DE102014222485B4 - Distortion detection of components - Google Patents
Distortion detection of components Download PDFInfo
- Publication number
- DE102014222485B4 DE102014222485B4 DE102014222485.3A DE102014222485A DE102014222485B4 DE 102014222485 B4 DE102014222485 B4 DE 102014222485B4 DE 102014222485 A DE102014222485 A DE 102014222485A DE 102014222485 B4 DE102014222485 B4 DE 102014222485B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- component
- damage
- sensor
- components
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 5
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000002168 optical frequency-domain reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000000253 optical time-domain reflectometry Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
Verfahren zur Verlegung von längserstreckten Sensoren zur Dehnungsmessung mittels elektrischer oder optischer Reflektometrie in Bauteilen oder Bauteilabschnitten, gekennzeichnet durch die Durchführung mindestens der folgenden Schritte:
a. Bestimmung der notwendigen Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente zur lokalen Bestimmung des Verzerrungszustandes des Bauteils oder Bauteilabschnitts,
b. Bestimmung der notwendigen Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente zur lokalen Detektion von Schäden in dem Bauteil oder Bauteilabschnitt mit
- anwendungs- und bauteilspezifischer Einstufung der Schadensgröße,
- Aufteilung des Bauteils oder Bauteilabschnitts in Bereiche entsprechend der jeweiligen Schadensrelevanz, die aufgrund der als sicherheitsrelevant eingestuften Schadensgröße zu bestimmen ist,
- Bestimmung der notwendigen Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente aufgrund der Sicherheitsrelevanz der Bereiche,
c. Bestimmung der erforderlichen Auflösung für eine kombinierte Verzerrungsmessung und Schadensdetektion als die Verteilung mit größerer Elementdichte der beiden Verteilungen aus Schritt a. und Schritt b,
d. Ermittlung einer stochastischen Sensorverteilung deren Parameterwerte, mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit, die erforderliche Messauflösung gewährleisten,
e. Verlegen der längserstreckten Sensoren in den Bauteilen oder Bauteilabschnitten entsprechend der in Schritt d. ermittelten Verteilung.
a. Determination of the necessary size distribution of the elementary area or volume elements for the local determination of the distortion state of the component or component section,
b. Determining the necessary size distribution of the elementary area or volume elements for local detection of damage in the component or component section with
- application-specific and component-specific classification of the size of damage,
- division of the component or component section into areas corresponding to the respective damage relevance, which is to be determined on the basis of the size of damage classified as safety-relevant,
Determination of the necessary size distribution of the elementary area or volume elements due to the safety relevance of the areas,
c. Determine the required resolution for combined distortion measurement and damage detection as the higher element density distribution of the two distributions from step a. and step b,
d. Determination of a stochastic sensor distribution whose parameter values, with predetermined probability, ensure the required measurement resolution,
e. Laying the longitudinal sensors in the components or component sections according to the step d. determined distribution.
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer messaufgabengerechten Sensorverteilung von Sensoren für elektrische oder optische Zeitbereichsreflektometrie bzw. optische Frequenzbereichsreflektometrie in verformbaren Körpern, insbesondere in Faserverbundbauteilen. Eingesetzt werden ein oder mehrere linear erstreckte, drahtartige und bei Bedarf gekrümmte, Sensoren mit einer Achse (Längsachse), die in Richtung der größten Länge (Haupterstreckungsrichtung) des Sensors als dessen geometrische Mittelachse verläuft.The subject of the present invention is a method for the determination of a measuring task-compatible sensor distribution of sensors for electrical or optical time domain reflectometry or optical frequency domain reflectometry in deformable bodies, in particular in fiber composite components. Used are one or more linearly extending, wire-like and if necessary curved, sensors with an axis (longitudinal axis), which extends in the direction of the largest length (main extension direction) of the sensor as its geometric center axis.
Unter Belastung wird im Folgenden das Einwirken einer mechanischen Kraft (insbesondere Druck oder Zug) auf den Sensor verstanden, wobei die Kraft eine senkrecht zur Längsachse des Sensors wirkende Komponente und eine Komponente parallel zur Längsachse aufweist.In the following, stress is understood to mean the action of a mechanical force (in particular pressure or tension) on the sensor, the force having a component acting perpendicular to the longitudinal axis of the sensor and a component parallel to the longitudinal axis.
