Strukturdynamik und Betriebsfestigkeit lasergenau

Ausgabe 01 | 2011
InFocus
Magazin für Optische Messsysteme von Polytec
Strukturdynamik
und Betriebsfestigkeit
lasergenau messen
Verbesserte FE-Modell-Validierung
durch automatisierten Modaltest
mit RoboVib®
Seite 6
Schwingungsanalyse zur Bewertung
der dynamischen Eigenschaften
einer Reibschweißanlage
Seite 14
Optische Messung dynamischer
Spannungsverteilungen
an Aerospace-Komponenten
Seite 18
Editorial
Polytec News
Seite 3
Model Updating und Schwingungsmessungen – der komplette Service von Polytec
Seite 5
Strukturdynamik
Fallstudie: Verbesserte FE-ModellValidierung durch automatisierten
Modaltest mit RoboVib®
Seite 6
Eric Winkler
Dr. Hans-Lothar Pasch
Validierung von FE-Modellen mit dem
3D-Scanning Vibrometer zur Optimierung
von Schallabstrahlungseigenschaften
Seite 9
Liebe Leserin, lieber Leser,
„Design Right First Time“ – wir alle kennen dieses Leitbild einer Entwicklungsstrategie, welche besonders um die Jahrtausendwende populär wurde.
Wachsende Rechenleistungen ermöglichten es, immer mehr Entwicklungs-
FE-Modell-Optimierung an einem
Forschungssatelliten mit Hilfe der
Laservibrometrie (englisch)
Seite 11
schritte in die frühe Phase der Produktentstehung zu verlagern – in ein
Entwicklungsstadium, in welchem Erkenntnisse zu Designoptimierungen
noch relativ schnell und kostengünstig umzusetzen sind.
Trotz weitreichender Fortschritte bei der Verkürzung von Entwicklungszeiten
sind in der Simulation komplexer Produkteigenschaften auch den schnellsten Computern Grenzen gesetzt. Messungen an Prototypen hinsichtlich der
Akustik und des Schwingungsverhaltens bleiben daher erforderlich. Hier
Schwingungsanalyse zur Bewertung
der dynamischen Eigenschaften einer
Reibschweißanlage
Seite 14
Rotierende Werkzeuge dynamisch
vermessen mit dem optischen Derotator
Seite 16
hat Polytec in den vergangenen Jahren einen Schwerpunkt darauf gelegt,
den optischen Modaltest mit Hilfe der RoboVib® Structural Test Station zu
automatisieren und die Messabläufe in den CAE-Entwicklungsprozess zu
integrieren.
Zahlreiche Auftragsmessungen und die Rückmeldungen unserer Anwender
Betriebsfestigkeit
Optische Messung dynamischer Spannungsverteilungen an Komponenten für die
Luftfahrtindustrie (englisch)
Seite 18
zeigen, dass mit dem Einsatz der 3D-Laservibrometrie in Verbindung mit
einem Roboter ein Quantensprung an Effizienz und Qualität im ModellValidierungsprozess erreicht werden kann. Die hohe Messdatengenauigkeit
und Messpunktdichte ermöglichen eine Korrelation der Test- und FE-Modelle
auch hin zu höheren Frequenzen im akustischen Bereich.
Wir hoffen Ihnen in dieser Ausgabe der InFocus zu diesem Thema viele
neue Anregungen zu geben und wünschen Ihnen bei der Lektüre eine gute
Unterhaltung!
Schadensanalyse
Review: Methoden zur Schadenserkennung
und -analyse mit Laservibrometern
(englisch)
Seite 22
Charakterisierung der Anregung und
Ausbreitung geführter Wellen in der
Strukturüberwachung
Seite 25
Produktneuheiten
Seite 27
Eric Winkler
Dr. Hans-Lothar Pasch
Leiter des Geschäftsbereichs
Optische Messsysteme
Geschäftsleitung
Polytec GmbH
Events
Seite 28
2
Polytec News
Laservibrometer im Dienst der
Betriebssicherheit bei der Bahn
Die über 110 Jahre alte Müngstener Brücke bei Solingen, die höchste
Eisenbahnbrücke Deutschlands, war im September 2010 Gegenstand
intensiver Messungen seitens der Deutschen Bahn und Polytec.
Aus ca. 90 m Abstand konnten mit Hilfe
mehrerer Laservibrometer die Schwingungen und Auslenkungen an 190 Messpunkten während der wiederholten Überfahrt einer Diesellok präzise gemessen
werden, um die Sicherheit der Statik zu
prüfen. Ziel der Messungen war es, die
Leistungsfähigkeit des neuen Long-Distance RSV Remote Sensing Vibrometers
im Vergleich zu den bewährten OFV-505/
-5000 Vibrometern (Fotos) zu prüfen.
Lesen Sie in der kommenden Ausgabe
der InFocus mehr über die Messungen
und den erfolgreichen Einsatz des neu
entwickelten RSV Vibrometers.
Foto: Christian Beier
Polytec Tutorial
Experimentelle Modalanalys
Polytec Web Academy 2011
Online-Seminare zur optischen Messtechnik
Die Polytec Web Academy ist ein E-Learning-Medium, das bequem, unverbindlich
und kostenlos fundiertes Wissen über Anwendungen und Lösungen der optischen
Messtechnik vermittelt. Die Themen
umfassen bewährte und leistungsfähige
Messverfahren für Größen wie Schwingung, Bewegung und Oberflächentopografie und decken eine Vielzahl von Anwendungsgebieten ab, wie Automotive,
Aerospace, Ultraschalltechnik, MEMS und
MST sowie auch Biologie, Medizin und
viele mehr.
In diesen Online-Seminaren bringt Polytec
technisches Know-how, Anwendungswissen sowie aktuelle Produktneuheiten
direkt, multimedial und interaktiv auf
den Schreibtisch des Messtechnik-interessierten Anwenders. Nutzen Sie die
Gelegenheit, direkt mit Experten von
Polytec Ihre Anwendungsfragen im Chat
zu diskutieren.
Das Veranstaltungsprogramm ist im Web
online abrufbar, die informativen Technologie- und Applikationsseminare können dort ab sofort gebucht und besucht
werden. Dort finden Sie auch die jeweils
aktuelle Themen- und Terminübersicht.
Registrieren Sie sich für Ihr Wunschseminar bei der Polytec Web Academy unter:
http://polytec-de.webex.com.
Mithilfe der Experimentellen Modalanalyse lassen sich Bauteile in Bezug
auf ihre strukturdynamischen Eigenschaften – Frequenzen, Dämpfungen
und Schwingformen – beschreiben.
In diesem Tutorial werden einige
Aspekte der Experimentellen Modalanalyse ohne tiefergehende mathematische Herleitung dargestellt.
Erfahren Sie, mit welchen Methoden strukturdynamische Fragestellungen gelöst werden können.
Das Polytec Tutorial „Grundlagen
der Experimentellen Modalanalyse“
finden Sie unter www.polytec.de/
exp-ma.
Polytec News
Polytec Oberflächenmesssysteme
Neues Technologie-Video
Oberflächenmessungen sind unersetzlich
bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen
mit engen Fertigungstoleranzen, beispielsweise im Automotive-Bereich und vielen
anderen Branchen. Scanning-WeißlichtInterferometer haben hier gegenüber den
traditionellen kontaktierenden Messverfahren entscheidende Vorteile, sodass sie
inzwischen in der industriellen Qualitätskontrolle zum Standardwerkzeug für die
Prüfung von Geometrien und Oberflächen
gehören. Unser neuestes Video zeigt Ihnen,
wie das TopMap Weißlicht-Interferometer
von Polytec funktioniert, wie man es bedient und welche Anwendungen es ermöglicht. Das Video finden Sie zum Downloaden auf unserer TopMap-Homepage
www.topmap.de.
Neue Punktsensoren
Polytec erweitert das Produktportfolio
zur Oberflächenmessung mit Punktsensoren der TMS TopSens und TMS TopLine
Serien. Die Technologie der chromatischkonfokalen Sensoren erlaubt die schnelle
Charakterisierung von Oberflächen und
die Bestimmung der Mikro/Nanotopographie, optische Rauheitsbestimmungen
und die Dickenmessung von transparenten Proben. Da die Messköpfe keine bewegten Teile enthalten, sind sie robust
und wartungsfrei. Durch die neuen
Punktsensoren können Anwendungen
im Bereich der Elektronik und Mikroelektronik, Halbleiter, Automotive und Mikromechanik sowie der Optik-Industrie applikationsspezifisch von Polytec bedient
werden. Mehr Info auf Seite 27 und
www.topmap.de.
Faraday irrte sich
Michael Faraday war im Irrtum mit der Annahme, dass „FaradayWellen“ mit der halben Frequenz ihrer Anregung auftreten
Kapillarwellen an Flüssigkeiten wurden
erstmals von Faraday 1831 beschrieben.
Es ist nicht einfach, ihre Charakteristik
zu messen, weshalb die Forscher sich
bisher auf niedrige Frequenzen bis zu
einigen 1000 Hz beschränkten. Viele
darauf basierende Anwendungen, beispielsweise die Herstellung von Nanopartikeln oder die Zerstäubung von
Medikamenten, finden aber bei weit
höheren Frequenzen statt. Ein australisches Forscherteam nutzte einen
MSA-400 Micro System Analyzer von
Polytec mit 20 MHz Anregungsfre-
4
quenz, um das Frequenzspektrum von
Kapillarwellen an der Oberfläche eines
Tropfens zu bestimmen. Dabei stellte
sich heraus, dass die bei einer Frequenz
f erzeugten Wellen nicht, wie theoretisch vorhergesagt, mit f/2 auftreten.
Das erklärt auch, warum die Tröpfchengrößen bei Aerosolen, die durch Ultraschallanregung erzeugt werden, so
weit von der Faraday’schen Theorie
abweichen.
