Lager kann angepasst werden, um strukturelle Schäden zu simulieren. Die strukturelle Beschädigung verursacht wiederum eine Schrägstellung des Balkens, die als Fehlfunktion definiert wird. Für numerische Untersuchungen des Lastumverteilungsvermögens und des Reglerentwurfs wird ein mathematisches Modell der lasttragenden Struktur gebildet. Ein auf Bayes‘scher Statistik basierendes Kalibrierungsverfahren wird angewendet, um die Modellparameterunsicherheit zu verringern und gleichzeitig zu quantifizieren. Dadurch wird das Modell an die gegenwärtigen Bedingungen angepasst und die Modellvorhersagegenauigkeit erhöht. Auf Basis des kalibrierten Modells werden für die Lastumverteilung ein clipped-optimal LQR- und ein PID-Regler entworfen.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Variation der Modellvorhersage aufgrund von Parameterunsicherheit um bis zu 85 % reduziert. Im Vergleich der passiven und semi-aktiven lasttragenden Struktur lässt sich die definierte Fehlfunktion numerisch um bis zu 53 % und experimentell um bis zu 51 % reduzieren. Die Auswertung der Lastpfade über die Lagerkräfte zeigt, dass mittels der semi-aktiven Gelenkmodule eine Umverteilung der Last zwischen den beiden Lagern erreicht wird. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zur methodischen Quantifizierung und Reduktion der Parameterunsicherheit sowie zur technologischen Anwendung der Lastumverteilung bei.