Definition der Modalanalyse
Bei der Modalanalyse geht es darum, die Eigenschwingungen einer Struktur zu ermitteln und zu beschreiben. Sind diese Eigenschwingungen bekannt, lassen sich alle Schwingungszustände, welche die Teststruktur als Antwortverhalten auf eine bestimmte Anregung hin zeigt, als Überlagerung dieser Eigenschwingungszustände darstellen. Wenn die Eigenschwingungszustände bekannt sind, lässt sich daher ein Großteil des real auftretenden Schwingungsverhaltens einer Struktur vorhersagen. Ein Eigenschwingungszustand wird durch seine Modenform, seine Eigenfrequenz und die zugehörige Dämpfung definiert.
Die Schwingungsmoden einer Struktur können entweder rein simuliert werden, z.B. durch Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle), oder sie können aus physikalischen Messergebnissen abgeleitet werden, indem ein mathematisches Modell an diese Ergebnisse angepasst wird. Letzteres wird als experimentelle Modalanalyse bezeichnet.
Experimentelle Modalanalyse bzw. Modaltest
Die Modalanalyse ist eine Methode zur Beschreibung einer schwingenden Struktur durch ihre Eigenschwingungsmoden, d.h. ihrer Frequenz, ihrer Dämpfung und der Modenformen, letztendlich bestimmt durch ihre dynamischen Eigenschaften. Ein Standardaufbau für die experimentelle Modalanalyse erfordert Sensorik (Kraftaufnehmer, Beschleunigungsaufnehmer oder berührungsfrei durch Kameras oder Laservibrometer), weiterhin Datenerfassung und Computer zur Aufnahme und Analyse der Messdaten (DAQ). Das verlinkte Whitepaper stellt einige grundlegende Konzepte über Strukturdynamik und mathematische Ansätze zur Lösung strukturdynamischer Probleme vor. Registrieren Sie sich für den Download des kostenlosen Whitepapers.
Polytec Magazine
Experimentelle Modalanalyse an Zahnrädern
Messungen mit breitbandiger piezoelektrischer Kraftanregung
Bremsscheiben auf dem Prüfstand
Experimenteller Modaltest mit Laservibrometern
Laservibrometrie in der Entwicklung von Turboladern für Schiffsmotoren
Spannende Kräfte
Über selbsttragende und selbstausrichtende Compact-Shaker
Experimentelle nicht-lineare Modalanalyse
Gerade Leichtbauweisen in Transport, Luftfahrt oder Automobiltechnik sollen zur Ressourcenschonung und Emissionsvermeidung führen und sind die zentrale Motivation für Neu- und Weiterentwicklungen. Hier hilft die Modalanalyse zur Untersuchung von Verbundstrukturen und ermöglicht die Validierung von Simulationsergebnissen. Je leichter und filigraner die Strukturen, desto schwingungsanfälliger werden diese Gebilde. Mit einer Messmethode zur experimentellen Untersuchung von Strukturen mit Fügestellen hat Dr.-Ing. Maren Scheel den Bertha-Benz Preis 2023 erhalten. Ihr methodischer Ansatz „Experimental Nonlinear Modal Analysis - Method development with particular focus on nonlinear damping“ verfeinert die vereinfachte lineare Abhängigkeit von Anregung und Schwingung und bildet den Grundstein für weitere Optimierungen in der Material- und Ingenieurswissenschaft der Zukunft.
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Experimentelle Modalanalyse an Leichtbaustrukturen
Anregung in der experimentellen Modalanalyse
Für Schwingungsmessungen und experimentelle Modaltests muss die zugrundeliegende Prüfstruktur zunächst schwingen. Einige Teststrukturen schwingen von selbst (Motoren oder Ventilatoren), andere benötigen eine externe Anregung. Für die erste Gruppe kann bis zu einem gewissen Grad die operational Modalanalyse (OMA) angewandt werden, während die zweite Gruppe typischerweise per experimentellem Modaltest (EMA) analyisiert wird. Für eine solche Anregung in der experimentellen Modalanalyse gibt es verschiedene Mittel. Zu den typischen Anregungsmethoden beim Modaltest gehören die Shaker-Anregung, die Anregung durch breitbandiges Rauschen über einen Lautsprecher oder über einen manuellen oder automatischen Modalhammer. Gängige Anregungssignale für die experimentelle Modalanalyse sind:
- Sinusanregung zur Messung der Auslenkungsformen bei einer bestimmten, festen Frequenz
- Pseudo-Random-Signale als breitbandige Anregungssignale, die für jede Frequenz die gleiche Amplitude, aber eine zufällige Phase aufweisen
- Periodic-Chirp-Signale sind eine besondere Art Pseudo-Random-Signale, die sich nur durch die Phase der einzelnen Sinussignale unterscheiden und normalerweise bevorzugt werden, wenn eine maximale Anregung erforderlich ist
- Weißes Rauschen, ein Zufallssignal mit flachem Spektrum, das an die gemessene Bandbreite angepasst ist
- und die Anregung mit einem automatischen Modalhammer für reproduzierbare Krafteinleitung mit möglichst wenig Rückwirkung auf die Struktureigenschaften.
Messtechnische Lösungen zur Modalanalyse
Weitere Informationen zur Modalanalyse-Messtechnik finden Sie auf den folgenden Seiten. Erfahren Sie mehr über Polytec Lösungen zum Importieren, Messen, Vergleichen, Auswerten, Nachbearbeiten und Dokumentieren beliebiger Modaltestdaten. Wie funktioniert die berührungslose Technologie der Laser-Doppler-Vibrometrie? Wie führt man 1D-Einzelpunktmessungen effektiv durch, und welchen Mehrwert bietet das flächenhafte Scanning ganzer Prüflingsoberflächen, evtl. auch in 3D? Bei komplexen Geometrien und größeren Strukturen kann die automatisierte Prüfung mittels Robotik die Modaltestdauer und Kosten erheblich reduzieren. Polytec betreibt mehrere Strukturprüfzentren rund um den Globus - in Waldbronn (Deutschland), Plymouth (USA) und Yokohama (Japan) für Kundentests als Messdienstleistung. Kontaktieren Sie Polytec für Ihre individuellen Projekte der Modalanalyse und Schwingungsprüfung.