Quelle: Qi, A., Yeo, L.R., and Friend, J.R.,
Interfacial destabilization and atomization driven by
surface acoustic waves, Phys. Fluids 20, 074103 (2008);
http://dx.doi.org/10.1063/1.2953537
Model Updating mit Polytec
Dienstleistungen von der automatisierten Schwingungsmessung bis zum kompletten Modaltest
Für die Simulationsabteilungen in der industriellen Forschung und
Entwicklung liefert Polytec hochwertige Messdaten aus experimentellen
Modaltests. Dies erlaubt dann nach einer Modalanalyse am vorhandenen
Finite-Elemente-(FE-)Modell ein nahtloses und effizientes Model Updating.
Neben einem breiten Angebot an Auftragsmessungen, Leihstellungen und
Dienstleistungen, die wir vor Ort oder in
einem der Polytec Applikationslabors
in Waldbronn (bei Karlsruhe), England,
Frankreich, Nordamerika oder Japan
durchführen, stehen wir Ihnen auch über
die komplette Projektphase mit fachlichem Rat und Erfahrung zur Seite.
Schwingungsmessungen
Vibrometer messen nahezu jede Schwingung, bei Schwinggeschwindigkeiten bis
30 m/s, Frequenzen bis zu 1,2 GHz und
einer Wegauflösung im Picometerbereich.
Im Vergleich zu konventionellen Aufnehmern sind Laservibrometer schneller,
erfassen die mehrfache Anzahl an Messpunkten und arbeiten rückwirkungsfrei
und daher wesentlich genauer. Sie als
Kunde erhalten umfassende Messdaten,
beispielsweise Frequenzübertragungsfunktionen, Betriebsschwingformen,
Zeitdiagramme und Frequenzspektren.
Automatisierter Messablauf mit
RoboVib®
Unsere RoboVib® Structural Test Station
ermöglicht eine Erfassung der gesamten
3D-Oberflächenschwingung eines Körpers
aus mehreren Positionen. Ein besonderer
Vorteil ist die hohe Produktivität dieses
Systems, das unbeaufsichtigte Messungen
auch über Nacht erlaubt. Mehr Info auf
Seite 8 und unter www.robovib.de.
Kompletter Modaltest
Ein Experimenteller Modaltest bei
Polytec umfasst Planung, Aufbau, Messung der Transferfunktionen, Darstellung der Schwingformen und optional
auch Durchführung einer Modalanalyse
mit den gemessenen Daten. Polytec
Vibrometer-Systeme und Software erlau-
Frequency
Response
Measurements
Als Entwicklungs- oder Prüfingenieur
profitieren Sie von der neuesten Polytec
Messtechnik und vom Know-how unserer
erfahrenen Mitarbeiter, die Ihnen helfen,
das volle Potenzial der Messsysteme auszuschöpfen und erstklassige Messdaten
zu gewinnen.
Mehr Info: www.polytec.de/service
Mass
Damping,
Stiffness
Changes
Parameter
Estimation
Modal
Parameters
Model
Validation
Corrections
Finite
Element
Model
ben präzise Messungen an einer hohen
Anzahl von Messpunkten, was sehr gute
MAC-Werte beim Vergleich zwischen
Experiment und Simulation ergibt. Das
Messgitter kann aus der Simulation importiert werden, was einen direkten Vergleich
der Werte an identischen Messpunkten
bzw. Knoten und damit ein unkompliziertes Model Updating ermöglicht.
Eigenvalue
Solver
Synthesis
of a
Dynamic
Modal
Model
Frequency
Response
Measurements
Modified
Modal
Data
Forced
Response
Simulation
Structural
Response
Modal
Parameters
Real World
Forces
5
Strukturdynamik
Datenlücke geschlossen!
Verbesserte FE-Modell-Validierung durch automatisierten Modaltest mit RoboVib®
Während der ANSYS Conference & 28. CADFEM User’s Meeting 2010 in Aachen wurde ein neuer Ansatz für
den experimentellen Modaltest vorgestellt, der es erlaubt, die Lücke in der Datenkette zwischen CAE (Computer
Aided Engineering) und dem Test zu schließen. Er nutzt die Eigenschaften des PSV-400-3D Scanning Vibrometers
in Kombination mit einem Industrieroboter zur Testvorbereitung mit CAE-Daten. Die Fähigkeit, mit importierten
Geometriemodellen und Koordinatensystemen aus der CAE-Welt zu arbeiten und die darin enthaltenen Knoten
als Messpunkte direkt mit dem Laser automatisch abzutasten, ist dabei der entscheidende Vorteil bei der
Korrelation der Modelle.
Fallstudie: optische vs.
konventionelle Messung
Diese Studie vergleicht den automatisierten optischen Ansatz mit der konventionellen Methode (Bild 1). Als Testobjekt
wurde dabei die Getriebeabdeckung eines
Motorrads aus Aluminiumguss verwendet.
Der Schwerpunkt lag dabei weniger auf
der Steigerung der Effizienz im Test als
auf dem Nutzen für die Korrelation mit
dem Finite Elemente-(FE-)Modell.
Bauteil
CAD-Modell
Messung
Messpunkte
manuell
übertragen
Modaltest-Ergebnis
FE-Modell
Bauteil
Messpunkte
automatisch
übertragen
FEM-Ergebnis
Bild 1: Vergleich zweier Ansätze für die
FE-Modell-Validierung.
Mitte: Generierung des FE-Modells;
links: Modaltest mit Beschleunigungsaufnehmern; rechts: RoboVib®-Modaltest
Model
Update
6
Messung
Modaltest-Ergebnis
Model
Update
die Ergebnisse aller Roboterpositionen am
Ende automatisch zu einem gemeinsamen
Datensatz vereinigt. Mit dem VMAP Modalanalyse-Softwarepaket von TechPassion
wurden dann die Moden und die modalen
Parameter extrahiert. VMAP bietet hierzu
eine direkte binäre Software-Schnittstelle
zu den PSV Schwingungsdaten.
Bild 2: CAD-Modell mit Messpunkten und sich daraus ergebendes Drahtmodell
In Bild 4 sind die beiden erstem Moden im
Vergleich dargestellt: Links die berechnete
Mode, in der Mitte die RoboVib®-Ergebnisse mit dem importierten Gitter und rechts
die Ergebnisse der Messung mit Beschleunigungsaufnehmern.
MAC-Analyse
Bild 5: MAC – Vergleich der Ergebnisse
aus FE-Berechnung und Beschleunigungsaufnehmer-Messung
Bild 6: MAC – Vergleich von FE-Berechnung
und RoboVib®-Messung
Das zugehörige FE-Modell war in einem
tetraedrischen Mesh-Typ angelegt mit
69019 Elementen und 19994 Knoten.
der Masseeinfluss der Sensoren auf das
Ergebnis. Dadurch verbessern sich auch
die MAC (Modal Assurance Criterion)Werte beim Vergleich der Moden aus der
FE-Berechnung und den synthetisierten
Moden aus dem Test. Die höhere Datenqualität verbessert auch das anschließende Model Updating. Für die Messung
wurde das importierte FE-Gitter um den
Faktor 10 vergröbert, was aber immer
noch 100 mal mehr Messpunkte im Vergleich zu der konventionellen Methode
ergab.
Eine der wichtigsten Aufgaben von RoboVib® ist es, Vergleichsdaten für die Validierung von FE-Modellen zu liefern. Die mit
VMAP extrahierten Moden wurden in einer
MAC-Analyse mit den berechneten Moden
verglichen (Bild 5 und 6).
■
Beschleunigungsaufnehmer
Die Getriebeabdecklung wurde mittels
eines Impulshammers zu Schwingungen
angeregt. Die Messung erfolgte an 14
Messpunkten (Bild 2), die zuvor manuell
mit Hilfe des FE-Modells definiert wurden.
■
RoboVib® Test Station
Optische Methoden erlauben es, direkt
mit aus dem FE-Modell abgeleiteten
Messgittern zu arbeiten. Da man bei
Verwendung des Lasers nicht durch fest
montierte Sensoren eingeschränkt ist,
entfallen sofort zwei entscheidende
Nachteile der konventionellen Methode:
die niedrige räumliche Auflösung durch
eingeschränkte Sensorenanzahl sowie
■
1. Mode
592,1 Hz
2. Mode
932,5 Hz
Um die Abdeckung vollständig von allen
Seiten zu messen, wurden dem Roboter
eine Reihe unterschiedlicher Messpositionen eingelernt. Nach der Vorbereitung
lief dann die Messung an 1630 Messpunkten während der Nacht programmgesteuert ab (Bild 3). Zur Analyse wurden
Beschleunigungsaufnehmer
Die Modalanalyse konnte nur für die beiden ersten Moden bei 592 Hz und 933 Hz
durchgeführt werden. Die MAC-Werte
zwischen den berechneten und den gemessenen Moden liegen bei 0,67 bzw.
0,59. Diese niedrigen Werte lassen den
Schluss zu, dass einige Testparameter,
z. B. die Masse der Beschleunigungsaufnehmer oder die Genauigkeit bei der
Bestimmung des Ortes und der Orientierung der Sensoren, die Qualität der
Messung einschränken.
■
RoboVib® Test Station
Da in diesem Fall eine 100-fach größere
räumliche Auflösung der Messpunkte
vorlag, konnten auch Moden bei höheren
Frequenzen ermittelt werden. Die MACWerte lagen für die ersten vier Moden
nahe dem optimalen Wert von 1 (Bild 6).
