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Beherrschung von Unsicherheit am Beispiel eines aktiv gegen Knicken stabilisierten Systems

Enss, Georg Christoph (2016):
Beherrschung von Unsicherheit am Beispiel eines aktiv gegen Knicken stabilisierten Systems.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5176],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Unsicherheit tritt im Betrieb lasttragender Leichtbaustrukturen auf und kann zu unvorhergesehenem Versagen von Bauteilen führen, z. B. infolge plötzlicher Überlasten. In Leichtbaustrukturen werden häufig Lasten durch schlanke Balken unter axialer Last übertragen. Wirkt auf einen Balken eine überkritische axiale Druckbelastung, so kann ein plötzliches Stabilitätsversagen, das Knicken, auftreten. Im industriellen Einsatz werden Bauteile meist so überdimensioniert, dass Knicken nicht auftritt. In der Forschung gibt es Ansätze, Strukturen durch Zuführen von Energie mit Einsatz von Wandlerwerkstoffen und Regelalgorithmen aktiv zu stabilisieren und dadurch die Gefahr eines Versagens durch Knicken zu minimieren. Unsicherheit wird in diesen Arbeiten nicht systematisch untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist einerseits die Entwicklung einer Technologie zur aktiven Stabilisierung eines Balkens gegen Knicken, um auf Unsicherheit in der Belastung, z. B. unerwartete Überlasten, reagieren zu können und andererseits Unsicherheit zu beschreiben und zu bewerten, die infolge der aktiven Stabilisierung in das System eingebracht wird. Der in der vorliegenden Arbeit verfolgte Ansatz der aktiven Stabilisierung gegen Knicken eines fest-gelenkig gelagerten Balkens basiert auf einer gezielten lateralen Einleitung aktiver Kräfte in der Nähe der Balkenlagerung, um ein Ausknicken zu verhindern, aber ohne die strukturdynamischen Eigenschaften des Balkens durch Anbringen von Aktuatoren zu beeinflussen. Durch die aktive Stabilisierung kann ein Ausknicken verhindert und die ertragbare Last in der experimentellen Simulation bis 40% oberhalb der kritischen Knicklast des passiven Balkens erhöht werden. Zusätzlich wird der Einfluss lateraler Störkräfte auf das aktive System untersucht. Begleitend zur technologischen Entwicklung wird Unsicherheit im Betrieb des passiven und aktiven Balkensystems in Stichprobenversuchen untersucht und quantitativ beschrieben. Zur Bewertung von Unsicherheit wird die jeweils ertragbare Axiallast verwendet, anhand derer ein Vergleich zwischen der aktiven und passiven Lösung ermöglicht wird. Die Beherrschung von Unsicherheit erfolgt schließlich durch die Anwendung der aktiven Stabilisierungstechnologie. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Stabilisierung eines schlanken Balkens unter axialer Last gegen Knicken vorgestellt. Neu ist ferner der methodische Ansatz, Unsicherheit passiver und aktiver Systeme anhand eines Kennwerts basierend auf Ausfallwahrscheinlichkeiten zu bewerten.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2016
Creators: Enss, Georg Christoph
Title: Beherrschung von Unsicherheit am Beispiel eines aktiv gegen Knicken stabilisierten Systems
Language: German
Abstract:

