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Was ist Modaltest?

Mit dem Modaltest bzw. der Modalprüfung bestimmt man die Eigenfrequenz, Modenformen oder Dämpfungsverhältnisse von Strukturen oder Objekten. Besonders im Bereich der Bautechnik und des Maschinenbaus ist der Modaltest ein entscheidender Prozess. Von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt spielt die Modalprüfung eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Integrität, Sicherheit und Leistung von einzelnen Bauteilen sowie gesamten Strukturen. In diesem Blogbeitrag erklären wir Ihnen die Grundlagen der Modalprüfung, ihre Anwendung und Relevanz in der Technik. Im Anschluss finden Sie eine Kurzanleitung zu unserer Modaltest-Option, die Ihnen mit dem OXYGEN 7.0-Release zur Verfügung steht.

Wozu dient der Modaltest?

Der Modaltest ist eine Form der Schwingungs- bzw. Vibrationsprüfung, die es ermöglicht, die modalen Parameter einer Struktur experimentell zu bestimmen. Der Modaltest wird beispielsweise zur Analyse von Flugzeugteilen, Fahrgestellen, Motoren, Windturbinen oder zur Validierung jeglicher weiteren Konstruktionsteile verwendet. Zu den wesentlichen Modalparametern zählen:

Eigenfrequenzen (oder Eigenmoden)
Darunter versteht man die Frequenzen, bei denen eine Struktur dazu neigt, zu schwingen, wenn sie einer dynamischen Belastung ohne äußere Kräfte ausgesetzt ist. Die Eigenfrequenzen sind intrinsische Eigenschaften des Systems und hängen von seiner Masse, Steifigkeit und den Dämpfungseigenschaften ab.

Dämpfungsverhältnisse
Diese quantifizieren die Geschwindigkeit, mit der Schwingungen in einer Struktur im Laufe der Zeit abklingen. Die Dämpfung ist von wesentlicher Bedeutung für das Verständnis der Energiedissipation und der Stabilität des Systems unter dynamischen Belastungsbedingungen.

Modenformen
Sie stellen die räumliche Verteilung von Verschiebungen oder Verformungen innerhalb einer Struktur bei bestimmten Eigenfrequenzen dar. Sie bieten Einblicke in die Schwingungsmuster und das dynamische Verhalten des Systems.

Im Gegensatz zur Modalanalyse, die sich auf die Parameteranalyse konzentriert, steht beim Modaltest die Datenerfassung im Vordergrund. Der Modaltest umfasst verschiedene Methoden, wobei der Impulshammer- bzw. Modalhammertest eine der gängigsten Techniken ist. Dabei wird über den Modalhammer, der als Erreger fungiert, eine kontrollierte mechanische Kraft auf den Prüfling ausgeübt und die resultierende Reaktion gemessen. Damit die ausgeübte Kraft präzise gemessen werden kann, beinhaltet ein solcher Hammer einen integrierten IEPE-Sensor in der Schlagfläche. Gleichzeitig wird die Reaktion des Prüflings mit Beschleunigungsmessern oder anderen Schwingungssensoren erfasst.

Abb. 1 Beispiele für Modalhämmer von PCB Piezotronics

Abhängig vom Prüfling, Prüfaufbau und der Prüfumgebung besteht die Möglichkeit, entweder einzelne oder mehrere Erreger zusammen mit einzelnen oder mehreren Antwortsensoren zu verwenden. Dies ermöglicht je nach Situation drei zweckmäßige Testkonfigurationen:

