Um ihre Aussagekraft sicherzustellen, müssen Schwingungsvorhersagen mit hochwertigen Messdaten validiert werden. Darüber hinaus werden Messdaten auch benötigt um Modellparameter experimentell zu bestimmen oder daten-getriebene Modelle zu identifizieren.
In Gegenwart von Nichtlinearitäten liefern die derzeit gebräuchlichen Messverfahren unbrauchbare Ergebnisse. Daher werden dringend neue Messverfahren benötigt, die nichtlineare Effekte berücksichtigen. Unsere Forschung beschäftigt sich genau mit der Entwicklung und Anwendung dieser neuen Messverfahren.
Am ILA entwickeln wir die Theorie der Messverfahren und setzen sie prototypisch in unserem Schwingungslabor um. Zusammen mit unseren Industriepartnern untersuchen wir den industriellen Nutzen der Verfahren und schlagen die Brücke zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung.
Unsere Grundlagenforschung ist in verschiedenen Bereichen des Ingenieurwesens und in Strukturen unterschiedlicher Größe anwendbar, von Flugzeugen zu Windturbinen bis hin zu mikroelektromechanischen Sensoren (MEMS). Wir leisten damit einen wichtigen Beitrag um Strukturen und Maschinen leicht und ressourcenschonend zu bauen und gleichzeitig einen sicheren und ungestörten Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht es unsere Forschung, neue Technologien zu entwickeln, die Nichtlinearitäten gezielt nutzen, um eine noch nie dagewesene Wirksamkeit zu erzielen.
In den meisten nichtlinearen Schwingungsversuchen ist es aufgrund der unerwünschten Wechselwirkung zwischen Anreger („Shaker“) und untersuchter Struktur (Prüfling) zwingend erforderlich, das Anregungssignal während des Versuchs zu regeln. Wir verwenden daher Regelungskonzepte wie die Phasenregelschleife oder die regelungs-basierte Pfadverfolgung um die komplexe Dynamik der Prüflinge messbar zu machen. Eine Besonderheit nichtlinearer Systeme ist es, dass für dieselben Anregungsbedingungen (z.B. Frequenz und Amplitude einer sinusförmigen Anregungskraft) mehrere Schwingungszustände möglich sind. Diese Zustände können auch isoliert auftreten, d.h. völlig losgelöst vom quasi-linearen Verhalten bei niedrigen Amplituden. Erst die Vermessung aller koexistierender Zustände ermöglicht es, aussagekräftige Daten für Modellidentifikation und Validierung zu erhalten.
Resonanznahe, nichtlineare Schwingungen können mit dem Konzept der nichtlinearen Moden beschrieben und vorhergesagt werden. Von großer Bedeutung ist hier vor allem die genaue Kenntnis der Dämpfung, da diese bestimmt, wie groß die Amplituden im Resonanzfall werden. Mit unserem Messverfahren können die amplitudenabhängige Dämpfung, Eigenfrequenz und Schwingungsformen präzise und robust bestimmt werden.
Experimentelle Schwingungsuntersuchungen an sehr großen Strukturen wie Windkraftanlagen sind mit sehr großem Aufwand verbunden und in manchen Fällen praktisch unmöglich. Ein interessante Alternative ist es, daten-getriebene Modelle der Teilstrukturen zu identifizieren und das Schwingungsverhalten der Gesamtstruktur mittels der Substrukturtechnik vorherzusagen. Aber auch hier vernachlässigen gebräuchliche Verfahren Nichtlinearitäten. Wir erforschen neuartige Ansätze der Substrukturtechnik mit nichtlinearen, experimentell identifizierten Modellen.
Kurzvideo zum Forschungsbereich
Frau Dr.-Ing. Maren Scheel erläutert Forschung im Bereich Strukturmechanik anlässlich des Bertha-Benz-Preises für Ihre Dissertation.
Veröffentlichungen (Auswahl)
- Hippold, P., Kleyman, G., Woiwode, L., Wei, T., Müller, F., Schwingshackl, C., Scheel, M., Tatzko, S., & Krack, M. (2025). An iteration-free approach to excitation harmonization. Mechanical Systems and Signal Processing. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2025.112732
- Krack, M., Brake, M., Schwingshackl, C., Gross, J., Hippold, P., Lasen, M., Dini, D., Salles, L., Matt, Shetty, D., Payne, C. A., Willner, K., Lengger, M., Khan, M., Ortiz, J., Najera-Flores, D., Kuether, R. J., Miles, P., Xu, C., et al. (2025). The Tribomechadynamics Research Challenge: Confronting blind predictions for the linear and nonlinear dynamics of a thin-walled jointed structure with measurement results. Mechanical Systems and Signal Processing. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.112016
- Hippold, P., Scheel, M., Renson, L., & Krack, M. (2024). Robust and fast backbone tracking via phase-locked loops. Mechanical Systems and Signal Processing. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111670
- Woiwode, L., & Krack, M. (2024). Experimentally uncovering isolas via backbone tracking. Journal of Structural Dynamics. https://doi.org/10.25518/2684-6500.180
- Bhattu, A., Hermann, S., Jamia, N., Müller, F., Scheel, M., Schwingshackl, C., Özgüven, H. N., & Krack, M. (2024). Experimental analysis of the TRC benchmark system. Journal of Structural Dynamics. https://doi.org/10.25518/2684-6500.206
- Müller, F., Woiwode, L., Gross, J., Scheel, M., & Krack, M. (2022). Nonlinear damping quantification from phase-resonant tests under base excitation. Mechanical Systems and Signal Processing, 177, 109170. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109170
- Schwarz, S., Kohlmann, L., Hartung, A., Gross, J., Scheel, M., & Krack, M. (2020). Validation of a Turbine Blade Component Test With Frictional Contacts by Phase-Locked-Loop and Force-Controlled Measurements. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 142, Article 5. https://doi.org/10.1115/1.4044772
- Scheel, M., Weigele, T., & Krack, M. (2020). Challenging an experimental nonlinear modal analysis method with a new strongly friction-damped structure. Journal of Sound and Vibration, 485, 115580. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115580
- Scheel, M., Peter, S., Leine, R. I., & Krack, M. (2018). A phase resonance approach for modal testing of structures with nonlinear dissipation. Journal of Sound and Vibration, 435, 56–73. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.07.010
Maren Scheel
Dr.-Ing.Gruppenleiterin „Experimentelle Methoden“ im Bereich Strukturmechanik