Experimentelle Modalanalyse
Modalanalyse Messmethode
Bei großen komplexen Strukturen, wie Maschinen, Fahrzeugkomponenten oder Komplettfahrzeugen, bei denen die Aufnehmermasse keinen oder nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss auf das Messergebnis hat, werden zum Ermitteln des Schwingungsverhaltens Modalanalysen auf der Basis von Beschleunigungsaufnehmern durchgeführt.
Dabei wird die Struktur mit Aufnehmern bestückt, je nach Messsystem mit unterschiedlich vielen und mittels eines Shakers oder Impulshammer im zu untersuchenden Frequenzbereich angeregt. In Abhängigkeit der Aufgabenstellung wird am jeweiligen Messpunkt die Schwinggeschwindigkeit, die –beschleunigung oder der Schwingweg gemessen und softwareseitig zur Schwingform verrechnet. Die Schwingform zeigt sich als animierte Gitterdarstellung.
Modalanalyse Anwendungen
UNSER LEISTUNGSANGEBOT im Bereich Modalanalyse
Messaufbau
Konstruktion und Realisierung für die Untersuchungen geeigneter Messaufbauten
Messung dynamischer Eigenschaften
von Bauteilen, Baugruppen und Komplettsystemen bei synthetischer Anregung mittels Schwingungserreger (Shaker)
- Eigenfrequenzen
- Eigenformen
- Steifigkeiten
- Resonanzen
- Schwachstellen
Ableiten und Realisieren
von Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens mit dem Ziel einer Erhöhung der Zuverlässigkeit, des Schwingungskomforts und/oder der Verringerung der Geräuschabstrahlung
Abgleich von numerischen Modellen
(Finite Elemente Rechnungen) mit den messtechnisch in der Modalanalyse ermittelten Eigenfrequenzen und -formen (MAC- und COMAC- Kriterium)
Eingangsgrößen für numerische Simulationen
in Form von Eigenfrequenzen und Amplituden
Modalanalyse
UNSERE MESSTECHNIK
3-axiale Beschleunigungsaufnehmer
(z.T. miniaturisiert) für unterschiedlichste Anwendungen bis in den Bereich von 1000g und 160°C
Elektrodynamische Schwingungserreger
unterschiedlichster Anregungsgrößen
Impulshammer
zur Messung von Punktmobilitäten
BESTIMMEN DER MODALEN PARAMETER
Eigenfrequenzen
Natürliche Frequenzen einer Struktur oder eines Systems.
Schwingformen
Charakteristisches Schwingungsmuster bei einer bestimmten Eigenfrequenz.
Dämpfung
Allmähliche Abnahme der Schwingungsamplitude über die Zeit (Verringerung der Energie und Intensität der Schwingung).
Kurz erklärt
Was ist eine Modalanalyse?
Die experimentelle Modalanalyse ist ein Messverfahren, das mittels Beschleunigungssensoren im Ergebnis das Schwingungsverhalten einer mechanischen Struktur durch die modalen Parameter – Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenschwingungsform – beschreibt. Aus den Messergebnissen lassen sich Maßnahmen zur Schwingungsoptimierung ableiten, die schwingungs- und / oder lärmmindernd und im Fahrzeugbau komforterhöhend wirken.
Das dynamische Verhalten einer angeregten Struktur wird generell durch das Vorhandensein von Eigenschwingungen bestimmt. Diese Eigenschwingungen treten bei diskreten Frequenzen, den sogenannten Eigenfrequenzen auf. Im Rahmen einer Modalanalyse wird das dynamische Verhalten einer angeregten Struktur gemessen und analysiert und in ein modales Modell überführt. Die Basis des modalen Modells bilden die gemessenen Übertragungsfunktionen aus Anregungs- und Messsignal. Für deren Ermittlung wird die Struktur mit einem bekannten und messbaren Anregungsspektrum beaufschlagt und die resultierenden Systemantworten gemessen. Durch Auswertung der Übertragungsfunktionen werden die modalen Parameter zur analytischen Beschreibung der Struktur berechnet und im Ergebnis als Struktureigenschwingformen mit ihren Dämpfungen wiedergegeben.
Hinweise und Informationen zur Modalanalyse
WAHL DER SENSORIK/AnREGUNGSSIGNAL/ANREGUNGSORT
Im Allgemeinen werden für experimentelle Modalanalysen piezoelektrische Beschleunigungssensoren (einachsig bzw. triaxial messend) eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Dynamik (160 dB), einen großen Frequenzbereich bei guter Linearität (0,2 bis zu 10 kHz bei weniger als 5 % Linearitätsabweichung), einen einfachen und robusten Aufbau (keine beweglichen Teile) und ein geringes Gewicht aus.
Ob letztendlich ein Shaker oder Impulshammer verwendet werden sollte, hängt maßgeblich vom gewünschten Anregungssignal bzw. -spektrum und der Strukturgröße und -beschaffenheit ab. Der große Vorteil des Hammers ist der impulshafte und vergleichsweise hohe Krafteintrag. Während Shaker mit weißem Rauschen typischerweise im Bereich von 0,1N liegen, können mit dem Hammer, in Abhängigkeit des Materials der Spitze und einer verwendeten Zusatzmasse, Kräfte zwischen 100N-500N realisiert werden.
Der Anregungsort und die -richtung sind ausschlaggebend dafür, welche Moden angeregt werden und wie homogen die Anregung in der gesamten Struktur ist. Die Anregungspunkte sollten möglichst steif gewählt werden und in Antwortrichtung. Zudem muss bei den Anregungspunkten beachtet werden, dass die Struktur möglichst außerhalb der Symmetrieebenen angeregt wird.
FAQ
Was versteht man unter Modalanalyse?
Die Modalanalyse ist eine Methode zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften eines Systems, insbesondere der Eigenfrequenzen, Schwingformen und Dämpfungen. Sie wird verwendet, um die Schwingungscharakteristiken von Strukturen, wie zum Beispiel Gebäuden, Brücken oder Maschinen zu analysieren.
Warum ist eine Modalanalyse wichtig?
Eine Modalanalyse ist wichtig, um das dynamische Verhalten von Strukturen zu verstehen. Sie ermöglicht die Identifizierung der Eigenfrequenzen, bei denen eine Struktur besonders anfällig für Resonanzphänomene ist. Durch die Modalanalyse können potenzielle Probleme, wie unerwünschte Schwingungen oder strukturelle Schwachstellen frühzeitig erkannt und entsprechende Abhilfemaßnahmen erarbeitet werden.
Welche Informationen liefert eine Modalanalyse?
Eine Modalanalyse liefert Informationen über die Eigenfrequenzen, Dämpfungseigenschaften und Schwingformen einer Struktur. Eigenfrequenzen sind die natürlichen Schwingungsfrequenzen einer Struktur, während Schwingformen die räumlichen Muster der Schwingungen darstellen. Diese Informationen sind entscheidend, um das dynamische Verhalten der Struktur zu verstehen und mögliche Probleme zu identifizieren.
Wo wird die Modalanalyse angewendet?
Die Modalanalyse wird in verschiedenen Bereichen angewendet, wie beispielsweise im Bauwesen, der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau und der Fahrzeugindustrie. Sie wird eingesetzt, um die Schwingungs- und Resonanzphänomene in Strukturen zu untersuchen und zu optimieren. Die Ergebnisse einer Modalanalyse dienen zur Entwicklung von effektiven Schwingungsdämpfungsmaßnahmen, zur Verbesserung der strukturellen Integrität und zur Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen. Gerne werden die Ergebnisse zum Abgleich von FE-Modellen verwendet bzw. dienen als Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen.
Was sind Ergebnisse einer Modalanalyse?
Eines der wichtigsten Ergebnisse der experimentellen Modaltests sind die Frequenzgangfunktionen (FRF) zwischen dem Referenz-DOF und allen DOFs des Messgitters.
FRFs sind Messwerte, die die Beziehung zwischen der Antwortbewegung und der aufgebrachten Anregungskraft beschreiben und somit die grundlegenden Eigenschaften eines linearen Systems abbilden.
Für jede FFT-Frequenzkomponente erfolgt die Berechnung von FRF-Werten, wodurch Frequenzgangfunktionen über den gesamten gemessenen Frequenzbereich entstehen.
Was ist eine Experimentelle Modalanalyse (EMA)?
Die experimentelle Modalanalyse (EMA) erlaubt Tests sowohl vor Ort als auch in einem kontrollierten Laborumfeld. In einem Labor profitiert man von einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der Möglichkeit, die Testanordnung problemlos anzupassen.
Bei der EMA werden Objekte durch künstliche Kräfte angeregt. Es erfolgt die Messung sowohl der Eingangssignale (Anregungen) als auch der Ausgangssignale (Antworten), welche anschließend zur Erstellung der Modalmodelle herangezogen werden.
Wie erfolgt ein Modaltest?
In Abhängigkeit von der jeweiligen Prüfsituation besteht bei EMA-Tests die Möglichkeit, einen oder mehrere Modalanreger sowie einen oder mehrere Antwortsensoren zu nutzen. Nachfolgend wird ein Auszug von möglichen Einzel-Testkonfigurationen vorgestellt:
SISO-Testkonfiguration (Single Input, Single Output) – wandernder Impulshammer
Am Beispiel des Hammertest kann das bedeuten, dass lediglich ein Antwort-DOF (Design of freedom = Freiheitsgrad), also eine Position des Beschleunigungssensors, benötigt wird. Dabei fungiert das Beschleunigungssignal zeitgleich als Referenzsignal, während der Hammer zwischen den einzelnen Messpunkten (DOFs) hin- und her wandert.
SIMO-Testkonfiguration (Single Input, Multiple Output) – wandernder Beschleunigungssensoren/mehrere Beschleunigungssensoren
Der Schwingungsanreger (beispielsweise ein Hammer oder Shaker) dient als Referenz-DOF und bleibt an Ort und Stelle, während gleichzeitig ein oder mehrere Beschleunigungssensoren umpositioniert werden, bis sämtliche Messpunkte (DOFs) angeregt und erfasst sind.
Bei einigen Tests benötigt man Messungen mit mehreren Referenz-DOFs, besonders dann, wenn kein geeigneter gefunden werden kann, der alle Moden ausreichend darstellt. Ein Beispiel hierfür sind komplexe Strukturen mit unterschiedlichen Bestandteilen, die verschiedene strukturelle Eigenschaften besitzen und somit lokale Moden ausbilden.
Ein Multi-Referenz-Test wird ebenso notwendig, wenn das Testobjekt mehrere Moden mit gleicher Resonanzfrequenz zeigt, also benachbarte Moden.
