Validierung des Finite-Elemente-Modells: Simulationsmodell vs. Modaltest
Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle) können die Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduzieren, da sie per Computer-Simulation berechnet werden und weniger Prototypen erforderlich werden. Hauptsächliche Herausforderung bleibt, dass diese FE-Simulationsmodelle das Verhalten des realen Bauteils vorhersagen sollen. Kern der Finite-Elemente-Modell-Validierung besteht darin, die Simulationsergebnisse mittels echter Messdaten aus dem Experiment, der so genannten experimentellen Modalanalyse (Modaltest), zu validieren. In den meisten realen Fällen müssen FE-Modelle für ein validiertes Modell mit belastbaren experimentellen Daten abgeglichen werden, damit eine prognostizierte Bauteildynamik, Funktion und Schwingverhalten unter Last oder mit feinen Anpassungen auch zutrifft. Wenn das FE-Simulationsmodell nicht mit der experimentellen Realität übereinstimmt, reicht es nicht für Konstruktionszwecke aus.
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Typischer Versuchsaufbau für die Validierung von FE-Simulationsmodellen
Für experimentelle Schwingungsprüfungen als Gegenstück zum FE-Simulationsmodell müssen Messobjekte montiert und natürlich zum Schwingen angeregt werden. Die Probenanregung muss so gewählt werden, dass sie den relevanten Frequenzbereich abdeckt und an geeigneten Stellen erfolgt. Dieser Ansatz unterscheidet sich von der numerischen FE-Simulation, die nur die inhärenten Eigenschaften eines Prüflings berücksichtigt. Sie löst die Differentialgleichung der Bewegung für einen angenommenen Satz von Materialeigenschaften und weiteren Randbedingungen. Daher handelt es sich bei den Ergebnissen eines Versuchs streng genommen erst einmal nur um das Antwortverhalten des Prüflings auf eine bestimmte Anregung bei der jeweiligen Befestigung. Die Moden werden aus den experimentellen Ergebnissen durch ein Curve-Fitting-Verfahren extrahiert, das Teil des Postprocessing ist.
Validierung von FE-Modellen mittels Scanning Laser-Doppler-Vibrometrie
Kann ich den Testdaten vertrauen? Bei der Wahl des Aufbaus für Modaltests sollten die Randbedingungen des FE-Modells nachgebildet werden, um einen Vergleich von Finite-Elemente- und realen Messergebnissen zu ermöglichen. Die Parameter wie Frequenzbandbreite, Auswahl und Position der Messpunkte müssen der Aufgabe entsprechen. Massebeladung oder Versteifungseffekte sind zu vermeiden oder während des Modellierungsprozesses zu berücksichtigen. Licht als Sensor macht Scanning Laser-Doppler-Vibrometer zu einem idealen Messinstrument für die FE-Modellvalidierung. Die optische Messmethode bietet eine außergewöhnlich hohe örtliche Auflösung, da die Proben-Oberfläche softwaregesteuert, automatisch und vollkommen berührungslos abgetastet wird. Die animierten 2D/3D-Schwingformen bieten eine intuitive Visualisierung. Das reduziert Unklarheiten im nachfolgenden Validierungs- und Bewertungsprozess. Die resultierende höhere Anzahl von Messpunkten ermöglicht ein exakteres Curve Fitting im Post-Processing, wodurch lokale Parameterabweichungen wie lokale Dämpfung oder lokale Änderungen in der Massenverteilung besser erkennbar werden.
Phasen der Produktentwicklung
FE-Korrelation mit Simulationsmoden: Frequenz, Dämpfung und MAC Analyse
Zwei Parameter dienen wesentlich zum Vergleich von FE-Modell und Experiment: die Eigenwerte und Eigenvektoren, welche sich aus den Bewegungsdifferentialgleichungen im Modell ergeben. Sie entsprechen den Resonanzfrequenzen und Schwingformen eines experimentellen Versuchs. Der einfachste Ansatz besteht darin, die Frequenzen auf einer Seite gegenüberzustellen und die Eigenvektoren und Moden visuell zu vergleichen. Die Verwendung des Modal Assurance Criterion (MAC) zum Vergleich der Moden ist darüber hinaus ein gängiger Weg, um einen objektiveren und quantitativen Vergleich zu erhalten. Die MAC Analyse erfordert Eigenschwingungs- anstelle von Betriebsschwingformen (ODS) als Eingangsgröße. Diese werden durch ein Curve-Fitting-Verfahren als Teil des Postprocessing aus den Versuchsergebnissen extrahiert.
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Im Video: Warum FE-Modelle validieren mit Messdaten von Laservibrometern?
Für einfache Prüflinge, wie beispielsweise gegossene Metallplatten, können heutige FE-Modelle die Schwingungsmoden und Resonanzfrequenzen sehr genau vorhersagen, sofern die finiten Elemente denn sinnvoll gewählt sind. Mit der Komplexität der modellierten Stukturen wird auch die Vorhersage schwieriger. Sobald es mehrere Komponenten gibt, die miteinander verbunden sind, oder wenn diese aus Verbundwerkstoffen bestehen, fehlt den Simulationsergebnissen erst einmal die Genauigkeit. Daher müssen solche FE-Modelle anhand realer Versuchsaufbauten und Messdaten verifiziert werden. Wenn diese die experimentell erhobenen Daten im Rahmen der relevanten Betriebszustände korrekt vorhersagen, kann man das Modell als validiert bezeichnen. In den meisten realen Fällen allerdings müssen Finite-Elemente-Modelle anhand von Versuchsdaten überprüft werden, um ein validiertes Modell mit Aussagekraft zu erhalten, das anschließend zur Vorhersage der Bauteildynamik unter Last dient oder die Reaktion auf kleine Anpassungen richtig vorhersagt. Stimmt das Modell mit der experimentellen Realität nicht überein, ist es nicht ausreichend belastbar für weitere Enwicklungsschritte.
MEMS & Mikrostrukturen: Wie Laservibrometer FE-Modelle validieren
MEMS-Transducer finden sich in vielen Alltagsgegenständen wider, von Reifendrucksensoren bis hin zu Mobiltelefonen. Computersimulationsmodelle sind für die Entwicklung von MEMS-Bausteine unerlässlich, müssen aber durch Vergleiche mit präzisen Messdaten validiert und verfeinert werden. Diese Validierungsdaten, welche die reale und physikalisch-mechanische Reaktion eines MEMS charakterisieren, lassen sich mit laserbasierten Micro System Analyzern und optionaler Wafer-Probe-Station besonders genau erheben.
Die mechanische Resonanz ist die grundlegende Dynamik der MEMS. Sie wird für Gyroskope (Gyros), Massensensoren, optische Scanner, Oszillatoren usw. verwendet. Ein zentraler Forschungsbereich an MEMS-Resonatoren besteht darin, höhere Resonanzfrequenzen zu erreichen und neue Anwendungen zu erforschen. Elektrostatische und piezoelektrische Effekte sind zwei wichtige Antriebsprinzipien. Beide Typen können durch Laservibrometer selbst in hohen Frequenzbereichen geprüft werden.
Testkapazitäten outsourcen: Auftragsmessungen & Applikationsservice zur FEM Validierung
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