Strukturdynamik

Alle Strukturen sind physikalischen Kräften unterworfen, die ihr Leistungsverhalten beeinflussen. Sie müssen ausreichend robust sein – eine kostenaufwendige Überdimensionierung soll jedoch vermieden werden.

Alle Strukturen, ob groß oder klein, sind physikalischen Kräften unterworfen, die ihr Leistungsverhalten beeinflussen. Vom Blatt einer Offshore-Windturbine, das vom Sturm gerüttelt wird, bis hin zum Ingenieurbauwerk, das sich unter dem Fußgängerverkehr verbiegt, stellen diese Kräfte die Integrität der Struktur auf die Probe. Natürlich müssen Strukturen ausreichend belastbar und stabil sein, eine Überdimensionierung kann jedoch ebenso unnötig wie kostspielig sein – insbesondere, wenn das Gewicht ein wichtiger Faktor ist. Manche Strukturen, wie z.B. Motorlager, dürfen auch nicht zu starr sein. Sie müssen Schwingungen absorbieren, um maximalen Komfort zu bieten. Ingenieure müssen wissen, wie sich Strukturen unter Belastung verhalten, damit sie Konstruktionen optimieren, die strukturelle Integrität überwachen und die Leistung maximieren können.

Strukturanalyse

Um das Verhalten einer Struktur zu verstehen, müssen wir analysieren, wie sie auf Kräfte reagiert. Durch das Anregen der Struktur mit einem Hammer oder einem elektrodynamischen Schwingerreger und die Messung der Strukturantwort mit Beschleunigungsaufnehmern können ihre Moden und Eigenfrequenzen beschrieben werden. Techniken wie Operational-Modalanalyse (OMA) und Betriebsschwingformanalyse (ODS) werden an der im Betrieb befindlichen Struktur ausgeführt und ergeben ein realistisches Bild ohne künstliche Anregung.

Import von Finite-Element-Modellen

Da Strukturen häufig mithilfe von Finite-Element-Modellen (FE) entworfen werden, ist ein reibungsloser Datenaustausch von großem Nutzen. Durch den Import detaillierter FE-Designmodelle können Sie einfachere Prüfmodelle erstellen, die sehr genau sind. Dies hilft Ihnen dabei, Beschleunigungsaufnehmer an den geeignetsten Stellen anzubringen, um die besten Ergebnisse zu erhalten. Mit FE-Modellierprogrammen lässt sich das Strukturverhalten eines Produkts vorhersagen und simulieren. Zur Validierung müssen jedoch Vergleiche mit realen Daten durchgeführt werden. Ein wichtiger Schritt der Strukturprüfung besteht deshalb darin, die Prüfdaten auf möglichst einfache Weise in FE-Modelle zurück zu importieren.

Die Betriebsschwingformanalyse (Operating Deflection Shapes - ODS) ist eine sehr vielseitige Anwendung zur Bestimmung der Schwingungsmuster von Maschinen und Strukturen unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Die Schwingungsmuster werden als animierte geometrische Modelle der Struktur angezeigt, die eine Kombination aus der Anregungsfunktion und den dynamischen Eigenschaften der Struktur darstellen.

Die Anregungsfunktion hängt von den Betriebsbedingungen ab, die bei Maschinen durch Faktoren wie Motordrehzahl, Last, Druck, Temperatur und Durchfluss beeinflusst werden kann. Auf Bauwerksstrukturen können auch Kräfte aus der Umwelt wie Wind, Wellen und Straßenverkehr einwirken.
Die ODS-Analyse lässt sich in drei Typen einteilen – Zeitbereichs-ODS, Spektral-ODS und Hochlauf/Auslauf-ODS.

Die skalierbaren ODS-Systeme von Brüel & Kjær führen den Anwender durch die Einrichtung, Messung, Validierung und Animation der einzelnen ODS-Typen und ermöglichen Analysen in Echtzeit oder bei der Nachverarbeitung von Zeitverläufen.

Systemvorschlag 

Operating Deflection Shapes Test Consultant™ (ODSTC) integriert die PULSE Multianalysator-Plattform in eine effiziente, komplette Prüflösung einschließlich Sensorik und Zubehör.