Bild 4: Vergleich der
FEA-Moden (links)
mit Ergebnissen von
RoboVib® (Mitte)
und konventionellen
Messungen (rechts)
Bild 3: Schwingungsmessung an der
Getriebeabdeckung mit RoboVib®
7
Strukturdynamik
CAE (Simulation)
Test
FE-Modell
■ Gitter
■ Koordinatensystem
■ Materialparameter
Messgitter
■ Datenimport
■ Vergröberung
Model Update
Modalanalyse
■ Mode Shapes
■ Eigenfrequenzen
MAC-Analyse
Messung
■ Frequenzantwort
■ Betriebsschwingformen
Modalanalyse
■ Mode Shapes
■ Eigenfrequenzen
■ Dämpfung
dass die Qualität des FE Model Updates
stark von ir abhängt. Beispielsweise
konstatiert Grafe: „The real challenge of
updating large FE models is not so much
the size of the models, as these can be
solved by ever more powerful computers,
but rather small incompleteness ratios”
(Doctoral thesis, University of London,
1998). Das heißt, die Zahl der gemessenen Knoten muss ausreichend hoch sein,
um das Modell zu optimieren.
Die drastische Reduzierung der Unvollständigkeit durch den automatisierten
Ansatz in der Modalanlyse mit RoboVib®
ist deshalb ein wichtiger Schritt hin zu
einem optimierten Model Updating.
Bild 7: CAE-Test-Workflow
Die Nebendiagonalen zeigten sehr niedrige Werte, was eine eindeutige Zuordnung zu den berechneten Moden erlaubt.
Verbesserung der „Incompleteness
Ratio”
Ein FE-Modell als Abbild des späteren
Prototypen dient dazu, die Parameter der
Strukturdynamik und der Betriebsfestigkeit unter vorgegebenen Bedingungen
vorherzusagen. Die errechneten Modalparameter (Eigenwerte, Eigenvektoren)
werden dann durch einen experimentellen Modaltest validiert (Bild 7).
FE-Modelle enthalten in der Regel viele
Tausend Knoten. In der Praxis werden
nur kleine Teilmengen für die Validierung
herangezogen. Mit anderen Worten, die
Messung ist unvollständig (incomplete).
Als Maß für diese „Unvollständigkeit”
kann die so genannte „Incompleteness
Ratio” ir gebildet werden:
ir = n
N
Hierbei ist n die Zahl der gemessenen
Knoten und N die Zahl der Knoten im
FE-Gitter. Andere Autoren haben gezeigt,
RoboVib® Structural Test Station
Vollautomatisierte 3D-Schwingungsmesstechnik
Autoren · Kontakt
Dipl.-Ing. Jörg Sauer a,
Dhanushkodi Mariappan b,
Dipl.-Ing. (FH) Matthias Schüsslera,
Dipl.-Ing. (FH) Arend von der Lieth c,
Michael Stonec
oms@polytec.de
a Polytec
GmbH; b TechPassion Technologies Pvt. Limited, Chennai, Indien;
c Polytec Inc., Dexter, MI, USA
Dieser Artikel basiert auf der gleichlautenden Publikation bei der ANSYS Conference & 28th CADFEM Users’ Meeting,
3.– 5. Nov. 2010, Aachen, zum Download unter www.polytec.de/fe-test.
RoboVib® überwindet viele Beschränkungen traditioneller Messmethoden
mit berührenden Sensoren. Durch
Kombination eines 3D-Scanning Vibrometers mit einem Industrieroboter ermöglicht RoboVib® eine automatisierte
Messung von komplexen Komponenten. So können alle optisch zugänglichen Messpunkte einer Fahrzeugkarosserie getestet werden, wo vorher
allein mit der Vorbereitung des Modaltests Tage oder Wochen vergingen.
RoboVib® verwendet Messpunkte, die
mit hoher räumlicher Auflösung aus
dem Finite-Elemente-Modell abgeleitet werden. Der Zeitaufwand und die
Fehlerquellen speziell in der experimentellen Modalanalyse reduzieren
sich signifikant.
www.robovib.de
8
Optimierung von Schallabstrahlungseigenschaften
Validierung von FE-Modellen
mit dem 3D-Scanning Vibrometer
In der Automobilentwicklung hat die konstruktive Vermeidung unerwünschter Geräusche hohe Priorität. Viele Komponenten, beispielsweise Getriebegehäuse, beeinflussen über ihre Schallabstrahlung das Komfortempfinden beim Fahren.
Für systematische Schwingungs- und Schallabstrahlungsanalysen sind FE-Modellierungen heute ein unersetzlicher
Bestandteil von Designprozessen, wie Sie am IPEK – Institut für Produktentwicklung in Karlsruhe erforscht werden.
Einführung
Gerade bei komplexen FE-Modellen und
hohen Frequenzbereichen ist eine Modellvalidierung hinsichtlich der Eigenfrequenzen und Eigenvektoren wichtig, um die
Auswirkung von Designänderungen auf
das finale Produkt realistisch abbilden zu
können.
Klassischerweise werden für die experimentellen Untersuchungen Beschleunigungsaufnehmer und Modalhammer
oder Shaker zur Anregung verwendet,
was bei komplexen Strukturen einen
aufwändigen und fehleranfälligen Versuchsaufbau bedeutet. Mess- und Anregungspunkte müssen sorgfältig bestimmt
werden, um alle Eigenfrequenzen anregen und die entsprechenden Eigenvektoren hinlänglich gut auflösen zu können.
Die 3D-Laservibrometrie ist eine interessante Alternative, mit der bei geringem
Aufwand eine wesentlich höhere Anzahl
Lagerung und Anregung
Stitching-Funktion der Scanning Vibrometer-Software vereinigt. Mögliche Varianten zur Lagerung des Messobjekts, in
diesem Fall ein Getriebegehäuse, sind die
Aufhängung an Spanngurten (Bild 1) und
Integrale Messungen mit einem Laservibrometer setzen voraus, dass alle Messpunkte optisch zugänglich sind. Die
bequemste Lösung wäre ein auf einen
Roboter montiertes 3D-Laservibrometer.
In der Regel wird jedoch auf den Einsatz
von Spiegeln zur Umlenkung des Laserstrahls oder eine Umpositionierung der
Vibrometer oder des Messobjekts zurückgegriffen. Die mehrfache Neuausrichtung
der Laser-Messköpfe um das Messobjekt
ist aufwändig. Alternativ kann man das
Messobjekt inklusive der verwendeten
Anregung drehbar montieren, muss
jedoch dann auf ausreichende Stabilität
der Anordnung achten. Die so gewonnenen Datensätze werden dann mit der
Bild 1: Hängende Lagerung
an Messpunkten erreicht werden kann,
ohne zusätzliche Masseneinflüsse in das
System einzubringen.
9
Strukturdynamik
Schwingungsmessung und
-auswertung
Bild 2: Stehende Lagerung
eine stehende Lagerung (Bild 2), wobei
der Shaker wie auch die Struktur durch
Gummifüße von der Umgebung entkoppelt sind.
Die Lagerungsvarianten lassen sich durch
Vergleich der so genannten Driving Point
Function (DPF) beurteilen, dem Quotienten aus dem Spektrum der Systemantwort
am Punkt der Anregung und dem der
eingeleiteten Kraft. Hier sollten eine deutliche Abfolge von Resonanzen und Antiresonanzen, ein tendenziell abfallender
oder steigender Verlauf und ein hinreichend großer Abstand von Starrkörperund Strukturmoden zu erkennen sein
(Bild 3).
Diese Kriterien sind für beide Lagerungsvarianten erfüllt. Die Starrkörpermoden
treten in beiden Varianten bei etwa
30 Hz auf. Bei der stehenden Lagerung
sind jedoch manche Resonanzen weniger
ausgeprägt und zwischen 600 Hz und
1000 Hz sind zusätzliche Peaks zu erkennen. Der Vorteil einer schnelleren Versuchsdurchführung wird folglich mit
einer Überschätzung der modalen Dämpfungswerte und zusätzlichen Resonanzen
erkauft.
Neben der verwendeten Lagerung hat der
zur Verbindung von Struktur und Shaker
verwendete Stinger einen starken Einfluss
auf das Versuchsergebnis (Bild 4).
Die blaue Kurve bezieht sich auf eine
Stinger-Variante mit zwei Spannsätzen
und die grüne auf eine Variante mit
einfacher Madenschraubenklemmung.
Die Ergebnisse ähneln sich prinzipiell,
jedoch weist die einfache Variante zusätzliche Resonanzen im niedrigen Frequenzbereich und deutlich weniger ausgeprägte
Nach der Festlegung des Versuchsaufbaus
werden mit einem dem 3D-Scanning
Vibrometer die Systemantworten an 600
Messpunkten bis 4000 Hz bestimmt. Die
zugehörigen Übetragungsfunktionen können mittels des UFF-Formats nach LMS
Test.LAB importiert und dort ausgewertet
werden. Es ergeben sich im ausgewerteten
Bereich bis 3500 Hz 16 Eigenfrequenzen,
die mittels Auto-MAC und der modalen
Synthese als zuverlässig eingestuft werden
können. Die zusätzlichen Peaks bei der
stehenden Lagerung lassen sich durch
die Auto-MAC-Analyse als Nichtstrukturmoden identifizieren.
Korrelation mit dem FE-Modell
Die Modalanalyse erfolgt mit dem in
MD Nastran verfügbaren Block-LanczosVerfahren. Zur Korrelation der beiden
Modelle (Bild 5) werden die experimentellen Daten über das UFF-Format und die
numerischen Daten mittels der MATLAB/
Nastran-Schnittstelle IMAT FEA in MATLAB importiert und anschließend automatisch positioniert und korreliert. Für
die ersten 16 Eigenfrequenzen ergeben
sich hier eine mittlere MAC-Korrelation
(Bild 6) von 91 % und eine mittlere Frequenzabweichung von 1,28 %. Die MACKorrelation ist bei den niedrigen Moden
höher, während die Frequenzkorrelation
bei den höheren Moden besser ist.
