Um ihre Aussagekraft sicherzustellen, müssen Schwingungsvorhersagen mit hochwertigen Messdaten validiert werden. Darüber hinaus werden Messdaten benötigt um Modellparameter experimentell zu bestimmen oder daten-getriebene Modelle zu identifizieren.
Die derzeit gebräuchlichen Schwingungsmessverfahren basieren auf linearer Theorie. Nichtlineare Beziehungen zwischen Kraft- und Bewegungsgrößen haben eine Reihe von Ursachen wie nichtlineare kinematische Beziehungen (z.B. große Verformungen), nichtlineares Materialverhalten (z.B. Hyperelastizität, Plastizität), multi-physikalische Wechselwirkung (z.B. Strömung-Struktur-Interaktion) oder nichtlineare Randbedingungen (z.B. Reibung, Spiel). In Gegenwart von Nichlinearitäten liefern die gebräuchlichen Verfahren unbrauchbare Ergebnisse. Unsere Forschung beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung neuer Messverfahren, die auch für nichtlineares Verhalten geeignet sind.
Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Dämpfung, die fast immer stark nichtlineare Ursachen hat. Die Dämpfung bestimmt, wie groß Schwingungen im Resonanzfall werden, ob selbsterregte Schwingungen (z.B. Flattern) auftreten können und wie schnell einmal angestoßenen Schwingungen abklingen. Die reibungsbehafteten, inhärent nichtlinearen Kontaktvorgänge in mechanischen Verbindungen (Schrauben, Nieten etc.) sind verantwortlich für einen Großteil der Dämpfung in der Luft- und Raumfahrt.
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.
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 möglicher Zustände ermöglicht es, aussagekräftige Daten für Modellidentifikation und Validierung zu erhalten. Modernste Schwingungsmesstechnik und von uns entwickelte, auf Regelungstechnik basierende Methoden ermöglichen die Untersuchung hoch-komplizierter, nichtlinearer Schwingungen von Strukturen und technischen Systemen.
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. Auch hier nutzen wir Ansätze aus der Regelungstechnik um die unerwünschte Rückwirkung der zu untersuchenden Struktur auf das Anregungssystem zu beherrschen.
Experimentelle Schwingungsuntersuchungen an sehr großen Strukturen wie Windkraftanlagen sind mit extrem hohem Aufwand verbunden und in manchen Fällen praktisch unmöglich. Eine 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, 233, 112732. 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 Schwingungsanalyse"