	1. Single-Input-Single-Output (SISO): Bei SISO-Tests werden ein einzelner Erreger (z. B. ein Hammer) und ein einzelner Sensor verwendet. Der Anwender hat die Wahl, entweder den Erreger zu bewegen, während der Antwortsensor fixiert bleibt, oder umgekehrt. Je nach Anwendung wird dieser Aufbau als „moving hammer“ oder „moving sensor test“ bezeichnet.
	2. Single-Input-Multiple-Output (SIMO): SIMO-Aufbauten umfassen einen einzelnen Erreger und mehrere Sensoren, die die Schwingungsantwort erfassen. Diese Konfiguration ermöglicht die gleichzeitige Messung einer einzigen Anregung an verschiedenen Sensorstandorten und liefert umfassende Daten über das Verhalten des Prüflings.
	3. Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO): Bei MIMO-Konfigurationen werden mehrere Erreger und mehrere Antwortsensoren verwendet. In der Regel dienen Shaker (Schüttler) bei MIMO-Prüfungen als Erreger. Diese bieten Vielseitigkeit und ermöglichen die Bewertung komplexer Wechselwirkungen innerhalb des Prüflings über verschiedene Erregungspunkte und Reaktionsorte hinweg.

Im Falle einer Resonanz wird eine Verstärkung der Schwingungsantwort in den Antwortspektren sichtbar. Auf der Grundlage dieser Antwortspektren kann in Kombination mit den Kraftspektren des Erregers eine Übertragungsfunktion (transfer function), genauer gesagt die Frequenzgangfunktion (FRF), ermittelt werden. Die FRF ermöglicht es dann weiterhin, die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen bei jeder Frequenz zu quantifizieren. Es gibt verschiedene Algorithmen zur Berechnung der FRF, welche grundsätzlich immer im Frequenzraum durchgeführt werden, da dies die gesamte Berechnung erheblich vereinfacht. Ausführliche Informationen zu den verschiedenen Berechnungsalgorithmen finden Sie in unserem Handbuch für Modaltests.

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Abb. 2: Schematische Darstellung der Modaltest-Theorie mit:
f(t) … Eingangssignal; F(ω) … Frequenzspektren des Eingangssignals; x(t) … Antwortsignal; X(ω) … Frequenzspektren des Antwortsignals; h(t) … Impulsantwort; H(ω) … Übertragungsfunktion

Weitergehende Analysetechniken wie die Mode Indicator Function (MIF) oder die Kurvenanpassung (curve fitting) können beispielsweise durch die Schätzung der Modalparameter das Verständnis der Frequenzgangfunktionen (FRF) verbessern. Während die MIF die FRFs über alle Erregungspfade hinweg analysiert, um Moden zu identifizieren, ermöglicht die Kurvenanpassung die Schätzung modaler Parameter wie Eigenfrequenzen oder Dämpfungskoeffizienten. Da jedoch sowohl die MIF als auch die Kurvenanpassung feste Bestandteile der Modalanalyse und nicht des Modaltests sind, wird in diesem Beitrag nicht näher auf diese Analysetechniken eingegangen.

Wo werden Modaltests angewendet?

Modaltests und weitere Modalanalysen sind gängige Werkzeuge, die in verschiedenen technischen Branchen eingesetzt werden. Hier sind einige nennenswerte Beispiele:

Automobilindustrie
Im Automobilsektor werden mit Hilfe von Modaltests die Schwingungseigenschaften von Fahrzeugkomponenten und Fahrwerkssystemen bewertet. Diese Tests sind vor allem für den Fahrkomfort und die Analyse der Haltbarkeit der verwendeten Komponenten entscheidend.

Bauwesen
Modaltests ermöglichen die Bewertung des dynamischen Verhaltens von großen Strukturen wie beispielsweise Gebäuden, Brücken, Dämmen oder anderen Bauwerken unter verschiedenen Belastungen wie Wind, Erdbeben oder Betriebslasten. Dadurch können mögliche Schäden aufgrund verschiedenster Kräfte vorzeitig erkannt werden.

Luft- und Raumfahrt
Weiters spielen Modaltests eine zentrale Rolle bei der Analyse des dynamischen Verhaltens von Flugzeugkomponenten wie Tragflächen, Rumpf und Steuerflächen. Sie tragen hierbei zur allgemeinen Optimierung von Flugzeugstrukturen bei.