Es ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt, die erfassen, aus welcher Richtung eine Belastung auf ein lineares Element, ein Bauteil oder einen Bauteilabschnitt einwirkt. In den vergangenen Jahren hat sich dabei die Anwendung der Zeitbereichsreflektometrie (time domain reflectometry - TDR) als besonders nutzbringend erwiesen. Bei diesem Verfahren wird ein Signal in einen Leiter geschickt und aus den Laufzeitveränderungen des reflektierten Signals auf Ort und Ausmaß der an diesen Leiter angreifenden Einflüsse geschlossen. Genutzt werden bei diesem Verfahren sowohl optische als auch elektrische Leiter, die jeweils mit optischen oder aber elektrischen Signalen beaufschlagt werden. Die Signalgenerierung und -auswertung erfolgt mittels geeigneter elektronischer Geräte aus dem Stand der Technik. Dementsprechend wird von optischer oder elektrischer Zeitbereichsreflektometrie gesprochen (oTDR oder eTDR). Ein ähnlich wirkendes Prinzip stellt die Frequenzbereichsreflektometrie dar, bei der eine optische Welle in einen Leiter eingespeist wird und aus den Frequenzveränderungen auf die einwirkenden Kräfte geschlossen wird.A variety of sensors are known, which detect which direction a load acts on a linear element, a component or a component section. In recent years, the use of time domain reflectometry (TDR) has proven particularly useful. In this method, a signal is sent to a conductor and inferred from the propagation time variations of the reflected signal on location and extent of the influences on that conductor. Used in this method, both optical and electrical conductors, which are each acted upon with optical or electrical signals. The signal generation and evaluation takes place by means of suitable electronic devices from the prior art. Accordingly, we speak of optical or electrical time domain reflectometry (oTDR or eTDR). A similar acting principle is the frequency domain reflectometry, in which an optical wave is fed into a conductor and is closed from the frequency changes on the forces acting.
Es ist eine Reihe von Anordnungen bekannt, mit denen Bauteilverformungen mittels elektrischer oder optischer Zeitbereichsreflektometrie bzw. optischer Frequenzbereichsreflektometrie detektiert werden können.A number of arrangements are known with which component deformations can be detected by means of electrical or optical time domain reflectometry or optical frequency domain reflectometry.
In der
In der
Im praktischen Einsatz sind nicht alle Bauteilbereiche in gleichem Maße überwachungsbedürftig. Im Stand der Technik werden dann mehr oder weniger Sensoren in den jeweiligen Bereich eingebracht.In practical use not all component areas are equally in need of monitoring. In the prior art, more or less sensors are then introduced into the respective area.
Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur optimierten Anordnung von Sensoren vorzuschlagen, die in Bauteilen in Abhängigkeit von den zu erwartenden Belastungen positioniert sind. Insbesondere soll die technische Relevanz von Bauteilabschnitten für die Funktion des Gesamtsystems in die Sensorimplementierung einbezogen werden. Darüber hinaus soll die Installation der Sensoren während der bestehenden Herstellungsprozesse bei zugleich reduzierten Anforderungen an die Genauigkeit bei der Positionierung und Ausrichtung möglich sein.It has as its object to propose a method for the optimized arrangement of sensors, which are positioned in components depending on the expected loads. In particular, the technical relevance of component sections for the function of the overall system should be included in the sensor implementation. In addition, the installation of the sensors should be possible during the existing manufacturing processes with simultaneously reduced requirements for positioning and alignment accuracy.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.According to the task is achieved by a method according to
Erfindungsgemäß werden Komponenten (Dehnungen) von 2D-Verzerrungszuständen (bei flächiger Sensorintegration, z.B. zwischen Verstärkungslagen) oder Komponenten von 3D-Verzerrungszuständen (bei räumlicher Sensorintegration, z.B. in textilen Preforms) gemessen. Die Bestimmung des Verzerrungszustandes erfolgt in elementaren Flächen- oder Volumenelementen, in denen, abhängig von der Sensordichte, die notwendigen Komponenten ausreichend genau gemessen werden können, s.
