Experimentelle Modalanalyse
DIE 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.
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
Diverse elektrodynamische Schwingungserreger unterschiedlicher Größe.
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
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.
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 ist eine Modalanalyse?
Die Modalanalyse ist eine Methode zur Bestimmung der strukturellen Eigenschaften eines Systems, insbesondere der Eigenfrequenzen und Modeformen. Sie wird verwendet, um die Schwingungscharakteristiken von Strukturen, wie zum Beispiel Gebäuden, Brücken oder Maschinen, zu untersuchen und 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, Vibrationen oder strukturelle Schwächen frühzeitig erkannt werden.
Wie wird eine Modalanalyse durchgeführt?
Eine Modalanalyse wird typischerweise durch die Anregung der Struktur mit einem externen Anregungssignal, wie zum Beispiel einem gezielten Stoß oder einer Schwingungsquelle, durchgeführt. Die Reaktion der Struktur wird mit Sensoren gemessen, die die Schwingungen an verschiedenen Punkten der Struktur erfassen. Die aufgezeichneten Daten werden dann analysiert, um die Eigenfrequenzen und Modeformen zu bestimmen.
Welche Informationen liefert eine Modalanalyse?
Eine Modalanalyse liefert Informationen über die Eigenfrequenzen, Dämpfungseigenschaften und Modenformen einer Struktur. Eigenfrequenzen sind die natürlichen Schwingungsfrequenzen einer Struktur, während Modeformen 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.
