Modellierung wirbelerregter aeroelastischer Schwingungen für Ermüdungsnachweise bei schlanken Baustrukturen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Francesca Lupi
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426322127

Bei der Wirbelerregung schlanker Strukturen entsteht im Lock-in Bereich eine aeroelastische Interaktion. Sie wird in der Forschung als negative aeroelastische Dämpfung aufgefasst. In der vorhandenen wissenschaftlichen Modellen gibt es noch kein einheitliches Verständnis über die Abhängigkeit der aeroelastischen Dämpfungsparameter von der Schwingamplitude. Das spiegelt sich auch darin, dass in heutigen Verfahren der bautechnischen Normung widerstreitende Verfahren benutzt werden, die häufig unrealistisch hohe Amplituden ergeben. Wenn es um die Modellierung des Lastprozesses zum Nachweis der Ermüdungsfestigkeit geht, führt das theoretische Defizit zu noch größeren Abweichungen zwischen der Prognose der Ermüdungslebensdauer und dem realen Wert. Der Forschungsantrag hat zum Ziel, ein Modell für die Prognose der Schwingamplituden in allen Bereichen des Durchgangs der Windgeschwindigkeit durch den Lock-in Bereich zu entwickeln und damit die Grundlagen für die Modellierung des Ermüdungsprozesses zu legen. Ausgangspunkt für die erforderliche Modellbildung sind experimentelle Untersuchungen in einem Windkanal. Dafür soll die Methode der geführten Bewegung benutzt werden. Dabei ist vorgesehen, folgende Parameter zu variieren: 1) Die Anströmungsgeschwindigkeit wird in Zusammenhang mit der Frequenz der geführten Bewegung variiert und auf diesem Wege wird der Resonanzbereich im Versuch durchfahren. Damit wird das Verhalten der aerodynamischen Dämpfung bestimmt.2) Die Amplitude der geführten Bewegung enthält die Wirkung der Scrutonzahl. Hier ist zu klären, ob bei großen Amplituden ein Grenzwert auftritt, der nicht überschritten werden kann, oder ob die Grenze der aerodynamischen Dämpfung asymptotisch angenähert wird.3) Die Turbulenzintensität beeinflusst den Erregungsprozess im Spektralbereich durch eine Verbreitung des Erregerspektrums mit der Folge, dass auch der Lock-in Bereich der Strömungsgeschwindigkeit breiter wird, so dass es häufiger zur Resonanz kommt.Anhand dieser experimentellen Grundlage wird ein Modell für die Berechnung der wirbelerregten aeroelastischen Schwingungen entwickelt, das auf dem bisherigen Erkenntnisstand aufbaut. Das Modell soll experimentell anhand von Versuchen mit freier Schwingung validiert werden. Dabei wird der gesamten Lock-in Bereich einschließlich seiner Randbereiche im Anstieg auf die maximale Amplitude und in Abfall der Resonanz zusätzlich untersucht. In diesem Bereich treten je nach Größe der Scrutonzahl mehr oder weniger stark intermittierende Zustände mit vorwiegend stochastischem oder vorwiegend harmonischem Charakter auf. Sie sollen in dem Modell eingeschlossen werden, um die Ermüdungswirkung aus voller Resonanz und intermittierenden Zuständen bei einem Durchgang durch den Lock-in Bereich zu erfassen. Das gesamte Konzept wird abschließend anhand von aeroelastischen Modellversuchen im Windkanal bei realistischer Tragverhalten, z.B. in Hinblick auf die Eigenform, überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen