Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit und/oder Beanspruchung einer technischen Struktur
Stand der Technik
Moderne mechanische Strukturen, wie beispielsweise Tragwerke oder ähnlich abstützende Funktionen übernehmende Einheiten, müssen zumeist wenigstens zwei sich widersprechenden Auslegungskriterien Rechnung tragen, nämlich einerseits möglichst leichtgewichtig ausgebildet zu sein und andererseits über eine möglichst hohe Beanspruchbarkeit hinsichtlich dynamischer und stationärer Lasteinwirkungen verfügen. Diesen Anforderungen können konventionelle, d.h. rein passiv ausgelegte Strukturen, durch geeignete Materialwahl sowie durch entsprechendes Strukturdesign lediglich nur zum Teil entsprochen werden. So sind der Materialwahl werkstofftechnische und dem konstruktiv festlegbaren Strukturdesign statische und dynamische Beanspruchbarkeitsgrenzen gesetzt, deren Überschreitung zu irreversiblen Strukturschäden führen kann, wodurch die Gesamtlebensdauer der mechanischen Struktur erheblich beeinträchtigt wird. Zur Entschärfung des aufgezeigten Beanspruchungsproblems werden mechanische bzw. maschinenbauliche Strukturen konstruktiv bewusst überdimensioniert ausgelegt, um temporäre, im Sinne kurzzeitig auftretende Belastungs- bzw. Beanspruchungsspitzen schadlos widerstehen zu können. Diese Maßnahme ergeht jedoch zu Lasten sowohl des Strukturgewichtes als auch der Kosten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit und/oder Beanspruchung einer technischen Struktur anzugeben, um entweder bestehende Strukturen mit gleich bleibender Beanspruchbarkeit leichter auszubilden oder die Beanspruchbarkeit von Strukturen bei gleich bleibender Masse bzw. Gewicht zu verbessern bzw. zu erhöhen. Ferner soll auf entsprechende Weise eine Optimierung der technischen
Struktur in Hinblick auf deren mechanische Auslegung erreicht werden, also z.B. die Realisierung einer leichteren Struktur mit entsprechenden Lebensdauern wie eine klassische ausgelegte Struktur.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Dem lösungsgemäßen Konzept zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit technischer bzw. mechanischer Strukturen bzw. Struktursystemen liegt das Grundprinzip der Adaptronik zugrunde, gemäß dem in einem ersten Schritt ein aktueller Beanspruchungszustand der Struktur erfasst wird, indem wenigstens eine beanspruchungskorrelierte Kenngröße der Struktur, vorzugsweise eine mechanische Kenngröße sensoriell erfasst wird, die sich bei statischer und/oder dynamischer Lasteinwirkung auf die Struktur ändert. Auf Basis dieser wenigstens einen erfassten Kenngröße wird der Beanspruchungszustand der Struktur ermittelt. Hierbei wird auf eine Datenbank bzw. Wissensspeicher zurückgegriffen, in der durch wenigstens eine Kenngröße charakterisierte Beanspruchungszustände der entsprechenden Struktur abgespeichert sind, die vorzugsweise im Wege kalibrierter Referenzmessungen vorab gewonnen worden sind und durch wenigstens eine messtechnisch erfassbare Kenngröße charakterisiert sind. Ebenso denkbar ist die Nutzung von Expertenwissen. Durch Zuordnung der messtechnisch erfassten Kenngröße kann auf diese Weise auf den aktuell vorliegenden Beanspruchungszustand der Struktur geschlossen werden.
In einem weiteren Schritt gilt es, den erfassten Beanspruchungszustand der Struktur gemäß den Methoden und Verfahren der Betriebsfestigkeit zu bewerten, insbesondere in Relation zu einem als kritisch zu bewertenden Beanspruchungszustand, den die Struktur bei einer maximalen tolerierbaren Lasteinwirkung annehmen würde, d.h. ein Überschreiten dieses als kritisch zu
bewertenden Beanspruchungszustandes würde zu irreversiblen Strukturschäden führen. In diesem Zusammenhang wird vorzugsweise ein Grad oder Maß ermittelt, das die so genannte Restbeanspruchbarkeit der Struktur beschreibt, bei deren Erreichen oder Überschreiten Struktur lokale oder globale irreversible Schädigungen erleidet.
Auf der Grundlage des bewerteten Beanspruchungszustandes so wie unter Vorgabe wenigstens einer Zielfunktion, die zumindest Bedingungen bzw. Kriterien umfasst, die zur Maximierung der Strukturlebensdauer ausgelegt sind, wird wenigstens ein Signal generiert, das wenigstens einem innerhalb der Struktur integrierten oder auf der Struktur applizierten Aktor zu dessen Aktivierung zugeführt wird, wodurch der Beanspruchungszustand der Struktur beeinflusst wird. Die Beeinflussung des Beanspruchungszustandes durch entsprechende Aktivierung eines vorzugsweise innerhalb der Struktur integrierten Aktors erfolgt unter Maßgabe der Strukturlebensdauerverlängerung, wobei die durch den Aktor auf die Struktur entfaltende Wirkung entlastende oder aber auch fallabhängig belastende Wirkungen entfalten kann. Gilt es beispielsweise eine Struktur hinsichtlich ihrer Stabilität und damit verbundenen Abstützeigenschaften gegen einen externen Lasteintrag zu verbessern, so vermag ein geeignet gewählter Aktor einen jeweils betreffenden Strukturbereich zu verstärken bzw. zu versteifen. Andererseits könnte die Lebensdauererhöhung der Struktur dadurch unterstützt werden, indem Strukturbereiche gezielt destabilisiert bzw. in einen elastischen Zustand überführt werden, um Rissbildungen oder Sprödbrucherscheinungen, bspw. bedingt durch von extern auf die Struktur einwirkende hochfrequenten Wechselbelastungen vorzubeugen.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt die Einflussnahme bzw. Beeinflussung des Beanspruchungszustandes durch entsprechende Aktivierung des mit der Struktur verbundenen, d.h. in der Struktur integrierten oder auf der Struktur applizierten Aktors im Wege einer aktiven Regelung, d.h. die durch den Aktor auf die Struktur gerichtete Wirkung wird sensoriell unter Echtzeitbedingungen erfasst und
mittels einer die Strukturlebensdauer erhöhenden Zielfunktion bewertet um letztlich die Aktoransteuerung zielführend zu regeln.
In Abhängigkeit von Material sowie konstruktiver Ausbildung der jeweils in Betracht zu ziehenden Struktur werden in bevorzugter Weise mehrere Aktoren in der Struktur integriert bzw. an der Struktur appliziert und dies bevorzugt in Strukturbereichen, die durch eine äußere Lasteinwirkung eine besonders starke Belastung erfahren, d.h. besonders starken Materialbeanspruchungen und damit verbundenen Ermüdungserscheinungen unterliegen. Bei Verwendung von mehreren mit der Struktur verbundenen Aktoren gilt es zur geregelten Aktivierung aller einzelnen Aktoren den Belastungszustand der Struktur im Ganzen zu bewerten sowie die gegenseitige Einflussnahme aller Aktoren auf die gesamte Struktur zu berücksichtigen.
Alternativ zur vorstehend beschriebenen aktiv geregelten Aktivierung eines jeweiligen mit der Struktur verbundenen Aktors bietet die so genannte semi-aktive Einflussnahme ebenfalls die Möglichkeit, die mechanische Beanspruchbarkeit einer technischen Struktur zu beeinflussen. In diesem Fall bedient man sich dem Einsatz von Aktoren, deren Aktorverhalten unter Vorgabe einer bestimmten Aktoraufgabe konfektioniert wird. Im Unterschied zur aktiven Regelung, bei der der Aktor durch entsprechende Energieversorgung und Regelsignale betrieben wird, wird ein semiaktiv betriebener Aktor ohne externe Energiezuführung betrieben. Hierbei wirkt der Aktor nicht als solcher zum aktiven Einleiten von mechanischen Belastungen sondern als Energiewandler, der die in der Struktur wirkende mechanische Energie, die aus deren Beanspruchung resultiert, in vorzugsweise elektrische Energie umwandelt, so dass diese elektrische Energie nun in einer angeschlossenen elektrischen Beschaltung verarbeitet werden kann. Derart kann z.B. ein Schwingkreis aufgebaut oder eine Energierückgewinnung realisiert werden.
Typischerweise weisen derartige Aktorsysteme Wandlerwerkstoffe auf, die Energie zwischen unterschiedlichen Energieformen zu wandeln vermögen. Bevorzugte Vertreter derartiger Wandlerwerkstoffe sind piezoelektrische Materialien, wie
beispielsweise piezoelektrische Keramiken, bleifreie piezoelektrische Keramiken, Formgedächtnislegierungen (SMA-Materialien) sowie auch elektrorheologische Fluide oder elektroaktive Polymere. So ist es bekannt, die Materialsteifigkeit und das Dämpfungsverhalten bei derartigen Wandlerwerkstoffen durch externe Energiezufuhr zu beeinflussen. Je nach Wandlermaterial kann die externe Energiezufuhr elektrisch, thermisch oder von magnetischer Natur sein. Umgekehrt führen Deformationen bei derartigen Wandlerwerkstoffen zur Erzeugung von beispielsweise elektrischer Energie, die sensorisch oder in oben beschriebener Weise semi-aktiv umgesetzt werden kann.
Das lösungsgemäße Verfahren basiert somit auf den Grundprinzipien der Adaptronik und verbindet diese mit dem Aspekt der Betriebsfestigkeit technischer Strukturen, wobei mechanische Beanspruchungszustände technischer Strukturen erfasst und bewertet werden und auf Basis dieser Kenntnis ein aktiv oder semi-aktiv erfolgender aktorischer Eingriff auf den Beanspruchungszustand der jeweiligen Struktur erfolgt, der beanspruchungsgerecht zum Zwecke einer lebensdauersteigernden Maßnahme an der Struktur vorgenommen wird. Selbstverständlich kann auf entsprechende Weise eine Optimierung der technischen Struktur in Hinblick auf deren mechanische Auslegung erreicht werden, also z.B. die Realisierung einer leichteren Struktur mit entsprechenden Lebensdauern wie eine klassische ausgelegt Struktur.
Auf diese Weise kann auf Basis aktueller und akkumulierter, mittels geeigneter Sensoren erfasster Beanspruchungskennwerte der Ausnutzungsgrad oder der Lebensdauerverbrauch der technischen Struktur bewertet werden und eine für die Lebensdauer günstige aktive Einflussnahme mittels eines oder einer Vielzahl mit der Struktur verbundenen und/oder integrierten Aktors oder Aktoren auf die lastbedingten, innerhalb der technischen Struktur vorhandenen Energieflüsse erreicht werden. Die Aktivierung des wenigstens einen mit der Struktur verbundenen und/oder integrierten Aktors erfolgt unter Zugrundelegung einer die Lebensdauer steigernden Zielfunktion, durch die, beispielsweise bei im Einsatz von mehreren auf und/oder in der Struktur verteilt angebrachten Aktoren, der auf die Struktur statisch oder dynamisch einwirkende Lasteintrag in stärkere Lebensdauer verbrauchte
Strukturbereiche, beispielsweise durch aktive Kontrolle bestimmter Aktoren beispielsweise durch Energiereflexion reduziert werden, wohingegen der Lasteintrag in schwächer lebensdauerverbrauchte Strukturbereiche durch aktive Kontrolle der Energietransmission erhöht wird. Durch geeignete Wahl und Ansteuerung der den Aktoren zuordenbaren mechanischen Impedanzen können stärker geschwächte bzw. geschädigte Strukturbereiche geschont und schwächer ausgenutzte Strukturbereiche stärker belastet werden. Das lösungsgemäße Konzept der aktiv kontrollierten Belastungsumverteilung innerhalb einer technischen Struktur kommt somit dem Ziel der Erhöhung einer Systemlebensdauer oder dem Ziel des intelligenten Leichtbaus trotz gleich bleibender oder sogar verbesserter Sicherheitsfaktoren hinsichtlich Systemzuverlässigkeit und Betriebsfestigkeit einen entscheidenden Schritt näher. Bis anhin bekannte Überdimensionierungen von Strukturbauteilen zum Zwecke der Vermeidung von Materialüberbeanspruchungen, die sich gegebenenfalls bei kurzzeitigen und eher selten auftretenden Lastüberhöhungen ergeben können, können mit Hilfe des lösungsgemäßen Verfahrens vermieden werden. Vielmehr erlaubt die lösungsgemäße aktive Strukturbeeinflussung eine kontrollierte Überwachung vorzugsweise aller die Struktur durchsetzenden lastbedingten Energieflüsse, so dass auf Veränderungen bei einwirkenden Betriebslasten bzw. den dadurch hervorgerufenen Beanspruchungszuständen innerhalb der Struktur beanspruchungsgerecht und letztlich lebensdauersteigernd reagiert werden kann.
Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit einer technischen Struktur sieht eine diesbezügliche lösungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Sensor vor, der in der Struktur integriert oder an der Struktur appliziert ist und ein beanspruchungskorreliertes Sensorsignal erzeugt, das sich vorzugsweise durch eine Strukturdeformation, die die Struktur bei statischer und/oder dynamischer Lasteinwirkung erfährt, ändert. Vorzugsweise eigenen sich hierzu aus Wandlerwerkstoffe bestehende oder Wandlerwerkstoffe aufweisende Sensoren, die ein vom aktuellen Dehnungszustand des Sensors elektrisches Signal erzeugen. Das mit Hilfe des wenigstens einen Sensors gewonnene Sensorsignal wird einer Auswerteeinheit zugeleitet, die eine dem Sensorsignal entsprechende Kenngröße,
vorzugsweise eine mechanische Kenngröße zuordnet. Des Weiteren ist eine Datenbank, beispielsweise in Form einer an sich bekannten Speichereinheit vorgesehen, in der vorbekannte, vorzugsweise durch Referenzmessungen erfasste und/oder durch numerische und/oder analytische bestimmte Beanspruchungszustände der technischen Struktur abgespeichert sind und aus der die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der ermittelten Kenngröße einen bereits bewerteten Beanspruchungszustand auswählt. Auch bietet es sich an vorhandenes Expertenwissen alternativ oder in Ergänzung heranzuziehen, um einen durch eine erfasste Kenngröße charakterisierten Beanspruchungszustand zu bewerten. Letztlich ist eine Aktivierungseinheit vorgesehen, die wenigstens einen Aktor, der in der Struktur integriert oder an der Struktur appliziert ist, derart aktiviert, dass die Struktur in Abhängigkeit des aktuell bewerteten Beanspruchungszustandes wenigstens in einem lokalen Bereich be- oder entlastet wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der wenigstens eine Sensor und der wenigstens eine Aktor als einzige Baueinheit ausgeführt und weisen einen vorstehend erläuterten Wandlerwerkstoff auf oder sind aus diesem vollständig gefertigt, der es vermag, mechanische Deformationsenergie in elektrische Energie und umgekehrt zu wandeln. Vorzugsweise werden Sensor und Aktor strukturkonform in hochlasttragende und hochbeanspruchte Bereiche der Struktur zur direkten Erfassung von mechanischen Beanspruchungen sowie deren Beeinflussung integriert.
Um eine möglichst autarke und autonom arbeitende Vorrichtung zu schaffen, sieht eine bevorzugte Ausführungsform die zusätzliche Integration der Auswerteeinheit sowie der mit der Auswerteeinheit im Datenverbund stehenden Datenbank bzw. Speichereinheit neben den Sensoren und Aktoren innerhalb der Struktur vor. Durch Einsatz an sich bekannter mikroelektronischer Bauelemente sind die vorstehend genannten Komponenten miniaturisiert ausführbar und an die technische Struktur in einer Weise zu applizieren, ohne dabei die mechanische Beanspruchbarkeit der Struktur zu schwächen.
Des Weiteren ist es möglich, die Auswerteeinheit sowie die Datenbank getrennt von der technischen Struktur vorzusehen und den zwischen dem wenigstens einen Sensor und Aktor, die jeweils mit der Struktur verbunden sind, erforderliche Signalaustausch mit Hilfe einer Telemetrieeinheit, die einerseits mit der Struktur und andererseits am Ort der Auswerteeinheit vorgesehen ist, vorzunehmen. Im Falle statischer technischer Strukturen ist es gleichfalls möglich, den Datenaustausch drahtgebunden zu bewerkstelligen.
Alternativ zur Integration bzw. Applikation wenigstens eines Sensors in bzw. an der Struktur ist es gleichsam denkbar, die durch die externe Lasteinwirkung in der Struktur hervorgerufene Strukturdeformation mit Hilfe eines getrennt von der Struktur vorgesehenen Sensorsystems, beispielsweise einer Kameraeinheit zu erfassen. Notwendigerweise ist es jedoch erforderlich, den wenigstens einen Aktor zur Beeinflussung des Beanspruchungszustandes der technischen Struktur innerhalb der Struktur vorzugsweise strukturkonform zu integrieren oder an einem entsprechend ausgewählten Oberflächenbereich an der Struktur zu applizieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a bis d schematisierte Darstellung zur Motivierung des lösungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2a, b schematisierte Darstellung des lösungsgemäßen Prinzips an einer Biegewelle,
Fig. 3 schematisierte Darstellung eines plattenförmigen Bauteiles mit geschwächtem Strukturbereich,
Fig. 4 a, b schematisierte Darstellung eines integrierten Bauteiles, sowie
Fig. 5 a, b schematisierte Darstellung des lösungsgemäßen Verfahrens an einer auf zwei Festlager aufliegenden Platte.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1a stellt stark schematisiert die Aufhängungspunkte 1 , 2, 3 eines Dreieckslenkers eines Automobils dar, an dessen Aufhängungspunkt 1 das Rad R des Automobils montiert ist und dessen Aufhängungspunkte 2 und 3 karosserieseitig angeordnet sind. Längs der Verbindungsstreben S1 , S2, S3 wirken lastbedingt entsprechende Zug- oder Druckspannungen OD, σz. Zur konstruktiven Auslegung des Dreieckslenkers sind das Fahrzeuggewicht, Straßenreaktionskräfte sowie fahrmanöverbedingte Kurzzeitbelastungen zu berücksichtigen, die maßgeblich zur Dimensionierung der Struktur heranzuziehen sind. Hierbei sind insbesondere auch selten auftretende Sonderlasten σs bewertet zu berücksichtigen (siehe das Kraft- Zeitdiagramm F(t)/t-Diagramm gemäß Figur 1 b), die durch den Dreieckslenker ebenfalls sicher abzufangen sind. Derartige Sonderlasten führen letztlich dazu, dass die in Betracht zu ziehende Struktur in Form des dargestellten Dreieckslenkers für die meiste Zeit vollständig überdimensioniert ausgelegt ist. Normalerweise würde es ausreichen, würde man auf die Einwirkung von Sonderlasten verzichten, die Struktur entsprechend einer üblicherweise auftretenden Maximalbelastung σmax auszulegen, wie dies das Kraftzeitdiagramm gemäß Figur 1 b wiedergibt. Da es sich jedoch im Falle des Dreieckslenkers um ein Sicherheitsbauteil handelt, müssen bei derartigen Bauteilen bzw. Strukturen entsprechende Sonderbelastungen berücksichtigt werden, was letztlich zu der vorstehend genannten Überdimensionierung der Strukturauslegung führt.
So sei beispielsweise angenommen, dass das Automobil über ein Schlagloch fährt, wodurch eine vertikal nach oben gerichtete Kraft F1 über das Rad R auf das Lager 1 einwirkt. Eine derartige Schlaglochdurchfahrt führt demzufolge zu einer großen
Druckspannung σo längs der Verbindungstrebe S2, wohingegen die anderen beiden Streben S1 und S3 nahezu spannungsfrei bleiben.
Figur 1c zeigt ein schematisiertes Ausführungsbeispiel eines Dreieckslenkers, dessen Verbindungsstreben S1 und S3 längs ihrer Längserstreckung jeweils geteilt ausgebildet sind, wobei jeweils eine Hälfte der jeweiligen Verbindungsstreben SV, S3' durch die Aktorelemente A1 und A2 drehbar bzw. schwenkbar gelagert sind und einen zur Verstärkung der Verbindungsstrebe S2 parallel zu dieser verlaufenden Schwenkzustand einnehmen können. Durch entsprechende Aktivierung der Aktoren A1 und A2 kann durch Anlegen der Verbindungsstrebenhälften SV und S3' längs der Verbindungsstrebe S2 die mechanische Beanspruchbarkeit der Verbindungsstrebe S2 kurzzeitig verstärkt werden, um der kurzzeitig auftretenden Sonderlast σs schadlos zu widerstehen.
Die Aktorelemente A1 und A2 sind vorzugsweise als Energiewandlersysteme ausgebildet, die es vermögen, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln bzw. umgekehrt durch elektrische Aktivierung elektromechanische Arbeit zu verrichten. Auch ist es denkbar, durch entsprechende Energiewandlung der Struktur mechanische Energie zu entziehen und diese zu dissipieren, beispielsweise durch Umwandlung in Wärmeenergie in einer angeschlossenen elektrischen Schaltung. Eine weitere Variante zum Betreiben eines Aktors wäre die Gewinnung elektrischer Energie durch entsprechende Wandlung, wodurch dem System Energie entzogen wird.
Ebenso ist denkbar, dass der Aktor eine Querschnittsveränderung der technischen Struktur mit dem Ziel der Erhöhung der Flächenträgheitseigenschaften und damit der Beanspruchbarkeit bewirkt. So kann eine biegebelastete Struktur, bspw. in Form eines Rohrs R, gemäß Figur 1d durch eine Querschnittsänderung von einem kreisrunden (I) auf einen elliptischen (II) Querschnitt, dies entweder mit dem Ziel der Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes, indem die größte Halbachse des elliptischen Querschnittes in Richtung der einwirkenden Last L orientiert ist, oder mit dem Ziel der Erhöhung der Nachgiebigkeit der Struktur, in dem die größte Halbachse
des elliptischen Querschnittes quer zur einwirkenden Last L, verändert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Kontrolle des Innendrucks der Struktur erfolgen. Wird hierfür ein elektrorheologisches oder ein magnetorheologisches Fluid verwendet, kann zudem eine aktiv gesteuert Dämpfung eingebracht werden.
Figur 2 zeigt stark schematisiert eine Biegewelle B, wie sie beispielsweise in Druckmaschinen oder bei Eisenbahnrädern als Drehachse eingesetzt wird. Im Belastungsfall gemäß Figur 2b wirken die dargestellten Kräfte F an den angegebenen Lasteinlenkungsbereichen, die letztlich zu einer Durchbiegung der Biegewelle B führen und eine Zugspannung σβ innerhalb der Biegewelle B induzieren. Sieht man lösungsgemäß innerhalb der Biegewelle B zwei Aktoren A1 und A2 vor, beispielsweise jeweils in Art von Piezoaktoren, so können durch Aktivierung der Aktoren zusätzliche Kraftmomente in die Biegewelle B eingeleitet werden, durch die die durch äußere Kraft- bzw. Lasteinwirkung hervorgerufene Durchbiegung der Biegewelle B kompensiert werden kann, so dass keinerlei die Biegewelle B belastende Zugspannungen σβ auftreten. Die aktivierbaren Aktoren A1 und A2 vermögen somit die extern auf die Biegewelle B einwirkende Last in weniger kritische Bereiche umzuleiten, so dass man in diesem Falle von einer aktorisch kontrollierten Lastumleitung sprechen kann. Eine derartige Aktoranordnung eignet sich bevorzugt zur Minderung von kurzzeitig auftretenden Laststößen und hilft letztlich dazu, auf eine konventionelle strukturell erforderliche Überdimensionierung der Biegewelle zu verzichten.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine gezielte und kontrollierte Lastumlenkung L innerhalb einer plattenförmig ausgebildeten Struktur P zur Vermeidung einer Überbeanspruchung eines Riss-beaufschlagten Strukturbereiches SR. Erwartungsgemäß wird die Struktur P bei bestimmten Beanspruchungen im Bereich dieser Schwachstelle SR ohne zusätzliche Maßnahmen ermüden und zu reißen beginnen. Um dies zu vermeiden sind ein Sensor SE zur Detektion lokaler Deformationen innerhalb der Struktur P im Bereich SR sowie zur aktiven Lastumlenkung vier Flächenaktoren A1 bis A4 vorgesehen, die eine externe
Lasteinwirkung L in die Struktur P durch entsprechende Versteifung um die strukturelle Schwachstelle SR herum zu leiten vermögen.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist in Figur 4a und b dargestellt, bei dem es gilt, ein großflächiges Hautfeld H, wie es beispielsweise als Außenwandbeplankung bei Flugzeugen eingesetzt wird, flächig zu versteifen. Hierzu werden sogenannte Stringerelemente S eingesetzt, die längs ihrer gesamten Erstreckung eine körperliche Verbindung des Hautfeldes H mit einer nicht weiter dargestellten Unterkonstruktion herstellen. Das lösungsgemäße Prinzip ermöglicht es nun, das Stringerelement S reduziert auszubilden, in Form jeweils zweier Stringerelementanlenkungspunkte SA1 und SA2, die mit einem Aktor A zur kurzzeitigen gegenseitigen Versteifung verbunden sind. Die Aktivierung des Aktors A erfolgt lediglich in den Fällen, in denen ein Überbeanspruchungszustand detektiert wird. Es sei angenommen, dass der Aktor A zugleich auch über sensorische Funktionseigenschaften verfügt.
In Figur 5 ist der Fall einer belasteten Platte P dargestellt, die auf zwei Auflagerpunkten aufliegt. Durch Krafteinwirkung F auf die Platte P wird gleichsam dem Fall in Figur 2 eine Biegespannung σB induziert, die lösungsgemäß unter Verwendung eines Aktors A gemäß der in Figur 4b dargestellten Anordnung kompensiert wird. Der Aktor A wird in jenem Bereich der Platte P integriert, die im Normalfall maximal durchbogen wird. Hierzu sieht die Platte P eine entsprechende Ausnehmung auf, in der ein aus Formgedächtnismaterial oder aus einer Piezokeramik bestehende Aktor A integriert ist.