Parameteridentifikation auf Basis
faseroptisch gemessener
quasi-kontinuierlicher Dehnungssignale
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Andreas Künzel
geb. in Freiburg i. Br.
von der Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Frank U. Vogdt
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Yuri Petryna
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Michael Link
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 9.September 2016
Berlin 2016
Abstract
The present work introduces a strategic approach to extract essential structural
information from quasi-continuous strain data.
Distributed and quasi-continuous strain data acquisition are gaining increas-
ing attention in the field of experimental strain analysis and structural health
monitoring (SHM). Particularly distributed strain measurement by Rayleigh
OFDR technology offers high sensitivity and an outstanding spatial resolution,
which makes it an efficient tool for detection of discontinuities, such as cracks
or perturbations, appearing inside structural elements. Due to their small
scale, optical fiber sensors are also advantageous in terms of integration into
structures. The measurement technology used as well as aspects of application
and mechanics of the optical sensing fiber are presented in this work.
If SHM represents a comprehensive methodology for the assessment of struc-
tures, it is valuable to use the measurement data for more than pure inspec-
tion of the obtained signal. Linking measurement results to an appropriate
parametric structural model allows for deeper insight into the mechanisms of
damage and the extent of degradation and a better estimate of remaining
structural capacity.
In the present work, a procedure for parameter identification by a stepwise
approach is introduced. It is based on a parametric finite-element-model, which
allows for the prognosis of the effects of structural changes. In the first step,
global parameters contributing to the overall structural behavior are deter-
mined, while in the second step local parameters representing discontinuities,
e.g. manufacturing faults or damage, are identified. The procedure’s basic
principles as well as its development is shown in detail and the efficiency of
the approach is shown by means of a simulation example. Finally, the method
is applied to a more complex experimental setup, showing applicability and
efficiency of the proposed approach.
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit stellt einen strategischen Ansatz vor, mit dem aus
quasi-kontinuierlichen Dehnungssignalen essentielle Strukturinformationen ge-
wonnen werden.
Die verteilte Messung von Dehnungen mittels faseroptischer Sensoren ge-
winnt zunehmende Bedeutung im Bereich der experimentellen Strukturana-
lyse und des Structural Health Monitoring (SHM). Insbesondere die quasi-
kontinuierliche Erfassung von Dehnungssignalen auf der Basis des Rayleigh-
Rückstreueffektes bietet hohe Sensitivität bei gleichzeitig bisher nicht gekann-
ter räumlicher Auflösung. Des Weiteren lassen sich faseroptische Sensoren auf-
grund ihrer geringen Abmessungen vorteilhaft in Strukturelemente integrieren.
Dies macht die Technologie zu einem effizienten Werkzeug für die Detektion
von Diskontinuitäten wie z.B. Rissen oder Materialfehlern. Das eingesetzte
Messverfahren ebenso wie Aspekte der Applikation und Mechanik faseropti-
scher Sensoren werden in der vorliegenden Arbeit erörtert.
Wird SHM als umfassende Methodik zur Bewertung des Zustands einer
Struktur verstanden, die nicht nur Hinweise auf das Vorhandensein von Ver-
änderungen oder Fehlern liefern soll, sondern auch deren Ursachen, so ist die
Kopplung mit einem parametrischen Modell der Struktur notwendig. Dieses
erlaubt Einblick in die durch Schädigung oder initiale Defekte ausgelösten Me-
chanismen und bietet dadurch eine Basis für die Prognose der verbleibenden
Tragfähigkeit und Lebensdauer.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, das in zwei Stu-
fen die strukturellen Parameter eines Modells anhand von quasi-kontinuier-
lichen, statischen Messsignalen identifiziert. Ausgehend von der Separation des
Parameterraums in globale und lokale Variable werden in der ersten Stufe Pa-
rameter identifiziert, die zur globalen Strukturantwort beitragen. Ergebnis ist
ein praktisch ungestörter Referenzzustand. Im zweiten Schritt werden iterativ
Parameter bestimmt, die lokale Diskontinuitäten beschreiben.
Das Stufenverfahren wurde in einem Simulationsbeispiel erprobt, wobei be-
sondere Aufmerksamkeit der Qualifikation geeigneter Optimierungsalgorith-
men in Hinsicht auf Einsetzbarkeit und Effizienz gewidmet wurde. Die Leis-
tungsfähigkeit des Verfahrens wurde schließlich an einem komplexeren experi-
mentellen Aufbau belegt, wobei relevante Parameter definierter Fehlstellen in
dem eingesetzten Probekörper identifiziert wurden.
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