Mechanische Systeme
Bei industriellen Systemen und Maschinen dienen Modaltests zur Messung von Schwingungsmoden. Im weiteren Verlauf hilft dies, Ermüdungsbrüche zu vermeiden und die Leistung zu optimieren.

Modaltests mit OXYGEN

Mit OXYGEN 7.0 haben wir den Modaltest in unsere intuitive Messsoftware OXYGEN integriert. Dies ermöglicht SISO- und SIMO-Tests mit wanderndem Hammer und wanderndem Sensor sowie die Berechnung der komplexen Übertragungsfunktion, der Kohärenz mehrerer Schläge und der Mode Indicator Function (MIF). Zusätzlich haben wir verschiedene interaktive Visualisierungsoptionen und die Importmöglichkeit von geometrischen 3D-Modellen implementiert.

Im Folgenden beschreiben wir eine Schritt-für-Schritt-Kurzanleitung, wie man Modaltests in OXYGEN mit DEWETRON Messsystemen nutzen kann. Für eine ausführlichere Dokumentation verweisen wir auf das technische Handbuch.

Kurzanleitung – Modaltest

So einfach gehen Modaltests mit OXYGEN 7.0: unser Produktmanager Rafael Ludwig zeigt Ihnen in diesem Video anhand eines Testaufbaus wie einfach die Messungen mit unserer Software-Option sind. Dabei fungiert ein Prüfstand als Prüfling. Das System wird mit einem Modalhammer angeregt und die Antwortsignale werden an mehreren Positionen mit einem Beschleunigungssensor gemessen. Die Signale der Sensoren werden dabei von unserem NEX[DAQ] erfasst.

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Abb. 3: Schematische Schritt-für-Schritt-Anleitung für Modaltests in OXYGEN

Schritte 1 bis 5 – Modaltest einrichten in OXYGEN

Schritt 1: Hardwareverbindung (hardware connection):
Der erste Schritt besteht darin, alle Antwortsensoren und den Anregungshammer mit dem DEWETRON Messgerät zu verbinden – beispielsweise mit einem TRION-2402-dACC-Modul in einem TRIONet3.

Schritt 2: Kanaleinstellungen (channel setup):
Es ist wichtig, die Datenkanäle für Anregungs- und Antwortsignale korrekt einzustellen. Dazu gehört die Auswahl des richtigen Modus (Mode), d. h. IEPE, und der Skalierung/Empfindlichkeit des Sensors. Die Skalierung ist wichtig, um gültige Messwerte für Eingangs- und Ausgangssignale zu erhalten, die weder zu niedrig noch zu hoch sind. Um Fremdeinflüsse zu reduzieren, kann im Feld „Kopplung“ (coupling) ein Hochpassfilter eingestellt werden, der zu tiefe Schwingungen unterdrückt. Außerdem kann eine Nullpunktsetzung in Form eines festen Wertes eingestellt werden. Abb. 4 verdeutlicht die oben genannten Einstellungen.

Abb. 4: Kanaleinstellungen für Modaltests

Typischerweise wird die Signalantwort eines Anregungssignals an einem Punkt in einer oder drei Raumrichtungen gemessen. Wenn die Antwortkanäle nach der Nomenklatur [0-999][XYZ][+-] benannt sind, kann daraus direkt ein Modellprüfobjekt erzeugt werden.