Verkürzt dargestellt werden Dehnungen (1D) gemessen und daraus der Verzerrungszustand (2D oder 3D) des Bauteils ermittelt, wobei:
- • reflektometrische Sensoren typischerweise Dehnungen und Stauchungen tangential zu Sensormittellinie messen, s.
3 (da die Sensor(mittel)linie im Allgemeinen gekrümmt ist und die Dehnungskomponenten „gerade“ einwirken, entsprechen die Richtungen der Dehnungskomponenten denen von Tangenten zur Sensor(mittel)linie an den jeweiligen Sensorstellen, s.3c .), - • die Sensorsteifigkeit werkstoffangepasst und ausreichend gering ist, so dass Sensor- und Bauteilverformungen in unmittelbarer Sensornähe gleichgesetzt werden können.
- • reflectometric sensors typically measure strain and strain tangential to sensor centerline, s.
3 (since the sensor (center) line is generally curved and the expansion components act "straight", the directions of the expansion components correspond to those of tangents to the sensor (middle) line at the respective sensor sites, s.3c .) - • The sensor rigidity is material-adapted and sufficiently low, so that sensor and component deformations in the immediate vicinity of the sensor can be equated.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, linear erstreckte Sensoren zur Zeitbereichsreflektometrie oder Frequenzbereichsreflektometrie in die Bauteile zu integrieren. Im Folgenden wird stellvertretend für beide Verfahren von Reflektometrie gesprochen. Der Fachmann erkennt, dass die entsprechenden Apparaturen und Leiter (Sensoren) durch die entsprechenden, für das jeweilige Verfahren geeigneten, zu ersetzen sind. Die Sensoren sind dabei drahtartig ausgebildet und werden geradlinig oder in Windungen als Sensorpfade im Bauteil angeordnet. Die Sensoren können parallel zueinander, in Schlaufen, Spiralen Mäandern oder anderen bevorzugt flächigen, aber auch räumlichen Figuren, im Bauteil verlaufen. Die Sensoren sind dabei als Zweileiter- (z. B. koaxiales) Kabel für die elektrische Reflektometrie, oder aber als optisches Lichtleiterkabel für die optische Reflektometrie ausgebildet. Es kann ein einzelner Sensor, der durch Windungen oder ähnliche Krümmungen ein ganzes Bauteil oder einen ganzen Bauteilbereich abdeckt oder aber mehrere einzelne Sensoren zum Einsatz kommen.According to the invention, linearly extended sensors for time domain reflectometry or frequency domain reflectometry are to be integrated into the components. In the following, reflectometry is used to represent both methods. The person skilled in the art recognizes that the corresponding apparatuses and conductors (sensors) are to be replaced by the corresponding ones suitable for the respective method. The sensors are designed like a wire and are arranged in a straight line or in turns as sensor paths in the component. The sensors can run parallel to each other, in loops, spirals meanders or other preferably flat, but also spatial figures, in the component. The sensors are designed as two-wire (for example, coaxial) cables for electrical reflectometry, or as optical fiber optic cables for optical reflectometry. It can be a single sensor, which covers a whole component or an entire component area by turns or similar curvatures or several individual sensors are used.
Erfindungsgemäß wird eine stochastische Verteilung der Sensoren im Bauteil vorgeschlagen, d.h. es werden keine fixen Sensorpositionen vorgegeben. Die Dichte der Sensorverteilung wird aus der erforderlichen Messauflösung für die jeweilige Zielstellung, d.h. Verzerrungsmessung und Schadensdetektion, ermittelt. Im Gegensatz zu der Vorgehensweise aus dem Stand der Technik können die bisher hohen Anforderungen an die Genauigkeit bei der Positionierung und Ausrichtung der Sensoren, deutlich reduziert werden. Zudem entfällt die zumeist aufwendige Berechnung diskreter Sensorpositionen. Im Folgenden wird der Prozess der Identifizierung einer geeigneten Sensorverteilung beschrieben.According to the invention, a stochastic distribution of the sensors in the component is proposed, i. no fixed sensor positions are specified. The density of the sensor distribution is calculated from the required measurement resolution for the respective target position, i. Distortion measurement and damage detection, determined. In contrast to the procedure of the prior art, the previously high demands on the accuracy in the positioning and alignment of the sensors, can be significantly reduced. In addition, the usually complex calculation of discrete sensor positions is eliminated. The following describes the process of identifying a suitable sensor distribution.
