Untersuchung der Dynamik schlanker Kontinua unter Einbeziehung neuartiger Regelkonzepte

Motivation

Die Dynamik schlanker Kontinua ist in der Mechanik seit längerer Zeit Thema intensiver Forschung. Durch die Besonderheit eines extrem kleinen Verhältnisses von Durchmesser zu Länge sind solche Strukturen meist verhältnismäßig torsionsweich. Beispiele für solche Strukturen sind lange Brücken, Antriebswellen großer Containerschiffe oder Bohrstränge. Im Besonderen bei Bohrsträngen können aufgrund der Komplexität der angreifenden Kräfte (nichtlineare Reibung, impulsartiges Losreißen des Bohrstrangs von der Wand) verschiedene Bewegungsformen beobachtet werden, wie z. B. stabiles Verhalten, aber auch selbsterregte Schwingungen wie Stick-Slip-Zyklen. Generell stellt die Regelung und Schwingungsdämpfung solcher Strukturen unter dem Einfluss unbekannter und zeitvarianter Störungen eine große Herausforderung dar.

Vorgehensweise

Das Systemverhalten eines Bohrstrangs wird unter Verwendung verschiedener Modelle am Computer numerisch simuliert. Außerdem steht ein Versuchsstand (Bohrstrang im Maßstab von ca. 1:200) zur Verfügung, an dem Experimente durchgeführt werden. Für die aktive Dämpfung von Torsionsschwingungen kommt ein wellenbasiertes Regelungsverfahren zum Einsatz, welches am Institut für Mechanik und Meerestechnik entwickelt wurde. Es ist im theoretischen Modell am Computer sowie im Versuchsstand implementiert und wird ständig weiter entwickelt. Die Effektivität dieses Verfahrens und dessen Robustheit gegenüber Diskontinuitäten entlang eines realen Bohrstrangs sind dabei von besonderem Interesse. Diese Diskontinuitäten entstehen durch die Verschraubung einzelner Rohrelemente und äußern sich in Form von Fügestellendämpfung sowie ungleichen Massen- und Steifigkeitsverteilungen. Außerdem wird das Regelungsverfahren mit anderen bestehenden Verfahren verglichen.

Publikationen

• E. Kreuzer and L. Krumm and M.-A. Pick and E. Solowjow and M. Steidl: Active Vibration Isolation via Decomposition of Traveling Waves. In Proc. of the 11th International Conference on Vibration Problems, Lisbon, Portugal, 2013.
• Kreuzer, Edwin and Krumm, Ludwig and Pick, Marc-André: Investigation of the Influence of Screw Connections in Drill-Strings on the Propagation of Torsional Waves With Respect to Advanced Stick-Slip Controllers. In OMAE2014 - Proceedings of the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, San Francisco, jun 2014.
• Kreuzer, Edwin and Krumm, Ludwig, Ecker, Horst and Steindl, Alois and Jakubek, Stefan: On the Internal Dynamics of Drill-String Assemblies. In ENOC 2014 - Proceedings of the 8th European Nonlinear Dynamics Conference, Jg. 2Vienna, jul 2014.