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Leichter, kostengünstiger und umweltfreundlicher Fliegen mit "Structural Health Monitoring"

10.06.2009 - (idw) Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF präsentiert bei der 48. "Paris Air Show " vom 15. bis 21. Juni auf dem Flughafen "Le Bourget" ein spektakuläres vier Meter hohes Exponat - das mit neuesten SHM-Systemen ausgestattete Flügel-Mock-Up eines Leichtflugzeugs. Die Strukturüberwachung ist eine Weiterentwicklung innerhalb der Clean Sky Joint Technology Initiative, die Fliegen umweltfreundlicher machen will. Faserverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihres Leichtbaupotentials besondere Vorteile im Luftfahrtbereich. Diese Leichtbauvorteile lassen sich aufgrund des komplexeren Schädigungsverhaltens im Vergleich zu metallischen Werkstoffen nicht immer voll ausschöpfen. In der Luftfahrt stellt etwa der Impact durch Fremdkörper bei Faserverbundstrukturen ein besonderes Gefahrenpotential dar, begrenzt die Einsatzbereiche und führt häufig zu großen Sicherheitsrisiken. Sensoren, die zum Beispiel im Flügel äußerlich nicht sichtbare Strukturschäden frühzeitig erkennen, können den Inspektionsaufwand reduzieren. Die Betriebssicherheit der Struktur wird durch die Auslegung und Inspektionen in regelmäßigen manuellen Intervallen gewährleistet. Durch ergänzende automatisierbare Überwachung mit strukturintegrierten Sensoren lassen sich künftig Kosten und Gewicht einsparen.

Clean Sky JTI: Umweltfreundliche Technologie für die Luftfahrtindustrie
Die "Clean Sky Joint Technology Initiative" will die Belastungen der Umwelt durch Lufttransporte deutlich verringern und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtindustrie stärken. Mit einem Budget von 1,6 Milliarden Euro ist es das größte europäische Forschungsprogramm zu diesem Thema. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist neben namhaften Industrieunternehmen einer der Partner der Initiative, wobei sämtliche Aktivitäten der Fraunhofer-Institute vom Fraunhofer LBF in Darmstadt koordiniert werden.

SHM - Das Nervensystem des Bauteils
Die Grundidee: Structural Health Monitoring (SHM) ist wie das Nervensystem eines Bauteils. Sensoren und eine Auswerteelektronik registrieren äußere Einwirkungen und spüren Schäden auf. Vor allem Fremdkörper, wie Hagel- oder Vogelschlag stellen eine große Gefahr für Flugzeuge dar. Aber auch Steinschlag durch Splitt auf der Rollbahn oder Schäden durch fallendes Werkzeug bei Wartungsarbeiten kommen vor. Bei Faserverbundstrukturen und Sandwichbauweise sind solche Schäden nur selten von außen sichtbar. Die Betriebsicherheit wird deshalb bisher durch umfangreiche Inspektionen und entsprechende Auslegung der Bauteile gewährleistet.

Dank neuer SHM-Systeme lassen sich Kosten, Gewicht und Wartung reduzieren, Leichtbaustrukturen können so ihre Vorzüge noch stärker ausspielen. Selbstdiagnose verkürzt Stillstandzeiten und Gewichtsreduktion senkt den Treibstoff-verbrauch. Die kontinuierliche Überwachung der Flugzeughülle, auch in schwer zugänglichen Bereichen, verringert den Inspektionsaufwand. Als Messwertaufnehmer dienen u. a. elektrische und optische Dehnungsmessstreifen sowie Piezofasermodule und Beschleunigungsaufnehmer.

So sind etwa die Ober- und Unterschale des Exponats mit faseroptischen Sensoren versehen, um anhand der Wellenlängenverschiebungen reflektierter Wellen Aussagen über die Dehnung der Struktur zu erhalten. Neben Dehnungen können auch Impactereignisse festgestellt werden. Piezofasern wandeln mechanische Dehnungen in elektrische Spannungen um. Damit lassen sich hochfrequente Körperschallwellen, die durch den Aufprall eines Fremdkörpers verursacht werden, messen. Rückschlüsse auf Ort und Umfang einer Beschädigung sind möglich.

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