Die Reflektometriemessung erlaubt eine kontinuierliche Verzerrungsmessung entlang des Sensorpfads. Bei der Bestimmung der Sensorverteilung müssen zwei Größen betrachtet werden:
- 1) Ortsauflösung entlang des Sensorpfads. Dieser Wert hängt von der Zeitauflösung (erreichbarer Abtastfrequenz) des verwendeten Elektronik-Auswertegerätes ab und liegt bei gängigen elektrischen und optischen Geräten im mm-Bereich oder darunter.
- 2) Verteilungsdichte der Sensorpfade im Bauteil.
- 1) spatial resolution along the sensor path. This value depends on the time resolution (achievable sampling frequency) of the electronics evaluation unit used and is in the mm range or below for common electrical and optical devices.
- 2) Distribution density of the sensor paths in the component.
Die Auflösung der erfindungsgemäßen Verzerrungsmessung und Schadensdetektion ist proportional zum Kehrwert der Größe eines elementaren Flächen- oder Volumenelements, in dem die Sensoren die Komponenten der zu messenden Verzerrung (siehe
Aufgrund der unterschiedlichen Zielstellungen bei der Verzerrungsmessung und Schadensdetektion unterscheiden sich die Vorgehensweisen zur Bestimmung der Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente (siehe
In einem ersten Teilschritt wird eine notwendige Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente zur Verzerrungsmessung ermittelt. Die erforderliche Messauflösung zur Bestimmung des Verzerrungszustandes ist anwendungsspezifisch. Sie hängt im Allgemeinen von der Komplexität der interessierenden Verformung ab und kann anhand des Abtasttheorems bestimmt werden.In a first sub-step, a necessary size distribution of the elementary surface or volume elements for distortion measurement is determined. The required measurement resolution for determining the state of distortion is application-specific. It generally depends on the complexity of the strain of interest and can be determined from the sampling theorem.
Zur rechnerischen Bestimmung der erwarteten Verzerrungen in Abhängigkeit von den zu erwartenden Belastungen werden Finite-Elemente-Methoden oder andere Verfahren aus dem Stand der Technik eingesetzt.For the mathematical determination of the expected distortions as a function of the expected loads finite element methods or other methods of the prior art are used.
In einem zweiten Teilschritt wird die erforderliche Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente zur Detektion von Schäden bestimmt. Dabei ist diese insbesondere von der als sicherheitsrelevant eingestuften Schadensgröße (Schadensabmessung) abhängig. Eine derartige Einstufung wiederum ist anwendungs-, bauteil- und bauteilbereichsspezifisch und muss vom Anwender zunächst festgelegt werden. Ein bevorzugter Ansatz dazu ist, das Bauteil in Bereiche zu unterteilen, wobei die Sicherheitsrelevanz als Maß zur Abgrenzung der einzelnen Bereiche dienen kann. So können Bauteilabschnitte geringer Sicherheitsrelevanz eine wesentlich geringere Messauflösung erfordern, als Bauteile mit einer hohen Sicherheitsrelevanz.In a second sub-step, the required size distribution of the elementary area or volume elements for the detection of damage is determined. In doing so, it depends in particular on the size of damage (damage dimension) classified as safety relevant. Such classification, in turn, is application, component and component-specific and must first be determined by the user. A preferred approach to this is to divide the component into areas, where the safety relevance can serve as a measure to delineate the individual areas. For example, component sections of low safety relevance may require a significantly lower measurement resolution than components with a high safety relevance.
Der erste und der zweite Teilschritt können unabhängig voneinander erfolgen und ebenso in beliebiger Reihenfolge.The first and second sub-steps can be independent of each other and also in any order.
Im Ergebnis des ersten und des zweiten Teilschrittes werden jeweils Größenverteilungen der elementaren Flächen- oder Volumenelemente für die Verzerrungsmessung und die Schadensdetektion ermittelt. Offensichtlich ist nur die Verteilung mit größerer Elementdichte je Bauteilbereich geeignet, beide Zielstellungen (sowohl Verzerrungsmessung als auch Schadensdetektion) umzusetzen.As a result of the first and second substeps, size distributions of the elemental area or volume elements for the distortion measurement and the damage detection are respectively determined. Obviously, only the distribution with a larger element density per component area is suitable for implementing both objectives (both distortion measurement and damage detection).
Basierend auf der festgelegten Größenverteilung der elementaren Flächen- oder Volumenelemente zur Verzerrungsmessung und Schadensdetektion, kann computergestützt, unter Berücksichtigung der Ortsauflösung, mechanischer Eigenschaften verwendeter Sensoren (z. B. des minimalen Biegeradius) und optionaler Parameter (z. B. der minimalen oder maximalen Sensorlänge, den bevorzugten Verlegerichtungen ...), eine stochastische Sensorverteilung mit deren Parameterwerten (z. B. Mittelwert und Standardabweichung bei Normalverteilung) ermittelt werden, die mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit die erforderliche Messauflösung gewährleistet.Based on the specified size distribution of the elementary surface or Volume elements for distortion measurement and damage detection can be computer-aided, taking into account the spatial resolution, mechanical properties of sensors used (eg the minimum bending radius) and optional parameters (eg the minimum or maximum sensor length, the preferred laying directions ...) stochastic sensor distribution with their parameter values (eg mean value and standard deviation in the case of normal distribution) can be determined, which ensures the required measurement resolution with a predetermined probability.
Berücksichtigt wird weiterhin die Leitungsführung der Sensoren derart zu gestalten, dass die Kontaktierung, also die Einspeisung elektrischer bzw. optischer Signale und die Messung der Antwortsignale, möglich sind. Bevorzugt erfolgt die Kontaktierung aller Sensoren in einem vorgegebenen Bauteilbereich, der für optische oder elektrische Zuleitungen besonders leicht zugänglich ist. Falls mehrere Sensorarten zur Verfügung stehen kann auch eine Optimierung hinsichtlich der einzusetzenden Sensorart in Abhängigkeit von deren Parametern, wie bspw. der Messempfindlichkeit, erfolgen.Also taken into account is the routing of the sensors in such a way that the contacting, ie the supply of electrical or optical signals and the measurement of the response signals are possible. Preferably, the contacting of all sensors in a predetermined component area, which is particularly easily accessible for optical or electrical leads. If several types of sensors are available, an optimization with regard to the type of sensor to be used as a function of their parameters, such as the measurement sensitivity, done.
Nach dem Optimierungslauf werden die Sensoren in einem Fertigungsprozess, vorzugsweise automatisch, vorzugsweise auf einem Verfahrtisch verlegt. Dabei werden die ermittelten Sensorpfade durch automatisches Einlegen der linear erstreckten Sensoren in die Bauteilhalbzeuge im stochastischen Sinne realisiert. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Bauteilhalbzeugen um unkonsolidierte oder teilkonsolidierte Faserverstärkungsschichten für Faserverbundwerkstoffe. Die eingelegten Sensoren messen hier besonders vorteilhaft unmittelbar im Bauteil und weisen dem Material des Bauteils ähnliche Eigenschaften auf.After the optimization run, the sensors are laid in a production process, preferably automatically, preferably on a travel table. In this case, the determined sensor paths are realized by automatically inserting the linearly extended sensors into the component semi-finished products in the stochastic sense. The component semi-finished products are particularly preferably unconsolidated or partially consolidated fiber reinforcement layers for fiber composite materials. The inserted sensors measure particularly advantageous directly in the component and have the material of the component similar properties.