Unsicherheit tritt im Betrieb lasttragender Leichtbaustrukturen auf und kann zu unvorhergesehenem Versagen von Bauteilen führen, z. B. infolge plötzlicher Überlasten. In Leichtbaustrukturen werden häufig Lasten durch schlanke Balken unter axialer Last übertragen. Wirkt auf einen Balken eine überkritische axiale Druckbelastung, so kann ein plötzliches Stabilitätsversagen, das Knicken, auftreten. Im industriellen Einsatz werden Bauteile meist so überdimensioniert, dass Knicken nicht auftritt. In der Forschung gibt es Ansätze, Strukturen durch Zuführen von Energie mit Einsatz von Wandlerwerkstoffen und Regelalgorithmen aktiv zu stabilisieren und dadurch die Gefahr eines Versagens durch Knicken zu minimieren. Unsicherheit wird in diesen Arbeiten nicht systematisch untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist einerseits die Entwicklung einer Technologie zur aktiven Stabilisierung eines Balkens gegen Knicken, um auf Unsicherheit in der Belastung, z. B. unerwartete Überlasten, reagieren zu können und andererseits Unsicherheit zu beschreiben und zu bewerten, die infolge der aktiven Stabilisierung in das System eingebracht wird. Der in der vorliegenden Arbeit verfolgte Ansatz der aktiven Stabilisierung gegen Knicken eines fest-gelenkig gelagerten Balkens basiert auf einer gezielten lateralen Einleitung aktiver Kräfte in der Nähe der Balkenlagerung, um ein Ausknicken zu verhindern, aber ohne die strukturdynamischen Eigenschaften des Balkens durch Anbringen von Aktuatoren zu beeinflussen. Durch die aktive Stabilisierung kann ein Ausknicken verhindert und die ertragbare Last in der experimentellen Simulation bis 40% oberhalb der kritischen Knicklast des passiven Balkens erhöht werden. Zusätzlich wird der Einfluss lateraler Störkräfte auf das aktive System untersucht. Begleitend zur technologischen Entwicklung wird Unsicherheit im Betrieb des passiven und aktiven Balkensystems in Stichprobenversuchen untersucht und quantitativ beschrieben. Zur Bewertung von Unsicherheit wird die jeweils ertragbare Axiallast verwendet, anhand derer ein Vergleich zwischen der aktiven und passiven Lösung ermöglicht wird. Die Beherrschung von Unsicherheit erfolgt schließlich durch die Anwendung der aktiven Stabilisierungstechnologie. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Stabilisierung eines schlanken Balkens unter axialer Last gegen Knicken vorgestellt. Neu ist ferner der methodische Ansatz, Unsicherheit passiver und aktiver Systeme anhand eines Kennwerts basierend auf Ausfallwahrscheinlichkeiten zu bewerten.

Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Knicken, aktive Stabilisierung, Beherrschung von Unsicherheit
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 805: Control of Uncertainty in Load-Carrying Structures in Mechanical Engineering
Zentrale Einrichtungen
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio)
Date Deposited: 31 Jan 2016 20:57
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5176
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51765
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias and Becker, Prof. Dr. Wilfried
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 4 November 2015
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Uncertainty occurs during operation of load-carrying light-weight structures and may lead to unforeseen failure of structural members, e. g. due to sudden excess loads. In light-weight structures, loads are often transmitted through slender beam-columns. A sudden failure due to buckling is possible if a beam-column is loaded axially above its buckling load. Nowadays, structural members are mostly oversized to ensure that buckling does not occur. However, in research there are approaches to stabilise beam-columns actively by supplying additional energy to drive actuators and control algorithms. Thereby, the risk of failure may be reduced. Uncertainty is not investigated systematically in research regarding buckling control. It is the aim of this thesis to develop, on the one hand, active buckling control for a beam-column to respond to uncertainty in loading, e. g. sudden overloads. On the other hand, uncertainty which is introduced to the beam-column system by active buckling control is described and evaluated. The approach used in this thesis focuses on a beam-column that is clamped on one end and pinned on the other end. Actively controlled lateral forces are applied close to the clamped end in order to stabilise the beam-column. A failure due to buckling may thus be prevented without changing the structural dynamic behaviour by adding actuators along the beam-column’s surface. The load-bearing capacity may be augmented by up to 40% above the critical buckling load of the passive beam-column. Furthermore, the influence of lateral disturbance forces on the active system is investigated. Accompanying the technical development, uncertainty in the operation of the passive and the active beam-column system is examined and quantified by means of sample trials. To evaluate uncertainty, the axial load-bearing capacity of the passive and active system are compared. Finally, control of uncertainty is achieved by applying the active buckling control. In this thesis, a novel approach is presented to actively stabilise a slender beam-column against buckling. Furthermore, the approach to evaluate uncertainty in passive and active systems by means of a single value based on failure probabilities is new in buckling control.English
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