Schritt 3: Modaltesteinrichtung (modal test setup):
Um einen Modaltest zu erstellen, wählen Sie zunächst die gewünschten Antwortkanäle aus oder erstellen Sie einen Modaltest ohne vorgewählte Kanäle. Anschließend definieren Sie das Testobjekt entweder auf der Grundlage der ausgewählten Antwortkanäle oder durch manuelle Auswahl der Anzahl der Anregungs- und Antwortpositionen mit den entsprechenden Raumrichtungen. Als nächstes folgt die Zuordnung der Antwortkanäle zu den vorgesehenen Antwortpositionen. Dies kann entweder automatisch oder manuell durchgeführt werden. Achten Sie in diesem Schritt auch auf die Zuordnung des Erregungskanals. Legen Sie schließlich die Triggereinstellungen für die Aufzeichnung von Anregungsereignissen fest. Dazu gehört auch die Einstellungen der Warnungen bei Überschreitung von Bereichsgrenzen und eine optionale Sekundärtrefferwarnung. Weiters kann der FRF-Berechnungstyp auf der Grundlage des Signalrauschens angepasst werden. Das ermöglicht flexible Analyseansätze.

Schritt 4: Weitere Anpassungen (measurement screen design)
Anpassung des Bildschirmtemplates sowie die Anzeige verschiedener Datenkomponenten, entsprechend den spezifischen Anforderungen.

Schritt 5: Triggereinstellungen (arming the measurement)
Aktivieren Sie den Trigger, um die Aufzeichnung der Erregungsereignisse zu ermöglichen. Passen Sie den Schwellenwert in den Triggereinstellungen nach Bedarf an. Wenn diese Vorbereitungen abgeschlossen sind, können Sie mit der Aufzeichnung beginnen.

Schritte 6 bis 9 – Messungen mit OXYGEN durchführen

Schritt 6: TP #1
Starten Sie die Aufzeichnung und führen Sie die Anregung am ersten Anregungspunkt durch.

Schritt 7: Datenüberprüfung (Data OK?)
Beurteilen Sie die Gültigkeit der gemessenen Daten nach jeder Anregung. Je nach Testaufbau können mehrere Schläge pro Punkt erforderlich sein, die jeweils einzeln ausgewertet werden. Erfolgreiche Schläge werden durch einen grün gefärbten Balken im Gruppenfenster Wie in Abbildung 6 dargestellt befindet sich dieser unten links. Weitere Farbindikatoren sind:

• rot: Warnung aufgrund einer Bereichsüberschreitung
• orange: Warnung bei Nähe zur Bereichsgrenze
• pink: Warnung aufgrund eines Doppeltreffers

Setzen Sie den Anregungsprozess fort, bis alle Ereignisse für die gewünschte Position erfolgreich abgeschlossen sind.

Abb. 5: Schlagvalidierung durch farbliche Kennzeichnung

Schritt 8: TP #i
Weitergehen zum nächsten Anregungspunkt und Ausführen der Anregung.

Schritt 9: Datenauswertung (Data OK?):
Überprüfen Sie die Daten und wiederholen Sie den Vorgang, bis der Test abgeschlossen ist. Stoppen Sie die Aufzeichnung, wenn Sie fertig sind. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für eine erfolgreiche Durchführung. Sie bietet außerdem einen Überblick über den primären Testbildschirm.

Abb. 6: Standard-Bildschirmvorlage bei Modaltests

Hinweis: OXYGENs “Modaltest” Feature ist optional und daher nicht in der OXYGEN-Standardlizenz enthalten.

Modaltests – kurz und bündig

Der Modaltest ist eine Methode zur experimentellen Bestimmung der Eigenfrequenzen, Modenformen und Dämpfungsverhältnisse einer Struktur oder eines mechanischen Systems. Durch kontrollierte Erregung und Messung der Systemreaktion können Sie Einblicke in das dynamische Verhalten Ihres Systems gewinnen. Der Modaltest ist ein wichtiges Werkzeug in zahlreichen Branchen, darunter die Fertigungsindustrie, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und viele mehr. Um all diese verschiedenen Bereiche zu unterstützen, haben wir ein einfach zu bedienendes Modaltest-Tool in unsere Messsoftware OXYGEN integriert. Es ermöglicht schnelle SISO- und SIMO-Messungen mit direkter Darstellung der Anregungssignale, Antwortsignale, sowie MIF und Kohärenzfunktion.

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