Im Rahmen von Belastungsfahrten mit definierten Kräften (Dehnungen) können die Sensoren in den Bauteilen nach dem Fertigstellen bzw. Aushärten kalibriert werden. Durch die Anwendung von Modellidentifikationsmethoden (model identification methods) (z. B. aus dem Bereich des Machine Learning) werden Relationen/Modelle identifiziert, die die gemessene Sensorantwort mit dem vorliegenden Verformungszustand verknüpfen. Diese spiegeln alle relevanten Aspekte der Interaktion zwischen der Strukturverformung und der Sensoren wider. Durch das hier notwendige Prinzip des induktiven Schlussfolgerns besitzen die Relationen zwangsläufig einen approximativen Charakter. Eine erforderliche Genauigkeit (der Relationen, nicht der Messung insgesamt) lässt sich durch entsprechende Definition der Belastungsfahrten erreichen.During load cycles with defined forces (strains), the sensors in the components can be calibrated after completion or hardening. By using model identification methods (eg from the field of machine learning), relations / models are identified that link the measured sensor response to the existing state of deformation. These reflect all relevant aspects of the interaction between the structural deformation and the sensors. Due to the principle of inductive reasoning necessary here, the relations necessarily have an approximate character. A required accuracy (of the relations, not of the total measurement) can be achieved by appropriate definition of the load rides.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht vorteilhaft keine Vorgaben hinsichtlich der Sensorpositionierung oder Verlegerichtung, sondern lediglich hinsichtlich der einzuhaltenden Sensordichte. Weiterhin vorteilhaft verlieren so systematische Fehler während der Verlegung an Bedeutung, da eine systematische Abweichung von einer Verlegeposition unbedeutend ist, da ja die Sensordichte das wesentliche Parameter ist und nicht die Position der Einzelsensoren bzw. der Sensorbahnen.The method according to the invention advantageously makes no specifications with regard to the sensor positioning or laying direction, but only with regard to the sensor density to be maintained. It is also advantageous to lose systematic errors during installation, since a systematic deviation from a laying position is insignificant since the sensor density is the essential parameter and not the position of the individual sensors or the sensor tracks.
In einer bevorzugten Verfahrensweise werden Anschlussbedingungen der Bauteilabschnitte berücksichtigt. Hierbei werden die Bereiche der Bauteilabschnitte mit niedrigen Anforderungen an die Messauflösung, die an Bauteilabschnitte mit höheren Anforderungen an die Messauflösung grenzen, entsprechend gesondert behandelt. Diese Bereiche reichen typischerweise von den ersten Sensoren des einen Bauteilabschnittes zu den nächstgelegenen Sensoren des benachbarten Bauteilabschnittes. Dazu können Anschlussbedingungen definiert werden. Diese Anschlussbedingungen legen bspw. fest, wie die Sensorabstände in diesen Bereichen zu ermitteln sind. So kann diesen Bereichen bevorzugt eine Sensordichte zugeordnet werden, die der der Bauteilabschnitte mit höheren Anforderungen an die Messauflösung entspricht. Es ist auch eine Mittelung der Sensordichten möglich. Auch die geringere Sensordichte kann diesen Bereichen zugeordnet werden. Gegebenenfalls gehen diese Anschlussbedingungen in die iterative Berechnung der Sensorverteilung mit ein.In a preferred procedure, connection conditions of the component sections are taken into account. In this case, the areas of the component sections with low requirements for the measurement resolution, which border on component sections with higher demands on the measurement resolution, are dealt with separately accordingly. These ranges typically range from the first sensors of one component portion to the closest sensors of the adjacent component portion. For this purpose connection conditions can be defined. These connection conditions determine, for example, how the sensor distances in these areas are to be determined. Thus, these areas can preferably be assigned a sensor density that corresponds to that of the component sections with higher demands on the measurement resolution. It is also possible to average the sensor densities. The lower sensor density can also be assigned to these areas. If necessary, these connection conditions are included in the iterative calculation of the sensor distribution.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Bestimmung der Sensorverteilung für kombinierte Verzerrungsmessung und Schadensdetektion1 shows the procedure according to the invention for determining the sensor distribution for combined distortion measurement and damage detection -
