Projektbeschreibung
Als wissenschaftliches Ziel wird die Entwicklung und Validierung einer Methode zur Zustandsüberwachung von Schraubenverbindungen auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren angestrebt, mit klarem Schwerpunkt auf der zuverlässigen Detektion korrosionsbedingter Schädigungen.
Der praktische Mehrwert des Vorhabens liegt in der Bereitstellung eines kosteneffizienten, kontinuierlich arbeitenden und automatisierbaren Verfahrens zur frühzeitigen Identifikation versagensrelevanter Korrosionszustände, insbesondere an schwer zugänglichen oder sicherheitskritischen Bauteilen. Für die Überführung in die Praxis werden zudem konkrete, anwendungsorientierte Handlungsempfehlungen erarbeitet.
Das Vorhaben baut unmittelbar auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Projekte zur EMI-basierten Bestimmung der Vorspannkraft (IGF 20844) sowie zur Detektion von Rissbildung in Schraubenverbindungen (IGF 22867) auf. In beiden Projekten konnte die grundsätzliche Eignung elektromechanischer Impedanzspektren zur hochsensitiven Erfassung zustandsabhängiger Änderungen im strukturellen Verhalten nachgewiesen werden. Die dort entwickelten methodischen Ansätze und Auswerteverfahren bilden die Grundlage, um das Spektrum detektierbarer Schadensmechanismen nun gezielt um korrosionsbedingte Veränderungen zu erweitern.
Übergeordnetes Ziel ist die Realisierung einer „intelligenten Schraube“, die eine automatisierte und statistisch abgesicherte Überwachung ermöglicht. Die bisherigen Ergebnisse belegen die Tragfähigkeit des Ansatzes und schaffen eine belastbare Ausgangsbasis für die Übertragung auf das Schadensbild Korrosion.
Schwerpunkte des Projekts
Entwicklung und Qualifizierung einer Methode zur Vorspannkraftüberwachung an Schrauben auf der Grundlage elektromechanischer Impedanzspektren / Guided Waves.
Das Verfahren muss in der Lage sein:
-
versagensrelevante Schäden unter Berücksichtigung der "true positive rate" eines binären Klassifikators sicher zu erkennen (statistische Signifikanz) (Priorität 1), auch bei
-
variierenden Umgebungsbedingungen (Temperatur) (Priorität 2).
Alles auf einen Blick
-
Laufzeit
01.07.2026 - 30.06.2028 -
Forschungsbereich
Structural Health Monitoring, Korrosionsdetektion, Schrauben, elektromechanische Impedanzen, Ultraschall, Piezoelektrische Sensorik -
Finanzierung
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK): 252.635€ (Gesamt: 495.221 €) -
Projektpartner
Professur für Mechanik mit Schwerpunkt Schädigungsüberwachung (MSHM)
Forschungsmethoden & Vorgehen
FE-Voruntersuchungen
- Erstellung von FE-Modellen für Klein- und Großversuche
- Simulation von Korrosionsprozessen mit COMSOL Multiphysics (MEMS + Corrosion)
- Entwicklung eines Konzepts zur reproduzierbaren Korrosion der Proben
- Eingrenzung geeigneter Frequenzbereiche für die Schadensdetektion
- Durchführung von numerischen EMI-Simulationen
- Prognose der Entwicklung von Impedanzspektren bei unterschiedlichen Korrosionsgraden
- Sukzessive Kalibrierung und Modellaktualisierung (Model Updating)
- Bereitstellung der FE-Modelle als Grundlage für:
- Auswahl und Optimierung der Sensorik und Messstrategien
- Entwicklung des Korrosionskonzepts
- Identifikation versagensrelevanter Korrosionsparameter
- Entwicklung und Validierung von Temperaturkompensationsmodellen
- Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen
Sensorik | Messverfahren
- Definition der Messziele (Lokalisierung, Quantifizierung und Charakterisierung von Korrosion)
- Auswahl geeigneter PWAS-Sensoren (Material, Größe, Frequenzbereich, Empfindlichkeit)
- Entwicklung einer Sensorpositionierungsstrategie für Klein- und Großversuche
- Berücksichtigung von Korrosionshotspots und flächiger Sensorverteilung
- Entwicklung eines Messkonzepts für EMI- und Guided-Waves-Messungen
- Festlegung standardisierter Messparameter und Messprotokolle
- Frequenzbereiche
- Signalamplituden
- Impulsdauer
- Entwicklung eines Konzepts zur Signalvorverarbeitung und Datenfilterung
- Entwicklung eines Schutzkonzepts für Sensorik und Verkabelung
- Untersuchung der Langzeitstabilität und Robustheit (z. B. HASS-Tests)
- Durchführung einer Pilotstudie zur Optimierung von Sensorik und Messeinstellungen
- Kalibrierung und Validierung der Messverfahren hinsichtlich Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit
- Bereitstellung der optimierten Messstrategie als Grundlage für die anschließenden Klein- und Großversuche
Konzept Korrosion
- Konzepterstellung zur reproduzierbaren Korrosion der Proben
- Konzepterstellung zur quantitativen Erfassung der Korrosion (Rostgrade nach ISO 8501-1+2, Masseverlust, 3D-Scan,..)
