Was ist ODS-Analyse?
Bei der ODS-Analyse geht es um die Bestimmung und Visualisierung der Schwingungsmuster von Strukturen unter Betriebsbedingungen. Diese Schwingungsmuster – auch Betriebsschwingformen genannt – werden mit verschiedenen Frequenzen, Ordnungen oder Zeitpunkten als animierte geometrische Modelle angezeigt, die das Schwingungsverhalten der Struktur darstellt, sowie in Schwingformentabellen für die verschiedenen Punkte und Richtungen (Freiheitsgraden - DOFs) auf dem geometrischen Modell aufgeführt. Die Schwingungswerte werden entweder als Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Weg mit Peak-, Peak-to-Peak- oder RMS-Skalierung und in SI- oder imperialen Einheiten angezeigt.
Die Betriebsbedingungen können beispielsweise durch die Drehzahl verschiedener Maschinenteile sowie Last, Druck und Durchfluss bestimmt sein, denen die Maschine oder Struktur ausgesetzt ist. Wechselnde Bedingungen führen zu unterschiedlichen Schwingungsmustern.
Die beobachteten Schwingungssignale enthalten eine Kombination aus der auf die Struktur einwirkenden externen Anregungsfunktion, intern erzeugten Kräften und den dynamischen Eigenschaften der Struktur, die durch ihre Modalparameter definiert werden. Bei den Resonanzen werden die Kräfte deutlich verstärkt, was zu großen Schwingungspegeln führt. Dies kann alle möglichen Auswirkungen haben, von Unbehagen beim Autofahren bis hin zu strukturellen Schäden mit katastrophalen Folgen wie dem Absturz von Flugzeugen und Einstürzen von Brücken. Daher ist die Bestimmung der Resonanzfrequenzen einer Struktur und deren Anregung durch diese Kräfte ein sehr typisches Anwendungsszenario für die ODS-Analyse.
In der ODS-Analyse beobachten wir die Ausgabe einer Struktur X i (ω) mit verschiedenen Freiheitsgraden. Die externen und internen Kräfte F(ω) und die Funktion des Frequenzgangs H(ω), die die dynamischen Eigenschaften der Struktur darstellen, werden nicht gemessen.
Die Messung der Schwingung und die Visualisierung der Betriebsschwingformen als Funktion der Zeit oder bei bestimmten Frequenzen oder Ordnungen liefert ein viel besseres Verständnis eines potenziellen Problems oder einer Konstruktionsüberlegung, als nur die Betrachtung gemessener Schwingungspegel. Und als solches hilft sie Ingenieuren, bessere Lösungen zu entwickeln. Daher ist die ODS-Analyse für viele Anwender oft der erste Schritt in die Strukturdynamik.
Anwendungsszenarien für die ODS-Analyse
Da nur die Ausgabe der Struktur gemessen wird, kann die ODS-Analyse an jeder beliebigen Struktur (linear oder nicht-linear) durchgeführt werden, mit Anregung durch jede Art von Signal (z. B. stationär, quasi-stationär oder nicht-stationär) und mit jeder Art von Randbedingungen (von frei bis fest). Daher ist die ODS-Analyse sehr anwenderfreundlich. Im Gegensatz zu Modaltests ist keine Analyse im Voraus erforderlich, um die richtigen Anregungssignale und Randbedingungen auszuwählen, und während der Messung erfolgt keine künstliche Anregung mit Impulshämmern oder Modalerregern. Da jedoch kein Modell wie bei Modaltests erstellt wird, können keine Vorhersagen über Schwingungsmuster bei anderen Bedingungen getroffen werden. Wenn sich also die Bedingungen ändern, müssen Sie erneut messen.
ODS-Analysen werden vielfältig eingesetzt. Von der Konstruktionsprüfung, dem Erstellen von Zielvorgaben und Benchmarking bis hin zur Fehlersuche, Qualitätskontrolle und Überwachung des Maschinenzustands. Typische Einsatzszenarien sind:
- Validierung von FEM-Vorhersagen aus Simulationen erzwungener Antworten durch Vergleich mit gemessenen ODS-Daten
- Vergleich von gemessenen Schall- und Schwingungswerten mit Referenzwerten
- Verhinderung der Anregung struktureller Resonanzen und des Auftretens kritischer Drehzahlen
- Bestimmung und Isolation von Körperschall- und Schwingungsphänomenen, die von drehenden bzw. feststehenden Teilen ausgehen
- In-Beziehung-Setzen von Schallabstrahlung und Strukturschwingungen
- Reduzierung von übermäßigen Geräuschen und Schwingungen
- Untersuchung von Maschinenverschleiß, der zum Beispiel zu Unwucht, Wellenversatz und Rasseln führt
- Analyse von transienten Phänomenen wie dem Zuschlagen von Türen, Explosionen, Starts und Zündung, mechanischen Impulsen durch Zusammenstöße oder Abstürze
- Analyse von Maschinen mit konstanter oder leicht variierender Geschwindigkeit
- Analyse nichtlinearer Systeme und Durchführung von Frequenzvariantenanalysen wie z. B. Hoch- und Runterlaufen von Motoren
- Überwachung von Bauwerken, die durch Umgebungskräfte belastet sind, wie Wellen auf Offshore-Strukturen, Windlast auf Gebäude und Verkehrsbelastungen auf Brücken
ODS-Analysetypen
Die ODS-Analyse wird in der Regel in drei Gruppen unterteilt:
- Zeitbereichs-ODS
Die Zeitbereichs-ODS wird verwendet, um das Schwingungsmuster einer Struktur als Funktion der Zeit zu untersuchen. Die Zeitbereichs-ODS umfasst alle Frequenzen im analysierten Frequenzbereich und ist sehr nützlich, um ein Gesamt-ODS zu einem bestimmten Zeitpunkt für stationäre oder nicht-stationäre Signale, wie z. B. transiente Signale, zu zeigen.
- Spektral -ODS Die Spektral-ODS wird verwendet, um das Schwingungsmuster einer Struktur auf bestimmte Frequenz- oder Ordnungsanteile hin zu untersuchen. Für die Untersuchung von Frequenzanteilen wird die FFT-Analyse verwendet und die Bedingungen müssen stationär sein. Bei Untersuchungen der Ordnungsanteile wird die Ordnungsanalyse eingesetzt, und die Bedingungen können quasi-stationär sein, zum Beispiel eine leicht variierende Motordrehzahl. Die Betriebsschwingformen verschiedener Spektralanteile werden anschließend extrahiert, in einer Schwingformentabelle dargestellt und animiert.
- Nicht-stationäre ODS Die Nicht-stationäre ODS wird verwendet, um das Schwingungsmuster einer Struktur für bestimmte Frequenz- oder Ordnungsanteile in Abhängigkeit von Drehzahl oder Zeit zu untersuchen. Die Ergebnisse basieren auf der FFT-Analyse oder der Ordnungsanalyse. Die Nicht-stationäre ODS ist sehr nützlich, um zu festzustellen, welches Schall- und Schwingungsverhalten mit drehenden und welches mit feststehenden Bauteilen laufender Maschinen zusammenhängt. Up/Down-ODS ist eine häufig verwendete Variante der Nicht-stationären ODS beispielsweise von Motoren.
BK Connect Zeitbereichs-ODS-Analyse eines Fahrzeugaufbaus. Ein Zeitbereich kann ausgewählt und durchlaufen werden, während die Schwingungsmuster animiert werden. Zum Überspringen von Proben kann ein Reduktionsfaktor angewendet werden. Die Schwingung mit den unterschiedlichen Freiheitsgraden kann zu einzelnen Zeitpunkten in einer Schwingformentabelle gespeichert werden.
Schwingformen werden durch Auswahl von Frequenzen/Ordnungen in den Spektren animiert und die Schwingungsmuster werden für einfaches Abrufen und Vergleichen in einer Schwingformentabelle dokumentiert. Die Schwingung mit den unterschiedlichen Freiheitsgraden kann als Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Weg mit Peak-, Peak-to-Peak- oder RMS-Skalierung angezeigt werden. Es können SI- oder imperiale Einheiten verwendet werden.
Instrumentierung für die ODS-Analyse
Da nur die Ausgabe der Struktur/Maschine gemessen wird, ist die Instrumentierung für die ODS-Analyse relativ einfach und kostengünstig. Sie besteht aus einem Datenerfassungssystem mit Hardware, Mess- und Analysesoftware, Referenzaufnehmern (in der Regel Beschleunigungssensoren) und möglicherweise einer Tachometersonde. Die Tachometersonde ist erforderlich, wenn Sie eine ODS-Analyse an Maschinen mit leicht variierenden Drehzahlen durchführen und eine Ordnungsanalyse erforderlich ist, um ein „Verschmieren“ der Frequenz zu vermeiden. Oder Sie könnten eine Tachometersonde benötigen, um Up/Down-Tests mit RPM-Tags zu beschriften, auch wenn keine Ordnungsanalyse durchgeführt wird.
Die Systeme für die ODS-Analyse reichen von einfachen 2-Kanal-Systemen mit wandernden Beschleunigungssensoren bis hin zu Systemen mit hunderten von Beschleunigungsaufnehmern für die Messung an komplexen Strukturen, bei denen alle Freiheitsgrade gleichzeitig gemessen werden.
und Hardware und Software zur Datenerfassung.
Da die gemessenen Schwingungen in einem ODS-Test oft unbekannt sind, ist es wichtig, besonders darauf zu achten, dass Überlasten und Bereichsunterschreitungen vermieden werden. Durch ständige Testläufe und entsprechende Änderungen der Eingangsdämpfungsglieder kann viel erreicht werden. Für eine höhere Effizienz und Datenqualität ist es jedoch am besten, ein Datenerfassungssystem mit einem hohen Dynamikbereich zu verwenden, das zu den eingesetzten Aufnehmern passt.
Zudem kann bei der Durchführung von ODS-Tests an großen Strukturen wie großen Maschinen, Schiffen, Zügen, Brücken und Gebäuden die Verkabelung eine gewaltige Aufgabe sein. Um die Verkabelungskosten zu senken, den Testaufbau zu vereinfachen und das Risiko von Fehlern zu vermeiden, kann es sehr vorteilhaft sein, verteilbare Datenerfassungshardware zu verwenden, die in der Nähe der Messstellen aufgestellt und entweder über einfache Standard-LAN-Kabel oder drahtlos angeschlossen werden kann.
Bei der Durchführung von ODS-Tests an großen Strukturen können die ersten Schwingungsmuster von Interesse bei ziemlich niedrigen Frequenzen nahe 0 Hz liegen. Folglich müssen sowohl die Hardware für die Datenerfassung als auch die Beschleunigungssensoren in diesen Fällen Messungen bis in den Gleichstrombereich unterstützen.
Auch für Beschleunigungsaufnehmer gelten viele der Anforderungen, die an andere Strukturtests wie Modaltests gestellt werden. Zu berücksichtigende Parameter reichen von Dynamikbereich, Frequenzbereich und Empfindlichkeit bis hin zu geringem Gewicht, um Überlast zu vermeiden, und eine einfache Montage mit Zubehör wie Clips und Sockel. Ebenso kann es spezifische Anforderungen wie hoher Temperaturbereich, hermetische Abdichtung, Robustheit usw. geben.
Lösungen von HBK
HBK bietet Komplettlösungen für alle drei Arten der ODS-Analyse – von Beschleunigungssensoren und Tachometersonden über Datenerfassungssysteme mit Hardware bis hin zu Mess- und Analysesoftware. Unsere Datenerfassungssysteme basieren auf unserer LAN-XI-Hardware, die entweder als einzelnes Front-End oder als verteilte Systeme konfiguriert werden kann, sowie auf unserer benutzerorientierten BK Connect-Software.
Die ODS-Analyse ist eine von mehreren komplementären Anwendungen innerhalb der Strukturdynamik. Darüber hinaus bietet HBK Komplettlösungen für die klassische Modalanalyse, operative Modalanalyse, Modellkorrelation, Strukturüberwachung und Impulsantwortanalyse an.
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