2 zeigt die Verteilung der Sensoren basierend auf der Sicherheitsrelevanz einzelner Bereiche am Beispiel einer FKV-Fanschaufel2 shows the distribution of the sensors based on the safety relevance of individual areas using the example of a FKV fan blade -
3a Messung des 2D Verzerrungszustandes mittels einer DMS-Rosette (Stand der Technik)3a Measurement of the 2D distortion state by means of a DMS rosette (prior art) -
3b Messung des 2D Verzerrungszustandes mittels dreier geradliniger Sensoren3b Measurement of the 2D distortion state by means of three rectilinear sensors -
3c Messung des 2D Verzerrungszustandes mittels eines gekrümmten Sensors3c Measurement of the 2D distortion state by means of a curved sensor
Ausführungsbeispielembodiment
In der
Im Bereich der Einspannung der Fanschaufel treten die größten Belastungen auf und bereits kleine Schädigungen können zu katastrophalen Folgen führen, bspw. Abreißen der Fanschaufel mit erheblichen Folgeschäden am gesamten Triebwerk. Die Sicherheitsrelevanz des Einspannbereichs ist somit als „Sehr Hoch“ einzustufen und eine Schadensdetektion sollte möglichst frühzeitig erfolgen. Aus Untersuchungen des Schädigungsverhaltens von FKV kann abgeleitet werden, dass eine Schadengröße von etwa 1 mm bei andauernder Belastung als Ausgangspunkt für weiteres Schädigungswachstum angesehen werden kann. Die Sensorpfade sollten daher so verlegt werden, dass stets ein maximaler Abstand von 1 mm nicht überschritten, und so eine zuverlässige Schadensdetektion gewährleistet wird. Ausgehend von dieser Vorgabe wird rechentechnisch eine Sensorverteilung berechnet, die den maximal zulässigen Abstand der Sensorpfade mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit einhält. In Bereichen mit geringerer Sicherheitsrelevanz können durchaus größere Schadensgrößen als tolerabel betrachtet werden, so z.B. an der Vorder- oder Hinterkante. Die Anpassung der Sensordichte an bereichsabhängige, relevante Schädigungsgrößen ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der zu verwendenden Sensorlänge im Vergleich zu einer gleichmäßigen, vollflächigen Sensorverteilung. Dies kommt einer Reduktion der Sensoranzahl bei diskret messenden Sensoren gleich. Dadurch lässt sich sowohl die Systemkomplexität als auch die Systemkosten reduzieren.In the field of clamping the fan blade, the largest loads occur and even small damage can lead to catastrophic consequences, for example. Tear off the fan blade with considerable consequential damage to the entire engine. The safety relevance of the clamping area is therefore classified as "very high" and damage detection should take place as early as possible. From investigations of the damage behavior of FKV it can be deduced that a damage size of about 1 mm under continuous load can be regarded as a starting point for further damage growth. The sensor paths should therefore be laid so that a maximum distance of 1 mm is not always exceeded, thus ensuring reliable damage detection. Based on this specification, a sensor distribution is computationally calculated, which complies with the maximum allowable distance of the sensor paths with a predetermined probability. In areas of lesser safety relevance, larger amounts of damage can certainly be considered tolerable, e.g. at the front or rear edge. The adjustment of the sensor density to area-dependent, relevant damage sizes allows a considerable reduction of the sensor length to be used in comparison to a uniform, full-surface sensor distribution. This is equivalent to a reduction in the number of sensors in discrete measuring sensors. This can reduce both system complexity and system costs.
Zitierte NichtpatentliteraturQuoted non-patent literature
- [1] Corning Incorporated: SMF-28™ Optical Fibre, Datenblatt, 2002.[1] Corning Incorporated: SMF-28 ™ Optical Fiber, Data Sheet, 2002.
