06.05.2020

Schwingungen komplexer Systeme

Mit Methoden der künstlichen Intelligenz lässt sich das Vibrationsverhalten optimieren.

Die schwingungs­technische Optimierung von komplexen Strukturen ist nicht immer mit konventionellen Methoden beherrschbar. Der Lösungsraum wird sehr groß und verschiedene schwingungs­technische Maßnahmen interagieren miteinander, was zu unerwarteten Effekten führen kann. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und System­zuver­lässigkeit LBF entwickelt daher neue Methoden zur schwingungs­technischen Optimierung komplexer Systeme. Sie basieren auf evo­lutionären Algorithmen und erlauben eine schnelle und automatisierte Lösungs­findung. Zugrunde liegt eine erwei­terbare Bibliothek mit verschiedenen passiven, semiaktiven und aktiven Maßnahmen, die auch in Kombination zum Einsatz kommen können.

Abb.: Schwingungs­mindernde Maßnahmen zur Opti­mierung von tech­nischen...
Abb.: Schwingungs­mindernde Maßnahmen zur Opti­mierung von tech­nischen Systemen können zusammen mit künst­licher Intelli­genz gelingen. (Bild: Raapke, Fh.-LBF)

Um störende oder prozess­kritische Vibrationen zu vermeiden werden häufig schwingungs­technische Zusatz­maßnahmen wie zum Beispiel Tilger oder Dämpfer eingesetzt. Gerade bei verteilten Systemen stoßen konventionelle Optimierungs­methoden jedoch aufgrund der Wechsel­wirkungen der verschiedenen Effekte untereinander an Grenzen. Durch langjährige Erfahrung sind die Wissen­schaftler des Fraunhofer LBF in der Lage, schwingungs­technische Probleme von der experi­mentellen oder numerischen Analyse bis hin zur Umsetzung geeigneter Maßnahmen zu lösen. Der Einsatz künstlicher Intelligenz bietet nun die Möglichkeit, noch schneller zu den besten Lösungen zu gelangen. Unternehmen, die schwingungs­technische Probleme mit Vibrationen, Lärm oder Rütteln an Maschinen haben, erhalten beim Fraunhofer LBF eine Komplett­lösung von der Analyse des Problems bis hin zu dessen Lösung.

Wie dies gelingt, zeigt das folgende Anwendungs­beispiel: Bei Maschinen zur Bearbeitung von Großbau­teilen hat die Werkstück­masse einen maßgeblichen Einfluss auf das dynamische Eigen­verhalten der Maschine. Zur Vermeidung störender und die Bauteil­qualität beeinflussender Vibrationen werden häufig schwingungs­technische Zusatz­maßnahmen wie Tilger, Neutra­lisatoren oder Dämpfungs­komponenten umgesetzt. Diese Maßnahmen müssen in der Regel genau auf die zu beruhigende Struktur beziehungs­weise die Anregung abgestimmt werden. Ändert sich diese, beispiels­weise durch Werkstücke unter­schiedlicher Masse, so muss eine Anpassung der Abstimmung erfolgen. Künstliche Intelligenz zusammen mit adaptiven schwingungs­technischen Maßnahmen kann dieser Heraus­forderung wirksam begegnen.

Ist eine Maschine mit einer Anzahl schwingungs­technischer Maßnahmen, beispiels­weise adaptiven Tilgern oder Maschinen­lagern, ausgestattet, lassen sich mit einem reduzierten Modell der Maschine und der Kenntnis über das zu bearbeitende Werkstück die vorge­rüsteten Maßnahmen mit dem entwickelten KI-Algo­rithmus optimal einstellen. Hierdurch kann bereits ab dem ersten Werkstück eine maximale Bauteilqualität erreicht werden. Zur Realisierung einer auto­matisierten Einstellung schwingungs­technischer Maßnahmen haben die Forscher unter­schiedliche adaptive Tilger und Maschinenlager bereits eindimensional und zwei­dimensional umgesetzt. Die drei­dimensionale Umsetzung ist in Arbeit.

Fh.-LBF / JOL

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