22.05.20 – Methodenentwicklung

Komplexe Systeme schwingungsoptimieren

Technische Systeme werden zunehmend komplexer, zugleich sollen sie immer leichter werden. Angesichts dieser Herausforderungen kann die schwingungstechnische Optimierung von leichtbauoptimierten Strukturen schnell so komplex werden, dass sie mit konventionellen Methoden nicht mehr beherrschbar ist. 

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Schwingungsmindernde Maßnahmen zur Optimierung technischer Systeme können zusammen mit künstlicher Intelligenz passgenau gelingen. © Fraunhofer LBF, Raapke

 
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Ablauf einer schwingungstechnischen Optimierung basierend auf evolutionären Algorithmen der künstlichen Intelligenz. © Fraunhofer LBF

 

Der Lösungsraum wird sehr groß und verschiedene schwingungstechnische Maßnahmen interagieren miteinander, was zu unerwarteten Effekten führen kann. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt daher neue Methoden zur schwingungstechnischen Optimierung komplexer Systeme. Sie basieren auf evolutionären Algorithmen und erlauben eine schnelle, automatisierte Lösungsfindung. Zugrunde liegt eine erweiterbare Bibliothek mit verschiedenen passiven, semiaktiven und aktiven Maßnahmen, die auch in Kombination zum Einsatz kommen können.

 Um störende oder prozesskritische Vibrationen zu vermeiden, werden oft schwingungstechnische Zusatzmaßnahmen wie Tilger oder Dämpfer eingesetzt. Gerade bei verteilten Systemen stoßen aber konventionelle Optimierungsmethoden aufgrund der Wechselwirkungen der verschiedenen Effekte an Grenzen. Die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF sind aufgrund langjähriger Erfahrung in der Lage, schwingungstechnische Probleme von der experimentellen oder numerischen Analyse bis zur Umsetzung geeigneter Maßnahmen zu lösen. Der Einsatz künstlicher Intelligenz bietet nun die Möglichkeit, noch schneller zu Lösungen zu gelangen. Unternehmen, die schwingungstechnische Probleme mit Vibrationen, Geräuschen oder Rütteln an Maschinen haben, können beim Fraunhofer LBF eine Komplettlösung erhalten.

Schwingungsreduktion an Werkzeugmaschinen

Wie dies gelingt, zeigt ein Anwendungsbeispiel: Bei Maschinen zur Bearbeitung von Großbauteilen hat die Werkstückmasse einen maßgeblichen Einfluss auf das dynamische Eigenverhalten der Maschine. Zur Vermeidung störender und die Bauteilqualität beeinflussender Vibrationen werden oft Neutralisatoren, Dämpfungskomponenten oder Tilger umgesetzt. Diese Maßnahmen müssen in der Regel genau auf die zu beruhigende Struktur beziehungsweise die Anregung abgestimmt werden. Ändert sich diese, beispielsweise durch Werkstücke unterschiedlicher Masse, muss eine Anpassung der Abstimmung erfolgen. Künstliche Intelligenz zusammen mit adaptiven schwingungstechnischen Maßnahmen kann dieser Herausforderung wirksam begegnen, wie die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF zeigen konnten.

 Ist eine Maschine mit einer Anzahl von schwingungstechnischen Maßnahmen ausgestattet, beispielsweise adaptiven Tilgern oder Maschinenlagern, lassen sich mit einem reduzierten Modell der Maschine sowie der Kenntnis des zu bearbeitenden Werkstücks die vorgerüsteten Maßnahmen mit dem entwickelten KI-Algorithmus optimiert einstellen. So kann bereits ab dem ersten Werkstück eine hohe Bauteilqualität erreicht werden. Zur Realisierung einer automatisierten Einstellung schwingungstechnischer Maßnahmen hat das Fraunhofer LBF unterschiedliche adaptive Tilger und Maschinenlager ein- und zweidimensional umgesetzt. Die dreidimensionale Realisierung ist in Arbeit.

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)
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