- [2] Polytec GmbH: Faseroptische Sensorik, Produktblatt, 2012.[2] Polytec GmbH: Fiber Optic Sensors, Product Sheet, 2012.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102014222485.3A DE102014222485B4 (en) | 2014-11-04 | 2014-11-04 | Distortion detection of components |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102014222485.3A DE102014222485B4 (en) | 2014-11-04 | 2014-11-04 | Distortion detection of components |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102014222485A1 DE102014222485A1 (en) | 2016-05-04 |
| DE102014222485B4 true DE102014222485B4 (en) | 2019-11-21 |
Family
ID=55753795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102014222485.3A Active DE102014222485B4 (en) | 2014-11-04 | 2014-11-04 | Distortion detection of components |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102014222485B4 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7212696B2 (en) * | 2004-02-18 | 2007-05-01 | The Boeing Company | Fiber optic damage detection system for composite pressure vessels |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007022039B4 (en) | 2007-05-08 | 2009-07-09 | Hochschule Mannheim | sensor arrangement |
| DE102008035746A1 (en) | 2008-07-31 | 2010-02-04 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Force effect spatial-resolution detection device for use during e.g. clamping protection of electric window lift, has signal processing device determining position of effect along waveguide based on time difference between time points |
-
2014
- 2014-11-04 DE DE102014222485.3A patent/DE102014222485B4/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7212696B2 (en) * | 2004-02-18 | 2007-05-01 | The Boeing Company | Fiber optic damage detection system for composite pressure vessels |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| LI, J. [et al.]: Placement Optimization of Distributed-Sensing Fiber-Optic Sensors Using Genetic Algorithms. In: AIAA Journal, Vol. 46 (2008). 824 – 836. * |
| TSAMASPHYROS, G. [et al.]: Numerical Investigation of the Optimum Placement Locations of Optical Fiber Bragg Grating Sensors for the Health Monitoring of Bonded Composite Repairs. In: Macoromol. Symp. Vol. 247 (2007). 221 – 229. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102014222485A1 (en) | 2016-05-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1677070B1 (en) | Method and device for determining the deflection of a connecting element | |
| EP1779057B1 (en) | Method for determining in a contactless manner the thickness of a layer by resistance and inductivity measurement of a sensor coil | |
| EP3499253B1 (en) | Submarine cable section and method for determining a partial electrical discharge in a submarine cable section | |
| DE102018112825A1 (en) | Sensor arrangement for a wind turbine | |
| DE102018103901A1 (en) | Method for determining an operating state of an electrical equipment and arrangement | |
| DE102014117821A1 (en) | Sensor system for a steering wheel of a motor vehicle, steering wheel with such a sensor system and method for operating such a sensor system | |
| DE102016202769A1 (en) | Sensor for integral or spatially resolved strain measurement based on pre-damaged carbon fibers | |
| DE102018116616A1 (en) | Method and device for contactless, non-invasive measurement of electrical power quantities | |
| EP3006905B1 (en) | Method and device for measuring a fill level | |
| DE102014222485B4 (en) | Distortion detection of components | |
| DE102015010042A1 (en) | Test arrangement for testing at least one connection interface and method for testing at least one connection interface with a test arrangement | |
| DE102011077966A1 (en) | Load cell with fiber optic Bragg grating sensors | |
| EP1774254B1 (en) | Method for determining the thickness of a layer of electroconductive material in a contactless manner | |
| DE102009058520A1 (en) | Apparatus and method for rapid strain measurement | |
| DE102014117079A1 (en) | Method and system for determining a mechanical deformation and / or a defect of a specimen | |
| DE102017201524A1 (en) | Fiber optic detection device and method for operating such a fiber optic detection device | |
| DE102013104782A1 (en) | measuring system | |
| DE102013213219B4 (en) | Device for determining deformation information for a board loaded with a load | |
| DE102012002359A1 (en) | Method for functional verification of measurement chain of optical expansion sensor, involves providing testing device which is connected at end of measurement chain | |
| EP3671196A1 (en) | System for determining an aging state of an elastomeric product | |
| EP2857815A2 (en) | Method and device for monitoring the surface of a reactor | |
| DE102013224235A1 (en) | Sensor system for capacitive distance measurement | |
| DE202017106703U1 (en) | Device for monitoring rolling bearings | |
| DE202017102044U1 (en) | light Curtain | |
| DE102019219576A1 (en) | Sensor system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final | ||
| R082 | Change of representative |