> Structural Dynamic Test Consultants

> Miniatur CCLD Beschleunigungsaufnehmer Typ - 4507

> Miniatur DeltaTron Beschleunigungsaufnehmer Typ - 4508

> Triaxialer Miniatur CCLD Beschleunigungsaufnehmer Typ - 4524

> Triaxialer Miniatur CCLD Beschleunigungsaufnehmer mit TEDS - Typ 4524-B

> CCLD Laser-Tachometer-Sensor - Typ MM-0360 (Produktdatenblatt)

Die klassische Modalanalyse ergibt ein Modell des dynamischen Verhaltens einer Struktur, indem man die Struktur mit messbaren Kräften anregt und den Quotienten aus Antwort und Anregung bestimmt.

Die Spannweite der klassischen Modalanalyse reicht von einfachen Mobilitätstests mit Impulshämmern bis zur Prüfung umfangreicher Strukturen mit mehreren Schwingerregern. Die Ergebnisse werden in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, wie z.B. Fehlersuche und -diagnose, Benchmarking, Simulationsstudien und Designoptimierung.

Unsere Lösungen für die Modalanalyse führen Sie in einfachen, intuitiven Schritten durch die komplette Einrichtung, Messung und Analyse. Sie erhalten präzise und zuverlässige Ergebnisse auch in schwierigen Situationen mit einer gezielten Auswahl von „Best-in-Class“ Methoden zur Modalparameterbestimmung und Bewertungstools. Unsere Lösungen können auch erweitert werden und mit Ihren Anforderungen wachsen.

Systemvorschlag

Unsere PULSE-basierten Lösungen für die klassische Modalanalyse decken die gesamte Mess- und Analysekette ab, einschließlich Beschleunigungs- und Kraftaufnehmer, Impulshämmer, Modalerregersysteme, LAN-XI Datenerfassungshardware und PULSE Reflex Software für die Messung, Analyse und Integration von Test-FEA.

University of Windsor, Canada - Reflex Modalanalyse (Fallstudie)

So ermitteln Sie die Modalparameter einfacher Strukturen (Application Note)

Modalanalyse mit Multireferenz- und Multiple-Input-, Multiple-Output-Techniken (Application Note)

Strukturen prüfen - Teil 1 (Broschüre)

Strukturen prüfen - Teil 2 (Broschüre)

Classical modal analysis
> PULSE Reflex Messungen

> PULSE Reflex Modalanalyse

> PULSE Reflex Erweiterte Modalanalyse

Bei der operativen Modalanalyse (OMA) werden nur die Antwortsignale einer schwingungsfähigen Struktur gemessen, während aus der Umwelt stammende oder mit dem Betrieb verbundene Kräfte als Erregersignale genutzt, aber nicht gemessen werden. OMA wird anstelle der klassischen Modalanalyse für die präzise modale Identifikation unter wirklichen Betriebsbedingungen verwendet und ist dort einsetzbar, wo eine künstliche Anregung der Struktur schwierig oder unmöglich ist. Viele Bauwerks- und mechanische Strukturen lassen sich aufgrund ihrer physischen Größe, Form oder ihres Standorts schwierig auf künstliche Weise anregen. Auf Bauwerksstrukturen wirken auch Kräfte aus der Umwelt ein, z.B. Wellengang auf Offshore-Strukturen, Wind auf Gebäude und Straßenverkehr auf Brücken, während mechanische Strukturen wie Flugzeuge, Fahrzeuge, Schiffe und Maschinen im Betrieb selbst erzeugte Schwingungen aufweisen. Bei der OMA werden diese Kräfte, die bei der klassischen Modalanalyse zu fehlerhaften Ergebnissen führen würden, als Eingangskräfte verwendet. Da OMA während des normalen Betriebs durchgeführt werden kann, werden Einrichtungszeiten verkürzt und Stillstandszeiten vermieden.

Systemvorschlag

Ein integriertes PULSE-basiertes Prüf- und Analysesystem verwendet die Software PULSE Modal Test Consultant™ für die geometrieorientierte Datenerfassung. Anschließend werden die Daten zur Analyse und Validierung an die Operational Modal Analysis Software übertragen. Für die optimale Lösung können Sie Produkte aus der kompletten Messkette von Brüel & Kjær wählen: Beschleunigungsaufnehmer, Impulshämmer, Kraftaufnehmer, Modalerregersysteme, LAN-XI Datenerfassungshardware sowie Mess- und Nachverarbeitungssoftware.

OMA-Systeme von Brüel & Kjær sind skalierbar – mit der Möglichkeit zur einfachen Erweiterung von Hard- und Software. Die Software ist in drei Versionen erhältlich – Light, Standard und Pro – die sich hauptsächlich durch die Anzahl der angebotenen Techniken unterscheiden.

Subraumalgorithmen in der modalen Parameterschätzung für die operative Modalanalyse: Perspektiven und Praktiken (Konferenzvortrag)

Parameterschätzalgorithmen in der operativen Modalanalyse: Ein Review (Konferenzvortrag)

Modal Appropriation basierte Methode zur operativen Modalanalyse (Konferenzvortrag)

Operative Modalanalyse an Windturbinenblättern (Fallstudie)

 

Virtuelle Simulationen beim Entwicklungsprozess von Flugzeugen haben einen dramatischen Aufschwung erlebt. Physikalische Prüfungen leisten jedoch weiterhin einen entscheidenden Beitrag zur Modellierung von Modellen und zum Verständnis der Struktureigenschaften neuer Materialien und Herstellungsprozesse. Standschwingungstests (Ground Vibration Testing - GVT) für Flugzeuge stellen eine wirtschaftliche Methode dar, um die Modalparameter und Modenformen einer Struktur zu bestimmen. Sie werden in der Regel in einer sehr späten Phase des Entwicklungsprozesses durchgeführt. Das Ergebnis wird verwendet, um das analytische Modell des Flugzeugs zu aktualisieren und die kritische Flattergeschwindigkeit vorauszuberechnen. Diese wiederum dient als Eingangsgröße für den Flattertest, um das Lufttüchtigkeitszeugnis zu erhalten und eventuelle strukturelle Schwächen zu erkennen, sowie dynamische Probleme bei der Flugsteuerung zu lösen.

GVT ist obligatorisch für neue Flugzeuge und für Flugzeuge, die modifiziert werden.

Systemvorschlag

Ein typisches GVT-System umfasst Schwingerreger, besondere Beschleunigungsaufnehmer für die Strukturanalyse und die LAN-XI Datenerfassungshardware. Die Nachverarbeitung erfolgt mit PULSE Reflex Modalanalyse-Software. Die Geometrie des Testmodells wird anhand eines Finite-Element-Modells (FE) des Prüfobjekts definiert. Das FE-Modell bildet auch die Grundlage für eine Voranalyse, um die Anregungs- und Antwort-DOFs (Degree-Of-Freedoms) und Zielmoden zu definieren.

Das System ist je nach Größe des Prüfobjekts skalierbar. Insbesondere bei großen Objekten kann die LAN-XI Datenerfassungshardware verteilt werden, um die Verkabelung zu minimieren.Ground vibration testing

> PULSE Modal Test Consultant

> PULSE Reflex Modalanalyse Typ 8721-A

> Modal-Schwingerreger Typ 4824

Piezoelektrischer CCLD Beschleunigungsaufnehmer Typ 4507-B

> LAN-XI Datenerfassungshardware

> Test for I-deas

Die Integration von Tests und Finite-Element-Analyse (FEA) ist eine Kerndisziplin der Strukturanalyse. Hiermit können Entwicklungskosten gesenkt, die Anzahl physischer Prototypen reduziert und die Zeit vom Konzept bis zur Produktion verkürzt werden – dank optimierter Teststrategien und verbesserter Finite-Element-Modelle (FE). Mit Hilfe von Baseline FE-Modellen können Sie Ihre Strukturprüfungen frühzeitig im Projekt optimieren und die FE-Modelle mit den nachfolgend verbesserten Resultaten verfeinern.

PULSE Reflex bietet leistungsfähige Tools, um zuverlässige Prüf- und Simulationsergebnisse zu erhalten und das technische Urteilsvermögen zu stärken – als Hilfe für Prüfingenieure, Analysten und Manager.

Systemvorschlag

PULSE Reflex bietet eine Plattform für Strukturmessungen bis hin zur Korrelation mit FE-Modellen.

FE-Modelle können von führenden FEA-Programmen wie Nastran® (MSC, NX, NEi), ANSYS® und ABAQUS® zwecks Versuchsplanung (Voranalyse) und Validierung in PULSE Reflex Modalanalyse importiert werden.

Mit PULSE Reflex Korrelationsanalyse lässt sich eine komplette Korrelationsanalyse von zwei Modalmodellen ausführen, um Schwachpunkte von Modalprüfungen und eventuelle Bereiche mit unzureichender Qualität der Modellierung in FE-Modellen zu erkennen.

PULSE Reflex Strukturdynamiken (Broschüre)

PULSE Reflex Korrelationsanalyse und Finite Element Interfaces

> PULSE Reflex Modalanalyse

> PULSE Reflex Messungen

> Structural Dynamic Test Consultants, Modal Test Consultant und Operating Deflection Shapes Test Consultant

> Operative Modalanalyse

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