- Einstellung der Korrosion
- Entwicklung geeigneter Methoden zum Schutz der Messtechnik
Experimentelle Erfassung Korrosion | FE-Simulation
- Identifikation versagensrelevanter Korrosionsparameter mittels numerischer Untersuchungen
- Verknüpfung von Korrosionszustand und Detektionswahrscheinlichkeit
- Entwicklung von Methoden zur quantitativen Erfassung des Korrosionszustands
- Visuelle Bewertung nach ISO 8501-1/-2 und DIN 55928
- Präzise Vermessung der Proben mit 3D-Scanner
- Entwicklung eines Messstands zur reproduzierbaren Messung an identischen Positionen
- Untersuchung der Querschnittsänderungen über alle Korrosionsstufen
- Bestimmung des Massenverlusts durch Korrosion mittels Hochpräzisionswaage (Kleinversuche)
- Ableitung versagensrelevanter Kenngrößen als Grundlage für die Schadensbewertung und Validierung der Detektionsverfahren
Experimente
- Durchführung von Kleinversuchen an Schrauben (z. B. M16, M20, M24)
- Untersuchungen bei zwei Temperaturniveaus (0 °C und 20 °C)
- Durchführung von Messungen für mehrere definierte Korrosionszustände
- Erfassung von:
- EMI-Spektren
- Guided-Waves-Messungen
- Messungen im ungeschädigten und korrodierten Zustand
- Reproduzierbare Temperierung der Probekörper vor jeder Messung
- Sukzessive Erhöhung des Korrosionsgrades mit Messungen nach jeder Korrosionsstufe
- Durchführung von Großversuchen an vorgespannten HV-Schrauben bei Raumtemperatur
- Untersuchung typischer Trägeranschlüsse (IH 3) unter unterschiedlichen Korrosionszuständen
- Baseline-Erfassung und Messungen nach jeder definierten Korrosionsstufe
- Durchführung der EMI- und Guided-Waves-Messungen mit geeigneter Messtechnik und MATLAB-Auswertung
- Bereitstellung eines umfassenden Datensatzes zur Bewertung und Validierung der Korrosionsdetektion
Korrosion
- Entwicklung von Methoden zur Merkmalsextraktion mittels maschinellem Lernen
- Bildung und Bewertung von Schädigungsindikatoren
- Auswertung der Messdaten aus Groß- und Kleinversuchen (MATLAB bei Kleinversuchen)
- Vergleich schadenssensitiver Merkmale für:
- Korrosionsdetektion
- Vorspannkraftverlust
- Rissdetektion
- EMI-Auswertung:
- Vergleich von Impedanz- und Admittanzspektren
- Berechnung von Schadensindikatoren (z. B. Kreuzkorrelation)
- Statistische Bewertung nach Military Handbook 1823
- Anwendung temperaturkompensierter Auswerteverfahren aus AP 2
- Guided-Waves-Auswertung:
- Analyse der Wellenlaufzeit (Time of Flight)
- Analyse der Signalenergie
- Berechnung von Schadensindikatoren
- Vergleich der Leistungsfähigkeit der Verfahren hinsichtlich der Korrosionsdetektion
Temperatur
- Methoden zur Temperaturkompensation
FE-Untersuchungen
- Parameterstudie (2 weitere lokale Korrosionsmechanismen (Spaltkorrosion, Lochfraßkorrosion))
- Erweiterung der Versuchsmatrix (weitere Schraubengrößen M12, M36 nach EN 14399)
Leitfaden Messung
Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen wird ein Leitfaden mit folgendem Inhalt erstellt:
- Grundlagen zur Ermittlung der Schraubensch.digung durch Korrosion auf Basis elektromechanischer
- Impedanzspektren (EMI) / auf Basis von GW-Messungen
- Durchführung von EMI-Messungen / Guided Waves-Messungen
- Auswertung der Messungen (Korrosion, Temperatureinflüsse)
Der Leitfaden beinhaltet eine Zusammenstellung der benötigten Aktoren / Sensoren und Geräte zur Durchführung der jeweiligen Messungen und gibt für unterschiedliche Sensorquantitäten Abschätzungen zu Kosten (Installation und Betrieb) an.
