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Kopplung realer und virtueller Instanzen mittels struktureller Zustandsüberwachung zur Entwicklung digitaler Zwillinge = Coupling real and virtual instances via structural health monitoring to develop digital twins
2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Druckausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-24
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-04705
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1034425/files/1034425.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IoT (frei) ; Strukturmechanik (frei) ; digitaler Zwilling (frei) ; structural health monitoring (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Digitalisierung revolutioniert technische Systeme und verändert grundlegend, wie diese entworfen, betrieben und überwacht werden. Ein zentraler Aspekt ist der Digitale Zwilling, häufig definiert als eine virtuelle Repräsentation eines realen Objekts, Prozesses oder Systems, die kontinuierlich mit ihrem physischen Gegenstück verbunden ist. In der Strukturmechanik kann er als Werkzeug zur Abbildung, Überwachung und Optimierung von Strukturen dienen. Die systematische Literaturrecherche zeigt jedoch, dass der Digitale Zwilling in der Strukturmechanik bisher häufig nur in individualisierten Insellösungen und Demonstratoren umgesetzt wird, häufig mit einem Schwerpunkt auf der Zustands- und Strukturüberwachung. Für eine nachhaltige Weiterentwicklung ist ein übergeordnetes Rahmenkonzept erforderlich, das standardisierte Methoden bereitstellt, Wiederverwendbarkeit fördert und den Technologiereifegrad steigert. Zudem muss das zentrale Element für die Kopplung realer und virtueller Instanzenweiterentwickelt werden, einschließlich der Definition klarer Kopplungsgrade und der Integration von Technologien wie Modellierung, Sensorik und IoT, sowie der Skalierung bisheriger Ansätze. Die zentrale Forschungshypothese dieser Arbeit lautet: SHM ist die notwendige Bedingung für die Kopplung von realen und virtuellen Instanzen und somit für die Erstellung eines Digitalen Zwillings für Strukturkomponenten im Betrieb. Die systematische Charakterisierung der Anforderungen an den Digitalen Zwilling über den gesamten Produktlebenszyklus liefert zwei Archetypen, die den Digitalen Zwilling in der Entwurfs- und Betriebsphase klassifizieren und die Bedeutung realer und virtueller Instanzen verdeutlichen. Darauf aufbauend wird SHM als zentrales Kopplungselement zwischen realen und virtuellen Instanzen erweitert, um Digitale Zwillings-Entitäten (DZE) für individuelle Strukturbauteile zu erzeugen. Die Validierung erfolgt anhand eines Kragarmbeispiels, das die Interaktion zwischen verschiedenen SHM-Ebenen sowie realen und virtuellen Strukturen demonstriert. Zusätzlich wird die Vernetzung der DZE über das Internet of Things (IoT) am Beispiel des Kragarms und der sogenannten DZ-Box verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen, dass SHM in dieser Funktion als „Enabler-Technologie“ einen entscheidenden Mehrwert für die Nutzung und Weiterentwicklung des Digitalen Zwillings in der Strukturmechanik bietet. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Lebensdauer, Betriebseffizienz und Optimierung von Strukturbauteilen.Digitalization is revolutionizing technical systems and fundamentally changing how they are designed, operated, and monitored. A key aspect of this transformation is the Digital Twin, often defined as a virtual representation of a real object, process, or system that is continuously connected to its physical counterpart. In structural mechanics, it can serve as a tool for representing, monitoring, and optimizing structures. However, systematic literature research reveals that Digital Twins in structural mechanics are often implemented as isolated, customized solutions or demonstrators, frequently focusing on condition and structural monitoring. For sustainable advancement, an overarching framework is required that provides standardized methods, promotes reusability, and increases the technological maturity of these solutions. Additionally, the central element for coupling real and virtual instances must be further developed. This includes defining clear coupling levels, integrating technologies such as modelling, sensors, and IoT, and scaling existing approaches. The central research hypothesis of this work is that SHM is a necessary condition for the coupling of real and virtual instances and, therefore, for creating a Digital Twin for structural components in operation. The systematic characterization of the requirements for Digital Twins throughout the entire product lifecycle identifies two archetypes, classifying Digital Twins in the design and operational phases and highlighting the significance of real and virtual instances. Building on this, SHM is extended as a central coupling element between real and virtual instances to enable the creation of Digital Twin Entities (DTE) for individual structural components. Validation is carried out using a cantilever beam example, demonstrating the interaction between different SHM levels as well as real and virtual structures. Additionally, the networking of DTEs via the Internet of Things (IoT) is illustrated using the cantilever beam and the so-called DZ-Box. The results confirm that SHM, in this role, acts as an enabler technology and provides significant added value for the application and further development of Digital Twins in structural mechanics. This opens up new possibilities for improving the lifespan, operational efficiency, and optimization of structural components.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT031475084
Interne Identnummern
RWTH-2026-04705
Datensatz-ID: 1034425
Beteiligte Länder
Germany
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