Statistischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis für nicht-normalverteilte Schwingungslasten

ln vielen technischen Anwendungen unterliegen Strukturen Bauteilermüdung, welches im schlimmsten Fall zum unvorhergesehen Versagen dieser Strukturen führt. Bauteilermüdung beschreibt hierbei die Mechanismen, welche durch zyklische Materialbeanspruchung (Spannungen) zur kontinuierlichen Verminderung von Materialquerschnitten - und damit der Betriebsfestigkeit - führt. Damit verbunden entstehen riesige volkwirtschaftliche Schäden, ähnlich zu der in der Allgemeinheit bekannteren Korrosion.
Werden mechanische Strukturen in der unmittelbaren Nähe einer Eigenfrequenz angeregt, verstärken sich ihre Strukturantworten (Spannungen), selbst wenn die anregende Kraft relativ klein ist. ln der Regel wird in realen Strukturen mehr als eine Eigenfrequenz angeregt und diese Anregung erfolgt üblicherweise in mehreren Richtungen. Dies führt zu komplexen Spannungszuständen innerhalb der Struktur. Die Komplexität der Beanspruchungen erstreckt sich über Zeit, Frequenz und Raum, und wird mittels einer Betriebsfestigkeitsanalyse bewertet. Eine Betriebsfestigkeitsanalyse infolge stochastischer Schwingungen verbindet die Strukturdynamik mit der Materialermüdung. Die Strukturdynamik liefert den theoretischen Hintergrund für das dynamische Verhalten von schwingenden Strukturen mit ihren Resonanzbereichen. Sie setzt Strukturanregungen (z. B. äußere Kräfte oder Bewegungsvorgänge) dieser Systeme mit der Antwort (z. B. Spannungen) in Beziehung. Dieser Zusammenhang zwischen Anregung und Antwort wird im Allgemeinen im Frequenzbereich definiert. Die Herausforderung einer Betriebsfestigkeitsanalyse infolge stochastischer Schwingungen liegt vor allem in dem damit verbundenen Rechenaufwand. Dieser stellt für viele praktische Problemstellungen eine derartige Hürde dar, dass eine Betriebsfestigkeitsanalyse mit ungerechtfertigten Vereinfachungen durchgeführt wird. Die Projektpartner arbeiten individuell seit etlichen Jahren daran, diese Problemstellung mittels statistischer Verfahren zu lösen. Hierbei konnten bereits viele Fortschritte erlangt werden. Eines der Hauptziele dieses Projekts ist es, die Kompetenzen miteinander zu bündeln, um anwendungsorientierte Lösungen zu entwickeln.

Konkret soll das hier beantragte Projekt die Kooperation in den folgenden Punkten anschieben und ermöglichen:
a) Reichweite der Forschung:
Ziel des Projektantragstellers ist es, seine Forschungsergebnisse vor allem auch durch Open-Source-Code zu verbreiten, um damit den Einarbeitungsaufwand anderer Wissenschaftler:innen und lngenieur:innen erheblich zu reduzieren. Damit verbundenen ist vorrangig auch der Wunsch, dass weitere Forschergruppen auf die entwickelten ldeenansätze ansprechen und eine kooperative Weiterentwicklung dadurch ermöglicht wird. Aber auch, dass studentische Arbeiten einen größeren Einfluss auf die eigene Forschung erhalten, indem diese ihre Arbeiten als Erweiterungen mittels klarer Schnittstellen hinzufügen können. Aktuell steht ein eigenes Python-Paket bereits kurz vor der Veröffentlichung (letzte Dokumentation und Tests sind noch durchzuführen). Dieses greift zwei Pakete von Janko's Forschergruppe auf. Die Vorteile einer Kooperation liegen damit auf der Hand:

• Austausch und aus der bereits gesammelten Erfahrung lernen
• gemeinsame Anwendungsbeispiele definieren
• die Pakete eng miteinander zu verzahnen
• sinnvolle Schniftstellen und Erweiterungen planen

b) Definition eines Referenz-/Standardbeispiels im Fachgebiet:
ln vielen Fachbereichen haben sich Standardbeispiele etabliert, welche z.B. dazu dienen, neue Methoden zu validieren. lm Bereich der Antragsteller gibt es auch derartige Tendenzen, wobei Janko's Gruppe bereits einen Y-förmigen Probekörper vorgeschlagen hat. Ziel wäre es, diesen soweit zugänglich zu machen, dass dieser sich als Referenzstruktur durchsetzen kann und entsprechend Reichweite erfährt. Der Ertrag eines derartigen Modells würde und sollte sich in bereits konzipierten Veröffentlichungen und auch in der Reichweite erfolgsversprechend niederschlagen.
c) Fachliche Überschneidungen:
lm Rahmen des Projekts sollen im offenen Austausch ldeen und Pläne für zukünftige Forschungsrichtungen ausgetauscht und Kooperationsmöglichkeiten ausgelotet werden. Dies betrifft insbesondere die beidseitigen Doktoranden, die den Themenbereich bearbeiten.
d) Publikation:
Ein optionales Ziel aus diesem Antrag soll es sein, ein praktisches Anwendungsbeispiel gemeinsam zu bearbeiten, in welchem der Nutzen der zuvor angesprochenen Open-Source-Anwendungen und der zugrundeliegenden Forschungsergebnisse praxisnah vermittelt wird. Damit soll vor allem auch die Praxisnähe der Forschung validiert und beworben werden. Aus ähnlich gearteten Veröffentlichungen haben sich in der Vergangenheit bereits Kooperationsmöglichkeiten mit der lndustrie in Deutschland ergeben.
e) Forschungsanträge:
Letztlich ist das Ziel, an der gemeinsamen Mittelakquise zu arbeiten. Es soll ein Austausch über geeignete EU-Programme stattfinden. Die EU stellt große Forschungstöpfe bereit, die sich meist nur mit großem bürokratischen Aufirvand bewältigen lassen. Hier erhofft sich der Antragsteller auch von den Erfahrungen des Projektpartners zu profitieren. lm Fokus steht auch die Evaluation des EU Marie-Sklodowska-Curie-Programms für den Post-Doktoranden Austausch.