Fazit
Das Beispiel zeigt, dass mittels der 3DLaservibrometrie die modalen Parameter
einer komplexen Struktur innerhalb kurzer
Zeit bestimmt werden können, insbesondere wenn für Messungen aus verschiedenen Richtungen das Messobjekt inklusive
Anregung gedreht wird. Durch Auswahl
geeigneter Stinger gelingt es, die Schwingungsanregung auch in hohen Frequenzbereichen zuverlässig aufzubringen. Die
10
80
Akzeleranz in dB re 1m/s²/N
Resonanzen im hohen Frequenzbereich
auf. Für die betrachtete Struktur und
die Messungen im Frequenzbereich ab
1200 Hz eignet sich der kurze, dünne,
starr-fixierte Stinger also besser.
60
40
20
0
–20
–40
–60
0
500
1000
1500
2000 2500 3000
Frequenz in Hz
3500
4000
1000 1500 2000 2500 3000 3500
4000
Bild 3: DPF (Driving Point Function)
verschiedener Lagerungsvarianten
100
Akzeleranz in dB re 1m/s²/N
Bild 5: Eigenmode bei 2800 Hz
(links: gemessen; rechts: Modell)
Validierung des FE-Modells ist mit dem
hier beschriebenen Aufbau im gesamten
Auswertungsbereich möglich. Die Abweichungen bewegen sich im Rahmen der
Grenzwerte, die mit auf CAD-Daten basierenden FE-Modellen erreicht werden
können.
50
0
–50
0
500
Frequenz in Hz
Bild 4: Einfluss der Kopplungsvariante
bei der Anregung
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
5
15
10
10
15
5
Bild 6: MAC-Analyse der untersuchten
Moden
Autoren · Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Albert Albers
albert.albers@kit.edu
Dipl.-Ing. Thomas Maier
th.maier@kit.edu
IPEK – Institut für Produktentwicklung,
Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)
www.ipek.kit.edu
Introduction
FalconSAT-5 is the latest in the series
of FalconSAT satellites from the US Air
Force Academy (USAFA). The second
of FalconSAT-5 structural engineering
models (FS-5 SEM II, Fig. 1) was constructed in spring 2008 to validate design
modifications resulting from a change in
customer/payload requirements. In the
meantime, the satellite has been launched
on November 19, 2010 onboard a Minotaur IV launch system (large image).
Fig. 1: FS-5 SEM II satellite.
Reach for the Sky
Small Satellite Finite Element Model Optimization
Using Laser Vibrometry
One of the senior capstone design courses offered at the United
States Air Force Academy is the Department of Astronautics FalconSAT
program. It is a student-run, faculty led program to design, build, test,
and eventually launch a small satellite.
FE-Modell-Optimierung an einem
Forschungssatelliten mit Hilfe der
Laservibrometrie
Am Air Force Institute of Technology
(AFIT), einem Forschungsinstitut der
US-Luftwaffe, wurde ein ModaltestVerfahren für Satelliten entwickelt. Die
Methode ermöglicht es, mit Hilfe des
PSV-400-3D Scanning Vibrometers ein
Finite-Elemente-(FE-)Modell zu generieren, dessen Strukturdynamik sehr
genau das real gemessene Schwingungsverhalten wiedergibt.
Dieser Artikel wird hier in der englischen Originalfassung wiedergegeben. Weitere Informationen über
Modaltests und Satelliten, auch in
deutscher Sprache, finden Sie unter
Image: USAF Photo Archive
11
www.polytec.de/aerospace
Image: USAF Photo Archive
Strukturdynamik
Fig. 2: USAFA cadet and faculty member integrating the payload onto FS-5.
Fig. 4: FS-5 SEM II with Polytec 3D PSV 400-3D.
Accurate predictions of the dynamic responses of space launch payloads (Fig. 2)
are required by launch vehicle integrators,
but not achieved easily. The finite element (FE) method has proven to be the
best approach in creating accurate dynamic models of complex structures.
Previous research efforts used measured
vibration data from only a few locations
on the surface of the satellite to validate
the first three predicted modes of the FE
model. However, given the capability to
collect dense vibration data over thousands of grid points presents an opportunity to develop a more accurate FE
model.
they are excited with an automated impact hammer. With each panel accurately modeled, a full satellite FE model is
assimilated, leaving only connections
between the panels, modeled by three
columns of 6 degree-of-freedom (DOF)
springs along each edge, as the design
variable to tune. The fourth step in the
tuning process is measuring modal data
from the integrated satellite and tuning
the corresponding FE model by adjusting 6 DOF spring constants and Young's
moduli of the adapter ring material,
which represents the launch vehicle
mating and ejection rings.
Researchers at the Air Force Institute of
Technology have developed a process for
extensive modal testing using the Polytec
Fig. 3: Model of
the FS-5 SEM II.
PSV 400-3D Scanning Vibrometer to
create an FE model whose dynamic
response closely matches the measured
response of FS-5.
Model Tuning
The first step in the tuning process is generating the untuned FE model (Fig. 3).
Since the primary structure of the FS-5
SEM II is comprised of relatively thin
panels, bilinear plate elements are predominantly used in the FE modeling
approach. The second step in the tuning process is hand-tuning or adjusting
the mass of each component of the FE
model to match the measured mass.
Measuring the mass of each structural
component and carefully modeling the
components results in very accurate
FE mass matrices. The third step in the
tuning process is measuring and extracting modal data from each panel and
tuning the corresponding panel FE models by adjusting the Young's modulus
of the panel materials. The vibrometer
scans a grid of points spaced approximately one inch apart over the surface
of each panel, collecting the operating
deflection shapes through 1000 Hz as
12
Experimental Setup
For panel testing, a harness which imparts the smallest amount of strain in the
panel is desirable to simulate free vibration. To accomplish this, a horizontal test
harness was built which uses a mesh of
bungee cords to suspend the panels
above the floor. The frame is adjustable in
height to allow the excitation source to fit
underneath. Excitation is provided via an
electromagnetic shaker programmed to
impart periodic impulses with an arbitrary
waveform generator and amplifier.
Fig. 5: Measured mode 5 (top) vs tuned
FEM – asymmetrical X panel breathing.
A force cell located between the stinger
and the impact plate allows the Polytec
vibrometer software to accurately estimate frequency response functions (FRFs).
This approach also provides a much better coherence than other methods. With
the panels supported and excited, data is
collected on the dynamic response over
the frequency range 0 to 1 kHz. Given
the size of the SEM II panels, noise levels
as low as those generated by people
talking, can impart erroneous inputs or
overrange the lasers, so care was taken
to only collect data at night when noise
levels were lower. Overall, eight modes
were recorded for the side panels, six
modes for the top panel, and five modes
for the base panel.
Setup for testing the full SEM II (Fig. 4)
begins with bolting the satellite stand
plate to the floor to provide rigid boundary conditions. The same automated
electromagnetic ping hammer that is
used in panel testing is positioned at a
45 degree angle to the satellite horizontal in order to excite the greatest number
of modes possible while maintaining excellent coherence. Aliasing and leakage
are issues which can be remedied with
With data collected, complex-valued
modal data is extracted from the raw data
using curve-fitting software then converted to real-values for use in tuning. With
a set of spatially dense real-valued data,
optimization may begin. Optimization
software algorithms vary the design
variables (stiffness for panels and spring
constants for the full satellite) while
attempting to minimize a cost function
based on differences between measured
and analytical eigenvalues and eigenvectors. In order to keep the model parameters from departing too far from the
nominal values, constraints are specified
in the optimization input which keep the
design variables within desired bounds.
The end result is a tuned FE model which
closely matches the modal measured
data in the frequency range of interest.
Results
The laser vibrometer collection process
for the panels yields modal data (Fig. 5)
for the first eight modes of the side
panels, six modes of the top panel, and
five modes for the base panel in the frequency range from 0 to 1 kHz. Over 400
locations were scanned on each panel in
order to collect this data. Over 6500 FRFs
were collected on the full satellite from
approximately 2200 measurement points
on the five visible surfaces. Every panel’s
FE model was successfully tuned to match
the measured data up to at least 600 Hz.
Cost function reduction is shown in Fig.
6. Overall, the tuned panel eigenvalues
matching the squared measured natural
frequencies to within 2% and the general
decreases in the cost functions indicate
successful panel tuning. The tuning process reduces the cost function for full
satellite model tuning as well, though
generally the value of the cost function
13
1012
1011
1010
109
Cost
sampling rate and window functions.
Unlike the panel data, three translational
velocities are measured at each measurement point resulting in three FRFs for
each measurement point. A best practice
is to keep all scan points within 10 to
12 degrees of the field of vision for each
head. In order to meet this restriction
with the side panels, only one panel is
tested at a time with the heads positioned
directly facing the panel.
108
Base Panel
Top Panel
Positive X Panel
Positive Y Panel
Negative X Panel
Negative Y Panel
107
106
105
104
1
2
3
4
5
6
Cycle Number
7
Fig. 6: Panel cost function reductions.
increases with increasing numbers of
modes tuned. The process allowed tuning up to the first five modes. Overall,
the tuned FE model eigenvectors for
modes 4 and 5 yield modal assurance
criterion (MAC) values which are improved by 31% and 33% over the untuned FE model respectively and natural
frequency accuracy improved by an
average of 7% when tuning the first
five modes.
Conclusions
A Polytec 3-D Scanning Vibrometer was
successfully used to develop and improve
a FE model for FalconSAT-5. Several
approaches used during creation of the
tuning process were critical to its success.
First, creating nodes on the untuned FE
model directly from the structure geometry files allows the panel models to predict modal data that closely matches the
measured values before adjusting design
variables. Next, collecting vibration data
using the Polytec laser vibrometer only at
night is a large reason the measured FRF
data has very low noise content. During
the tuning stages of the process, the
quality of the results and the ability of the
software to converge are most sensitive
to the desired allowable eigenvalue deviation.
Authors · Contact
Jay Anderson, Cole Doupe,
Prof. Jon Black, and Prof. Eric Swenson
eric.swenson@afit.edu
AFIT Air Force Institute of Technology,
Wright-Patterson AFB, Ohio, www.afit.edu
8
9
Strukturdynamik
Werkzeugmaschinen
Schwingungsanalyse zur Bewertung der dynamischen
Eigenschaften einer Reibschweißanlage
Einführung
Das so genannte Schwungrad-Reibschweißen ist ein Pressschweißverfahren zum Fügen rotationssymmetrischer
Bauteile. Bei diesem Verfahren werden
zwei Werkstücke relativ zueinander mit
Hilfe eines Schwungrads in eine Drehbewegung versetzt und mit definierter
Stauchkraft aufeinander gepresst (Bild 1).
Aufgrund der hierbei entstehenden Reibungswärme plastifizieren die Werkstoffe
in der Fügezone, sodass ein Stauchen der
Bild 1: Prinzip des Reibschweißens.
Links: rotierendes Schwungrad;
Mitte (grau): zu verbindende Komponenten;
rechts: Stauchantrieb
Bauteile und schließlich die Verbindungsbildung erfolgt. Der Wunsch nach einer
hohen Fertigungsgenauigkeit und Qualität der Schweißverbindungen erfordert
den Einsatz von Fertigungsanlagen mit
guten dynamischen Steifigkeitseigenschaften, besonders angesichts der beträchtlichen Prozesskräfte, die während
der Anwendung auftreten.
einheit. Um die komplette Anlage zu
erfassen, wurde das Vibrometer mehrfach
neu positioniert und die resultierende
Messdatei aus elf Einzelmessungen mit
insgesamt 2263 Messpunkten zusammengesetzt. In Bild 3 sind das Messmodell
Untersuchungsmethode und
Ergebnisse
Zur Bewertung des dynamischen
Maschinenverhaltens wird eine experimentelle Modalanalyse durchgeführt.
Die Messung der Strukturdynamik erfolgt
mit Hilfe eines 3D-Scanning Vibrometers,
wobei die mechanische Anregung der
Maschinenstruktur über einen elektrodynamischen Shaker erfolgt. Hierdurch
wird es möglich, das Schwingungsverhalten der Reibschweißanlage sehr effizient und mit hohem Detaillierungsgrad
zu untersuchen. Bild 2 zeigt den Messaufbau. Die Analyse des Schwingungsverhaltens sowie die Identifikation der
Eigenfrequenzen erfolgt rechnerunterstützt mit Hilfe der zugehörigen Zentral14
Bild 3: Messmodell
der Reibschweißanlage
Bild 4: Eigenform der Anlage bei Phasenlage ϕ = 0° (oben) und ϕ = 180° (unten)
Nachgiebigkeit in m/N
5,0E-07
4,0E-07
relativ: A_X - B_X
PSV-400-3D Scanning
canning
Vibrometer
relativ: A_Y - B_Y
3,0E-07
relativ: A_Z - B_Z
2,0E-07
1,0E-07
0,0E+00
0
100
200
300
400
500
Frequenz in Hz
600
700
Bild 5: Frequenzgang der relativen Nachgiebigkeiten der beiden zu verbindenden Werkstücke (Messpunkte A und B) in X-, Y- und
Z-Richtung
sowie in Bild 4 beispielhaft eine ausgewählte Eigenform der Reibschweißanlage
dargestellt. Von besonderem Interesse
ist das relative Nachgiebigkeitsverhalten
zwischen den beiden Werkstücken, da
dieses maßgeblich die erreichbare Fertigungsgenauigkeit bestimmt. Durch eine
Synthetisierung der aufgenommenen
Frequenzgangsfunktionen lässt sich der
relevante Frequenzgang der relativen
Nachgiebigkeiten berechnen (Bild 5).
Schlussfolgerung und Ausblick
Die strukturdynamische Untersuchung
hat ergeben, dass die ersten prägnanten
Eigenfrequenzen deutlich über der prozesskritischen Frequenz von 100 Hz liegen
und die dynamischen Nachgiebigkeiten
im Vergleich mit typischen Werkzeugmaschinen besonders niedrig sind. Auf
Die dreidimensional scannende
e
naues
Laservibrometrie ist ein hochgenaues
tionsWerkzeug für Test- und Simulationsgingenieure, um Betriebsschwingplexer
formen und Eigenformen komplexer
u über
Objekte schnell und punktgenau
einen weiten Frequenzbereich zu
nning
ermitteln. Das PSV-400-3D Scanning
gen
Vibrometer erfasst Schwingungen
gsfrei,
berührungslos und rückwirkungsfrei,
on der
bietet eine intuitive 3D-Animation
nittMessergebnisse und DatenschnittEMstellen zu Modalanalyse- und FEMSoftware.
www.polytec.de/psv3d
Grundlage der gewonnenen Ergebnisse
können einerseits Rückschlüsse auf das zu
erwartende Maschinenverhalten bzw. die
Fertigungsgenauigkeiten gezogen werden
und andererseits Maßnahmen zur Verbesserung des Strukturverhaltens für spätere
Maschinenkonstruktionen abgeleitet
werden.
Messpunkt A
Messpunkt B
Shaker
Autoren · Kontakt
Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Dipl.-Ing. (FH)
Marc Lotz, Dipl.-Ing. Oliver Rösch,
oliver.roesch@iwb.tum.de
Institut für Werkzeugmaschinen und
Betriebswissenschaften (iwb), Technische
Universität München, Garching
www.iwb.tum.de
Messköpfe
Zentraleinheit
Bild 2: Versuchsaufbau zur Messung der dynamischen Eigenschaften der Reibschweißanlage (rechts: 3D-Scanning Vibrometer)
15
Strukturdynamik
Zeit, dass sich was dreht
Rotierende Werkzeuge dynamisch vermessen
Schwingungen und deren Moden
sind ein wichtiges Thema, wenn
es um Schallreduktion geht oder
wenn dynamische Vorgänge prozesssicherer gestaltet werden
müssen. Die Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe
e.V. (FGW) in Remscheid beschäftigt sich in ihrem hauseigenen
Forschungsinstitut seit 60 Jahren
unter anderem mit den dynamischen Prozessen beim Kreissägen.
Bild 1: Schwingungsmessung an einer Trennscheibe
Einführung
Scheibenförmige Werkzeuge, seien es
Kreissägeblätter, Trennschleifscheiben
oder Maschinenmesser, werden in fast
allen Bereichen der industriellen Fertigung, aber auch im Handwerk und im
privaten Bereich eingesetzt. Ihre Durchdringung ist sehr hoch. Das Kreissägeblatt beispielsweise liefert heute noch,
wenn es um Trennprozesse geht, die
höchste Effektivität. Tief gefrorener Fisch
oder auch mehrere hundert Grad warme
Stahlbrammen werden gleichermaßen
damit getrennt. Allerdings erfordern
unterschiedliche Trennprozesse auch
individuelle Werkzeuge. Das „UniversalSägeblatt“ für alle Anwendung gibt es
nicht.
Allen scheibenförmigen Trennwerkzeugen ist aber eines gemeinsam: das
ungünstige Durchmesser-zu-DickenVerhältnis, das eine hohe Sensitivität
gegenüber Schwingungen und Schnittfugenverläufen mit sich bringt, was
wiederum die Effektivität und auch die
Produktivität der Werkzeuge reduziert.
Die Forderung nach dünneren Sägen
für schmalere Trennschnitte erschließt
seit Jahrzehnten ein weites Forschungsund Entwicklungsfeld, welches von
der FGW unter hoher internationaler
Anerkennung bearbeitet wird.
zeugs von den Erregerfrequenzen zu
separieren, um dadurch Resonanzen zu
verhindern. Mit wachsender Drehzahl
weichen die Eigenfrequenzen von den in
Ruhe gemessenen ab, was eine dynamische Eigenfrequenz- und Modenbestimmung notwendig macht.
Messung dynamischer Eigenschaften
Um das dynamische Verhalten der Werkzeuge zu verbessern, arbeitet man mit
verbesserten Dämpfungseigenschaften
sowie gezielt eingebrachten (Eigen-)Spannungen. Letztere sollen dazu dienen, die
so genannten Eigenfrequenzen des Werk-
In dem hier vorgestellten Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für Werkzeugforschung und Werkstoffe der FGW,
dem Institut für Mess- und Regelungstechnik und dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, beide
Universität Hannover, wurden Trenn-
Bild 2: laborfeste Schwingungsmode
Bild 3: objektfeste Schwingungsmode
16
objektfest
ωeig
Amplitude o. E.
laborfest
In der Theorie spalten die Eigenfrequenzen in jeweils eine vorwärts laufende und
eine rückwärts laufende Welle auf, die
durch ein Campbell-Diagramm wiedergegeben werden.
300
In Bild 2 ist die laborfeste Schwingungsmode der Trennscheibe (mit Frequenzaufspaltung) zu sehen, in Bild 3 die
objektfeste Schwingungsmode ohne
Frequenzaufspaltung. Bild 5 zeigt die
Aufspaltung der Eigenfrequenzen in
einem Campbell-Diagramm bei zunehmenden Drehzahlen.
520
540
n ωrot
560 580 600 620 640 660
Vibrometer-Messfrequenz in Hz
Bild 4: Eigenfrequenzaufspaltung
bei laborfesten Messungen
200
150
100
50
Experimentelle Arbeiten
und Ergebnisse
Diese Frequenzaufspaltung konnte auch
experimentell erfasst werden (Bild 4).
Die objektfesten Knotenlinien, die mit
der Kombination aus Laservibrometer
und Derotator gemessen wurden, bewegen sich dabei mit Drehzahlgeschwindigkeit auf der Trennschleifscheibe unter
dem laborfesten, mit Hilfe eines induktiven Messsystems bestimmten Messpunkt. Mathematisch kann diese Modulation durch den Knotendurchlauf als
eine Multiplikation von Kosinustermen
ausgedrückt werden und über das Additionstheorem wird die symmetrische Aufspaltung in der Gleichung rechts sichtbar.
durchgehende Linien: mit Derotator
gestrichelte Linien: ohne Derotator
250
Eigenfrequenz in Hz
schleifprozesse für die Natursteinbearbeitung mit unterschiedlich ausgelegten
Trennschleifwerkzeugen dynamisch
untersucht (Bild 1). Hier kommt ein so
genannter Derotator zum Einsatz, der
über ein optisches Dove-Prisma rotierende
Bauteile virtuell in den Stillstand versetzt.
Die rotierenden Bauteile werden dadurch
für die optische Messung durch ein Laservibrometer zugänglich und es können
Schwingungen objektfest unter Rotation
gemessen und analysiert werden.
–n ωrot
0
0
2
4
6
8
10
Drehzahl in Hz
12
14
16
18
Bild 5: Gemessenes Campbell-Diagramm einer Trennschleifscheibe
(
)
cos n · ωrot t · cos
(ω
eigen t
)=
· cos
((ω
eigen
+ n · ωrot) · t) +
Zusammenfassung und Ausblick
Ziel des Forschungsvorhabens war es,
über die Bewertung der Schwingungen
im Prozess deren Einfluss auf den Schnittverlauf beim Trennschleifen von Naturstein zu reduzieren. Mit Hilfe der hier
beschriebenen Methode konnten drehzahlabhängige Eigenfrequenzverschiebungen determiniert und den entsprechenden Eigenmoden zugeordnet werden. Sie
bietet damit ein messtechnisches Werkzeug, um ausgewählte Anlagen- und Prozessparameter entsprechend ihrer Auswirkungen auf den Gesamtprozess hin
dynamisch zu bewerten.
· cos
((ω
eigen
– n · ωrot) · t)
Autor · Kontakt
Dr. Christian Pelshenke
pelshenke@fgw.de
Forschungsgemeinschaft Werkzeuge
und Werkstoffe e.V. (FGW), Remscheid
www.fgw.de
Das Forschungsvorhaben (IGF FV-Nr.
14546/IV) wurde dankenswerterweise
aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) im Programm zur Förderung
der Industriellen Gemeinschaftsforschung
(IGF) über die Arbeitsgemeinschaft
industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke” e.V. (AiF) gefördert.
Optischer Derotator von Polytec
Der Derotator erlaubt es, mit einem
Scanning Vibrometer die Schwingform
rotierender Messobjekte im mitrotierenden
Koordinatensystem unter realen Bedingungen bei Drehzahlen bis 24000 U/min
17
zu messen. Alle Versteifungseffekte bei
hohen Drehzahlen und die tatsächliche
Schwingform und -frequenz werden erfasst, beispielsweise für Ordnungsanalysen.
www.polytec.de/derotator
680
700
Betriebsfestigkeit
Gain Control of Strain
Optical Measurement of the Dynamic Strain Field of a Fan Blade
Using a 3-D Scanning Vibrometer
Introduction
Optische Messung dynamischer
Spannungsverteilungen an einem
Turbinenblatt und an Leiterplatten für die Luftfahrtindustrie
Untersuchungen an der Universität
Brüssel zeigten sehr gute Übereinstimmungen zwischen mit dem 3D-Scanning Vibrometer und mit Dehnungsmesstreifen bestimmten Spannungsverteilungen sowie dem zugehörigen
FE-Modell. Das vibrometrische Verfahren ergibt um Größenordnungen
genauere Ergebnisse als die konventionelle Methode, bei der zudem
durch die aufgeklebten Messstreifen
auch die dynamischen Eigenschaften
beeinflusst werden.
Bei Millenium Dynamics wurde für
The Boeing Company eine Methode
zur Bestimmung von Spannungsverteilungen an Leiterplatten mit dem
1D-Scanning Vibrometer entwickelt.
Beide Artikel werden hier in der englischen Originalfassung wiedergegeben.
Weitere Informationen über dynamische Spannungs- und Dehnungsmessungen, auch in deutscher Sprache,
finden Sie auf unserer Homepage unter
www.polytec.de/strain.
A primary goal in many studies of structural dynamics is to identify the locations
on a structure at which failures are most
likely to occur. Since it is well known that
fatigue damage due to vibration is associated with fluctuating strain, it is very
desirable to identify the locations of maximum strain. To ensure dynamic and fatigue strength, it is necessary to measure
the dynamic strain distribution on these
structures. Furthermore, it is necessary
to obtain an accurate and full-field strain
distribution when using experimental
data to verify and update a finite element (FE) model.
One of most basic methods to measure
strain is using strain gages. There are
a lot of drawbacks to this method. The
strain gage is fixed to one location, and
in small, lightweight structures the strain
gages and their connecting cables create
an additional mass-loading effect and
added damping. Determining the exact
position of the strain gage on the test
surface can be another difficulty, since
the strain maxima in real components
can deviate from the model-predicted
locations due to, for example, manufacturing variations and tolerances. With18
out the guidance of an FE model it is very
difficult to ensure that you have identified
the precise location of maximum strain
because it is not practical to use a large
number of strain gages.
Many optical methods were developed
in the search for a better strain measurement technique. Scanning Laser Doppler
Vibrometry (SLDV), a non-contact optical
method with high spatial and vibration
resolution that has been in use since the
1990s, was recently enhanced for 3-D
measurements, resolving the vibration
into the out-of-plane and in-plane components.
Theoretical Background
Using one SLDV only the transverse displacement w of a vibrating plate can be
measured correctly. According to small
deformation theory, the strain components in a plate due to bending are given
by
∍xx(x, y, t) = –z
∂2w(x, y, t)
∂x2
∍xy(x, y, t) = –z
∂2w(x, y, t)
∂x∂y
∍yy(x, y, t) = –z
∂2w(x, y, t)
∂y 2
with z the transverse distance relative
to the center of the plate, w(x, y, t) the
transverse displacement, x and y the
coordinates of a point along the surface
of the plate and t the time.
On the other hand, strain at the surface
of a structure is equal to the spatial derivative of the in-plane surface displacement. Surface strains are often of major
concern because they are typically greater than internal strains and thus are more
likely to lead to failures. The in-plane displacements can only be measured using
the 3-D Scanning Vibrometer.
Experimental Setup and
Measurement
An aluminum fan blade was selected as
a test component, which came from the
fan assembly shown in Fig. 1. The part
was particularly interesting because of
its 3-D curvatures, small size, low weight,
high resonant frequencies and expected small strains. A second fan blade was
equipped with strain gages, and both
blades were mounted on a shaker and
placed in front of the PSV-400-3D
Scanning Vibrometer (Fig. 2).
The measurement grid was created using Polytec’s PSV software. Alternatively
it could also be imported from an FE
model. The coordinates of three points
from the FE model were used in the PSV
software to compare the results from the
measurement and the FE model (same
global coordinate system). The next step
was to perform a precise measurement
of the coordinates of all grid points using
the Geometry Scan Unit and Video Triangulation feature of the PSV software.
During the measurement with the Scanning Vibrometer, a frequency sweep
was executed in order to obtain a frequency spectrum, as shown in Fig. 3.
The resonant frequencies were identified
by selecting the peaks in the frequency
spectrum, visualizing the corresponding
mode shapes and comparing them with
the FE model.
The strain measurements were then
executed at these resonant frequencies
using a sine excitation at different vibration levels. The signals were generated
using Polytec’s on-board waveform generator and externally amplified. Using
the attenuator button it was very easy
to obtain vibration levels of 0 dB (10 V),
-20 dB and -40 dB.
Fig. 1: Fan blade with strain gages
in complete fan.
Fig. 3: Frequency spectrum of the fan blade
without strain gages.
The effect of these strain gages can
clearly be seen in Fig. 4, which shows
the frequency sweep measurement of
the fan blade with strain gages attached.
It is clear that some resonant frequencies
Fig. 4: Frequency spectrum of the fan blade
with 10 strain gages.
are shifted and that the amplitude of the
associated peaks is reduced due to the
added damping. In particular, the peak
round 2 kHz has almost completely disappeared. This shows how important a
non-contact (optical) method can be for
small size structures. Using only strain
gages it would be almost impossible to
find all of the resonant frequencies and
the correct (maximum) strains.
Model Validation
In this section the experimental results
of both the 3-D Scanning Vibrometer
and strain gages are compared with an
FE model.
Fig. 2: Measurement setup: (a) PSV-400 scanning heads; (b) video camera; (c) fan blades
mounted on (d) shaker.
19
Betriebsfestigkeit
After the measurements the FE model
was updated to obtain similar resonant
frequencies. The resonant frequencies
obtained by the FE model and 3D-SLDV
are shown in Table 1. It’s clear that attaching strain gages has a large influence
on the (higher) resonant frequencies.
Since the mode shapes of the FEM match
the mode shapes measured with the
Vibrometer, the differences between the
resonant frequencies were not relevant,
so no more effort was put into further
updating (the boundary conditions of)
the FE model.
Comparison of Strain Results
This section shows the strain distributions
obtained from the 3-D Scanning Vibrometer measurements compared to the
FEM results. In addition, the full paper
features a comparison between the 3-D
Scanning Vibrometer, FE model and
strain gages using slices at the location
of the strain gages (not shown here). As
Fig. 5 shows, there is an excellent agreement in the normal strain between the
FE model and the vibrometer. Only the
measurement of the normal strain perpendicular to the curved surface (X-direc-
FE Model
3-D Scanning Vibrometer
#
f [Hz]
Blade without gages
f [Hz]
Rel. diff. [%]
Blade with gages
f [Hz]
Rel. diff. [%]
1
650
650
0
650
0
2
2015
2100
4
2188
9
3
3082
2725
–12
2725
–12
4
4183
3975
–5
3725
–11
5
5865
6138
5
5950
1
Table 1: Comparison of the resonant frequencies.
tion) shows more deviation. Additional
investigations show that it is even possible to obtain satisfying results for the shear
strain. The agreement for the shear strain
in the XY-plane is slightly worse than for
the other planes, but still satisfactory.
Conclusions
This investigation demonstrates that it is
possible to obtain reliable dynamic surface strains from 3-D displacement data
obtained with a 3-D Scanning Vibrometer. Shear strains as well as the normal
strains can be measured accurately, as
shown, by comparing the vibrometer
measurement results with both a finite
element model and strain gage measurements. It was proven that the dynamic
behavior of the structure is changed by
attaching strain gages to a fan blade.
Some resonant frequencies were shifted
and the peaks were greatly reduced at
certain resonant frequencies. Non-contact measurements clearly do not exhibit
these disadvantages. Moreover it was
shown that the sensitivity of the vibrometer is much higher than strain gages.
Strains can be measured up to one order
of magnitude smaller compared to strain
gages. The 3-D Scanning Vibrometer
certainly has the potential to accurately
measure small (full-field) normal and
shear strains at both low and high frequencies, where other optical techniques
would definitely fail.
Authors · Contact
Ing. Cedric Vuye 1,2,
cedric.vuye@artesis.be,
Prof. Steve Vanlanduit 2
steve.vanlanduit@vub.ac.be,
Dr. Flavio Presezniak 2,
Dr. Gunter Steenackers 2 and
Prof. Patrick Guillaume 2
1
Artesis Hogeschool Antwerpen,
and Vibration Research Group,
Dept. of Mechanical Engineering,
Vrije Universiteit Brussel, Belgium
2 Acoustics
Reprinted from Optics and Lasers in
Engineering, C. Vuye, S. Vanlanduit,
F. Presezniak, G. Steenackers and
P. Guillaume, Optical measurement of
the dynamic strain field of a fan blade
using a 3D scanning vibrometer, 2011
http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.
2011.01.021 with permission from Elsevier.
Fig. 5: Normal strain at 3975 Hz. Left: FE model; right: vibrometer results; top: X-axis;
middle: Y-axis; bottom: Z-axis.
20
For Plate-like Structures:
Strain Field Computation Using 1-D Scanning Laser Doppler Vibrometry
Millennium Dynamics Corporation is an
active provider of engineering services
and solutions to the Aerospace Industry.
The team recently developed strain computation software for a plate-like structure
based on out-of-plane velocity measurements using Polytec’s single beam Scanning Laser Doppler Vibrometer. The plate
structure may be dynamically excited
using a piezoceramic actuator. The propagating wave velocity field is measured
over a region of interest. Kirchhoff plate
theory is used to compute the strain field
at every instance of response measurement. The software was designed to accept measured response data files from
Polytec’s PSV-400 Scanning Vibrometer
system in a universal file format (Fig. 1).
The accuracy of the computed strain was
validated against theoretical data. The
software was developed for The Boeing
Company in support of lead-free circuit
board design. The computed strains
(Fig. 2) were found to be within 5% of
the measured values at a number of locations during a real test.
Fig. 1: Screenshot of Millenium Dynamics’
strain computation software.
Fig. 2: Strains computed from Scanning Vibrometer measurements.
Author · Contact
Vin Sharma, PhD,
vin.sharma@millenniumdynamics.com
Millennium Dynamics, Marietta, GA
www.millenniumdynamics.com
Dynamische 3D-Spannungs- und Dehnungsmessungen
Der Polytec StrainProcessor ist ein Werkzeug zum Finite Element Modell-Update
und damit zum Vergleich von berechneten und gemessenen Dehnungswerten.
Das Paket besteht aus speziell entwickelten
Hardware- und Softwarekomponenten.
Die Eingangsdaten liefert das PSV-400-3D
Scanning Vibrometer – ein fester Bestandteil effizienter Messstrategien in der Welt
der Modalanalyse und der Strukturdynamik.
www.polytec.de/strain
21
Schadensanalyse
What’s the Damage?
Structural Damage Detection Using Laser Vibrometers
Laser vibrometers offer reliable,
fast and non-contact measurements attractive for damage detection in aerospace structures. This
article demonstrates a few possible
approaches including methods
based on modal analysis, Lamb
waves and nonlinear vibro-acoustic
modulations.
Laser-based velocity
measurements are
also used for strain
estimation.
Introduction
Übersichtsartikel:
Schadenserkennung und -Analyse
mit Laservibrometern
Laservibrometer ermöglichen schnelle
und zuverlässige Messungen an Strukturen und Komponenten, beispielsweise aus der Luft- und Raumfahrt.
Unterschiedliche Ansätze zur Schadensbestimmung mittels Modalanalyse,
Lambwellen, nichtlinearer vibroakustischer Modulation und anderer
Techniken werden vorgestellt.
Dieser Artikel wird hier in der englischen Originalfassung wiedergegeben. Weitere Informationen über
Vibrometer-Anwendungen in der Luftfahrt finden Sie auf unserer Homepage
unter www.polytec.de/aerospace.
Aircraft designers, manufacturers and
operators will face many challenges in the
near future. New large capacity civil airframes that make greater use of composite
materials are being developed and will be
more widely used. At the same time, new
military structures exhibit improved performance associated with greater structural
complexity. All of these developments
are a major challenge to aircraft structure
inspection and maintenance methods.
Existing, aging aircraft structures already
require a significant maintenance effort.
The application of new materials and
wider use of damage-tolerant concepts
in new aircraft will also require reliable
damage monitoring for quality control,
with regular periodic inspections to main22
tain safety. Over recent years, a number
of new technologies have evolved with
the potential for damage detection in
aerospace structures. Methods based
on non-contact optical/laser measuring
techniques are particularly attractive for
aerospace applications.
Low-Frequency Vibration Measurements
■
Modal Analysis
Experimental modal analysis was performed on various rectangular uncracked
and cracked aluminum plates. The plates
were freely suspended and excited using
a piezoelectric stack actuator with a chirp
signal starting at 1 Hz and crossing 2000
Hz in 2 s. The entire surface of each plate
was then scanned using the 3-D Scanning
Vibrometer. Modal analysis was performed to obtain the Frequency Response
Function (FRF) and vibration modes, as
illustrated for one sample in Fig. 1.
High-Frequency Ultrasound
Measurements
Various vibration-based characteristics
can be used to detect structural damage.
The test performed focused on the natural frequency shift between damaged
and undamaged samples which was 8%
but only for the first vibration mode (not
shown here). In general, this approach is
easy and fast to perform but works only
well for large and severe damage.
Non-contact measurements are useful
when non-linear acoustics is applied
for structural damage detection. The
method relies on various nonlinear phenomena associated with ultrasonic wave
propagation and wave interaction with
contact-type damage. A vibro-acoustic
modulation technique was used to demonstrate this approach. The cracked
aluminum plate was modally excited
with an electromagnetic shaker, then an
ultrasonic 60 kHz sine wave was introduced to the plate using a piezoceramic
transducer. Acoustical responses were
measured using the 1-D Scanning Vibrometer. A series of modulation sidebands
– corresponding to the frequency of the
1st vibration mode excitation – around
the fundamental 60 kHz ultrasonic component, can be clearly observed in the
response power spectrum (Fig. 4). The
amplitude of the acoustical response
(A0) and the first two modulations sidebands (A1 and A2) can be used to calculate the modulation index R = (A1 + A2)/
A0 which can then be used to detect a
fatigue crack in the plate.
Strain Estimation
It is well known that 3-D laser vibrometers can be used for static and dynamic strain analysis when deflection measurements are performed and additional
calculations (e.g. Polytec StrainProcessor
Software) used. Application examples in
this area include strain analysis for damage detection. Another approach for estimating strain levels uses the relation of
dynamic bending strain ζ with measured
velocity v:
ξ (x, y, f) =
Kshape
v (x, y, f)
cL
The method is particularly useful when
small strain levels involved are difficult
to measure with either electrical resistance or piezoelectric strain gages. This
approach was used to estimate strain
levels for the piezo-excitation used in
the previous section. The analysis (Fig. 3)
shows that the 1st vibration mode excitation produces the largest strain level
for the excitation used.
■
Lamb Wave Based Inspection
Lamb waves are widely used for structural damage detection in plate-like
structures (see LM INFO Special 2/2006
at www.polytec.com/InFocus). This
damage detection approach often
requires a significant number of transducers for monitoring of large structures, but recent years have demonstrated that laser vibrometers can be
used effectively for Lamb wave sensing
and damage detection. A simple example illustrating this approach is demonstrated in this section. A rectangular
composite plate was monitored for
hidden impact damage.
Amplitude in dB
11
0
6
7
13
10
8
–20
–40
–60
–80
–100
0
200
400
600
800
Experiment
Simulation
Fig. 1: Right: FRF amplitude; left: example
of one vibration mode (mode 6) extracted.
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
20
40
60
80
100
Excitation level in Vpp
Fig. 2: Crack edge divergence analysis
in x (in-plane) direction.
5.0x10–6
Vibration mode 1
Vibration mode 3
Vibration mode 6
4.0x10–6
3.0x10–6
2.0x10–6
1.0x10–6
0.0
0
20
40
60
80
100
120
Excitation level in Vpp
Fig. 3: Strain level estimation based on
velocity measurements.
A0
0.07
0.06
0.05
0.04
A1
0.03
A2
0.02
0.01
59.6
59.7 59.8
59.9 60.0
60.1 60.2 60.3 60.4
Frequency in kHz
Fig. 4: Power spectrum displaying vibro-acoustic
modulations in a cracked aluminum plate.
23
1000
Frequency in Hz
ΔVelocity,
y x10–3 m/s
The 1st, 3rd and 6th vibration modes of
the cracked aluminum plate were excited harmonically at different amplitude
levels. These three excitations led to three
different crack modes, i.e. opening, tearing, and sliding crack modes, respectively.
The 3-D Scanning Vibrometer was used
to measure relative velocity in the vicinity
of the crack at two points, i.e. above and
below the crack line. This data was used
to analyze indirect crack divergence
(Fig. 2).
3
Nonlinear Vibro-Acoustic
Modulation Technique
Strain level
Crack Divergence Analysis
1
20
Amplitude
■
■
40
140
Schadensanalyse
A transducer was surface bonded to the
plate and used to introduce a 100 kHz
ultrasonic signal to propagate Lamb
waves that were captured using a 3-D
Scanning Vibrometer. The plate was
scanned to clearly reveal delamination
in Fig. 5.
Optimal Sensor Location
Laser vibrometry offers relatively fast and
non-contact low- and high-frequency
measurements for a dense grid of structural locations. This is particularly useful
when trying to identify optimal sensor
location in applications related to modal
Amplitude in mm/s
Amplitude [mm/s]
0.15
0.15
C
A-B amplitude profile
A-B amplitude profile
0.1
0.1
0.05
0.05
00
-0.05
–0.05
0
50
100
[mm]
Distance in
mm
150
150
Delamination
A
B
D
Fig. 5: Lamb wave scan for
the out-of-plane z direction
propagation – contour plot
and amplitude profiles.
Amplitude in mm/s
Amplitude [mm/s]
0.15
0.15
0.05
0.05
00
150
50
100
150
Distancein
[mm]
Distance
mm
200
<0.7
0.7 – 0.8
0.8 – 0.9
0.9 – 1.0
1.0 – 1.1
>1.1
56
Measured point
65
The article has demonstrated a number
of possible applications of laser vibrometry for non-destructive testing and
structural health monitoring. Low-frequency (vibration) and high-frequency
ultrasound measurements with laser
vibrometers were performed for in-plane
and out-of-plane oscillations. The work
presented illustrates applications related
to modal analysis, crack divergence analysis, strain estimation, damage detection
and optimal sensor investigations.
C-D
C-Damplitude
amplitudeprofile
profile
Points above crack
Crack line
80
Conclusions
0.1
0.1
–0.05
-0.05
0
400
Points around crack
70
Authors · Contact
Dr. Ruztamreen B. Jenal,
Prof. Wieslaw J. Staszewski,
w.j.staszewski@sheffield.ac.uk,
Dept. of Mech. Engineering,
Sheffield University, UK
Dr. Andrzej Klepka, Prof. Tadeusz Uhl,
Dept. of Robotics and Mechatronics,
AGH University of Science and
Technology, Krakow, Poland
Low frequency
excitement
69
analysis, nonlinear acoustics or guided
ultrasonic waves. The problem is to find
the best measurement position to obtain
the largest value of the modulation index indicating damage. In the example
described here, non-linear vibro-acoustic
modulation test was used. Fig. 6 gives
positions of low-frequency vibration and
high-frequency ultrasonic excitation together with locations where responses
were measured using the 3-D Scanning
Vibrometer. Modulation indices were
then calculated for all analyzed response
locations (Fig. 6, right). Interestingly, the
largest values of modulation intensity
were obtained when the response measurements were taken in the lower part
of the plate, where the excitation transducers were located. The study illustrates
how to optimize sensor location to achieve
the best damage detection results.
Acknowledgements
60
High frequency
input
Points below crack
150
Fig. 6: Optimal sensor location analysis for fatigue crack detection based on nonlinear vibroacoustic modulations. Left: transducer locations; right: modulation intensity distribution.
24
This contribution is based on the
same-titled paper presented at the
2nd International Symposium on NDT
in Aerospace, Nov. 22. – 24. 2010,
Hamburg, Germany;
http://www.ndt-aerospace.com/
Portals/aerospace2010/BB/tu1b3.pdf
bindungen. Eine bewährte SHM-Methode
basiert auf der Identifikation von Defekten
mittels geführter Wellen, wie nachfolgend
beschrieben.
Funktionsprinzip der Strukturüberwachung mit geführten Wellen
Im Gegensatz zu den aus Wasserbewegung und Luftschall bekannten Volumenwellen weisen geführte Wellen (auch als
Lamb- oder Plattenwellen bekannt) eine
Reihe von Besonderheiten auf. U.a. treten
sie in unterschiedlichen Schwingungszuständen (Moden, s. Bild 1) in Erscheinung,
besitzen eine geringe Ausbreitungsdämpfung, sind fokussierbar und können sich
über enge Biegungen und Kanten nahezu
ungestört ausbreiten.
Sicherer Betrieb
Charakterisierung der Anregung und Ausbreitung
geführter Wellen in der Strukturüberwachung
Structural Health Monitoring
SHM-Anwendungen finden sich beispielsweise bei der Prüfung von Brücken
und Rohrleitungen, der Untersuchung
von Windkraftanlagen, von aerodynamischen Auftriebsprofilen und insbesondere
für Hot-Spot-Messungen kritischer Ver-
1
1
0.5
0.5
z in mm
z in mm
Verschiedene Methoden der Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring,
SHM) werden bei Bauwerken, Anlagen
und Komponenten angewandt, um deren
Funktionsfähigkeit während der Betriebsdauer sicherzustellen. Risse, Verformungen oder andere Schädigungen sollen
frühzeitig erkannt werden, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Die
Inspektionsintervalle werden so gewählt,
dass sich Schädigungen bemerkbar
machen, bevor es zu einem Totalausfall
kommt. Schon die Feststellung, ob ein
Schaden vorliegt oder nicht, kann beispielsweise in der Luftfahrt die erforder-
lichen Wartungszeiten um bis zu 40 %
reduzieren. Durch weitergehende Untersuchungen können der Ort und die
Größe des Schadens ermittelt werden,
um letztendlich eine Aussage treffen zu
können, ob der Schaden einen Einfluss
auf die Eigenschaften und die Verlässlichkeit der Struktur hat und ob daher
gegebenenfalls ein Austausch oder eine
Reparatur erforderlich wird.
0
–0.5
0
–0.5
–1
–1
0
0.5
1
x in mm
1.5
2
0
0.5
1
x in mm
1.5
2
Bild 1: Visualisierung der Teilchenauslenkungen der Grundmoden einer geführten
Welle in einer 2 mm dicken Stahlplatte bei f = 2 MHz, links: asymmetrische Mode,
rechts: symmetrische Mode
25
Bild 2: Eingebettete Ultraschall-Wandler
für das Structural Health Monitoring
an einem Flügelsegment
Die Strukturüberwachung nutzt die Eigenschaften geführter Wellen, in dem eine
Anzahl an Ultraschall-Wandlern in einer
geeigneten geometrischen Anordnung
dauerhaft in der zu prüfenden Struktur
eingebettet wird (Bild 2).
Die Wissenschaftler vom FraunhoferInstitut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Dresden gehen bereits einen
Schritt weiter und integrieren elektronische Schaltungsträger zusammen mit der
Aktorik und Sensorik. Voraussetzung für
den Einsatz dieser intelligenten Strukturen ist, dass die Dicke der Elemente klein
gegenüber der akustischen Wellenlänge
ist. Die Ausbreitung und das Verhalten
der durch die Wandler erzeugten Wellen
hängen von der Anwesenheit und Größe
möglicher Defekte ab und werden wiederum durch das Wandler-Array erfasst. Anschließend wird deren Lage durch einen
speziellen Rekonstruktionsalgorithmus
ausgegeben.
Bild 3: Lokalisierung eines Defekts (rot)
in einer Struktur mit vier Wandlern
(weiße Punkte in den Ecken)
Bild 4: Richtungsdiagramm der Quellstärke einer erfolgreichen
(links), einer fehlerhaften (mittig) und einer Sensorintegration
mit Vorzugsrichtung (rechts)
umgerechnet und anschließend radial
über den jeweiligen Winkelschritten abgetragen. In besonderen Fällen ist es dagegen von Vorteil, Wandler mit einer Vorzugsrichtung zu verwenden, wie in Bild 4
veranschaulicht.
Ist allein die Stärke der Quell- oder Empfangswirkung von Interesse, so reicht eine
eindimensionale Charakterisierung aus.
Für komplexere Monitoringkonzepte ist
es von Vorteil, das vollständige Wellenfeld
mittels 3D-Vibrometrie zu erfassen. Damit
ist es möglich, die drei Raumrichtungen
der Schwingung des Messpunktes getrennt zu erfassen (Bild 5). Besonders bei
der Klassifikation verschiedener Fehlerbilder ist dies von Interesse, da diese
charakteristische Antworten in der
Komponentendarstellung hinterlassen.
Zusammenfassung
Bild 5: Zeitlich aufgelöste 3D-Komponentendarstellung der Teilchenauslenkung eines
Messpunktes über der Zeit in Samples (I: In-plane in Richtung der Wellenausbreitung,
J: In-plane orthogonal zur Wellenausbreitungsrichtung, K: Out-of-Plane)
Bild 3 zeigt das Lokalisierungsmuster
einer Struktur mit einem Defekt, der
durch nur vier Wandler bestimmt wird.
Experimentelle Arbeiten
Bei der Entwicklung geeigneter Wandler
für das SHM ist es notwendig, sowohl
deren Anregungs- und Empfangseigenschaften charakterisieren zu können,
als auch die Ausbreitung der Wellen
hinsichtlich Dämpfung oder möglicher
Wandlungseffekte genau zu verfolgen.
Solche Untersuchungen sind einfach und
mit hoher Genauigkeit mittels Scanning-Laservibrometrie möglich, die aus
diesem Grund als Schlüsseltechnologie
für die Entwicklung dieser Methode gilt.
Ein typisches Vorgehen besteht darin,
dass zunächst die ausgesuchten Wandler
in die Teststruktur eingebracht werden.
Mit dem Scanning Vibrometer werden
dann die entstehenden Wellenfelder
räumlich sowie zeitlich gemessen und
aufgezeichnet. Aus den Messdaten lassen
sich wichtige charakteristische Parameter,
wie beispielsweise Koppelfaktor, Absorptionsgrad oder die Reichweite ableiten.
Von besonderem Interesse für ein Überwachungssystem ist die Richtungsabhängigkeit der Wandler. