Modalanalyse verstehen

Definition: Was ist Modalanalyse?

Modalanalyse ist der Prozess der Untersuchung und Charakterisierung der inhärenten dynamischen Eigenschaften einer Struktur oder eines mechanischen Systems. Diese Eigenschaften – insbesondere ihre Eigenfrequenzen, Dämpfungsverhältnisse, Und Eigenformen– werden als „modale Parameter“ des Systems bezeichnet. Die Modalanalyse ermittelt die spezifischen Schwingungseigenschaften einer Struktur, wenn sie angeregt wird. Diese Informationen sind von grundlegender Bedeutung für die Konstruktion dynamischer Strukturen sowie für die Fehlersuche und Lösung komplexer Schwingungsprobleme.

Das Ziel: Identifizierung modaler Parameter

Jede Struktur verfügt über einen einzigartigen Satz modaler Parameter, die durch ihre physikalischen Eigenschaften (Masse, Steifigkeit und Dämpfung) bestimmt werden. Ziel der Modalanalyse ist es, diese zu identifizieren:

• Eigenfrequenzen (oder Resonanzfrequenzen): Dies sind die spezifischen Frequenzen, bei denen die Struktur bei Anregung mit der größten Amplitude schwingt. Für jede Struktur gibt es mehrere Eigenfrequenzen.
• Dämpfungsverhältnisse: Dieser Parameter gibt an, wie schnell die Schwingungen der Struktur abklingen. Er ist ein Maß für die Energiedissipation innerhalb der Struktur.
• Eigenformen: Eine Eigenform ist das spezifische Verformungs- oder Auslenkungsmuster, das eine Struktur erfährt, wenn sie mit einer ihrer Eigenfrequenzen schwingt. Jede Eigenfrequenz hat eine eindeutige zugehörige Eigenform.

Durch die Identifizierung dieser Parameter können Ingenieure vollständig verstehen und vorhersagen, wie eine Struktur auf dynamische Belastungen reagiert, denen sie während des Betriebs ausgesetzt sein kann.

Arten der Modalanalyse

Es gibt zwei grundlegende Ansätze zur Bestimmung der modalen Parameter einer Struktur:

1. Experimentelle Modalanalyse (EMA)

Beim EMA, auch als „Bump-Test“ bekannt, wird die Reaktion der Struktur auf eine bekannte, kontrollierte Eingangskraft gemessen. Es ist die gängigste Methode zum Testen realer Hardware. Der Prozess umfasst:

1. Anregung der Struktur mit einer gemessenen Kraft, typischerweise von einem instrumentierter Schlaghammer (mit einem Kraftsensor in der Spitze) oder einem elektrodynamischer Shaker.
2. Messen der Schwingungsreaktion an einer oder mehreren Stellen der Struktur mithilfe von Beschleunigungsmessern.
3. Berechnung der Frequenzgangfunktion (FRF) für jeden Messpunkt, das ist das Verhältnis der Ausgangsschwingung zur Eingangskraft.
4. Mithilfe spezieller Software werden die FRF-Werte analysiert, um die Eigenfrequenzen, Dämpfungen und Eigenformen zu ermitteln. Die Software kann die Eigenformen anschließend animieren, um die Verformung der Struktur bei jeder Eigenfrequenz zu visualisieren.

2. Betriebsmodalanalyse (OMA)

OMA wird eingesetzt, wenn die Anwendung einer kontrollierten Eingangskraft unpraktisch oder unmöglich ist oder wenn es wichtig ist, das Verhalten der Struktur unter realen Betriebsbedingungen zu verstehen. Bei OMA wird nur die Ausgangsreaktion der Struktur (mithilfe von Beschleunigungsmessern) gemessen, während sie durch ihre normalen Betriebs- oder Umgebungskräfte (z. B. Wind auf einer Brücke, Straßeneinwirkungen auf ein Auto oder Betriebskräfte in einer laufenden Maschine) angeregt wird. Anschließend werden mithilfe fortschrittlicher Algorithmen die modalen Parameter aus den reinen Reaktionsdaten extrahiert. Dies ist ein komplexerer, aber manchmal notwendiger Ansatz.

3. Analytische Modalanalyse (FEA)

Dies ist ein rein theoretischer Ansatz unter Verwendung von Computermodellen, Finite-Elemente-Analyse (FEA)Ingenieure erstellen ein virtuelles Modell der Struktur und die Software berechnet die vorhergesagten Modalparameter. EMA wird häufig durchgeführt, um die Genauigkeit dieser FEA-Modelle zu validieren und zu verbessern.

Anwendungen der Modalanalyse

• Fehlerbehebung bei Resonanzproblemen: Die häufigste Anwendung: Wenn eine Maschine starke Vibrationen aufweist, kann mithilfe der Modalanalyse ermittelt werden, ob eine strukturelle Eigenfrequenz durch eine Betriebskraft angeregt wird.
• Designvalidierung: Ingenieure verwenden es, um zu bestätigen, dass die Eigenfrequenzen eines neuen Produkts nicht in der Nähe bekannter Anregungsfrequenzen liegen (z. B. Motordrehzahl, Schaufeldurchgangsfrequenz).
• Strukturelle Modifikation: Wenn ein Resonanzproblem festgestellt wird, kann das Modalmodell verwendet werden, um „Was-wäre-wenn“-Analysen durchzuführen und so die effektivste Lösungsmethode zu ermitteln (z. B. „Wo sollte ich eine Versteifung hinzufügen, um diese Eigenfrequenz zu erhöhen?“).
• Strukturelle Zustandsüberwachung: Veränderungen der modalen Parameter einer Struktur im Laufe der Zeit können auf das Vorhandensein von Schäden, beispielsweise Rissen, hinweisen.

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