Empirische Bestimmung von Körperschallübertragungsfunktionen mittels Finite-Elemente-Simulationen
Bachelorarbeit,Masterarbeit,Studienarbeit,Diplomarbeit
Im Rahmen des Projekts Damage Detection

Beschreibung

Schäden können in Natur und Technik durch natürlichen Verschleiß oder Überanspruchung physikalischer und chemischer Art entstehen. Bereits vorhandene Materialmängel begünstigen das Auftreten von Defekten. Diese können neben Aussehen und Funktionsfähigkeit auch die Gebrauchssicherheit von Strukturen wie Brücken beeinträchtigen. Um Sicherheit zu gewährleisten ist es notwendig, effektive Methoden der Schadenserkennung zu entwickeln und einzusetzen. Die klassischen Gebiete des Ingenieurwesens, wie Maschinenbau, Bauingenieurwesen und Flugzeugbau, entwickeln bereits seit geraumer Zeit zahlreiche Verfahren für die frühzeitige Erkennung von Schäden aller Art. Neben Methoden aus den Gebieten Optik werden auch akustische Methoden zur Schadenserkennung verwendet. Am TNT wird in diesem Bereich aus Perspektive der Systemtheorie geforscht. Ein Schallsignal, hervorgerufen z.B. durch einen entstehenden Materialriss, kann an der Oberfläche des Materials mit einem Sensor gemessen werden. Das Schallsignal wurde auf seinem Weg von der Schallquelle zum Sensor in seinem Frequenzgehalt durch das Material wesentlich beeinflusst. In der Systemtheorie würde man sagen, dass die Übertragungsfunktion des Materials, welche ortsabhängig ist, das Quellsignal transformiert hat. Exakte Kenntnis der ortsabhängigen Materialübertragungsfunktion würde die Einschätzung von gemessenen akustischen Signalen deutlich verbessern und könnte die akustische Schadenserkennung signifikant voranbringen. Da für praktisch auftretende Geometrien und Materialeigenschaften keine analytischen Lösungen für die Materialübertragungsfunktionen bestimmt werden können, ist eine Möglichkeit, Simulationen der Schallausbreitung durchzuführen und aus den simulierten Daten Übertragungsfunktionen empirisch zu bestimmen. Für die Simulation der Schallausbreitung bieten sich die sogenannte Finite-Elemente-Methode [1] an, welche in vielen Bereichen zur numerischen Lösung von partiellen Differentialgleichungen verwendet wird.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Finite-Elemente Simulationen mit dem Programm ABAQUS [2] durchgeführt werden. Zusammen mit der Programmiersprache Python sollen Betonbalken mit unterschiedlichen Materialeigenschaften simuliert und empirisch die ortsabhängige Übertragungsfunktion bestimmt werden. Je nach Fortschritt, kann dann aus den Simulationsergebnissen versucht werden, mittels genetischer Programmierung [3] einen analytischen Ausruck für die empirische Übertragungsfunktion zu finden. An dem Thema arbeiten idealerweise mehrere Studenten gleichzeitig, die Simulation mit FEM auch ohne Verwendung der genetischen Programmierung bearbeitet werden. Bei Fragen oder Interesse schreibt mir gerne!

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Finite-Elemente-Methode [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Abaqus [3] https://de.wikipedia.org/wiki/Evolution%C3%A4rer_Algorithmus#Genetische_Programmierung_(GP)

Voraussetzungen

- Eigenständiges Arbeiten
- Motivation
- Grundkenntnisse Signalverarbeitung bzw. Systemtheorie (Vorlesungen Signale und Systeme oder Digitale Signalverarbeitung)
- Erfahrung in Pythonprogrammierung
- Grundkenntnisse im Bereiche Finite-Elemente-Methode/ABAQUS

Ansprechpartner: Reemt Hinrichs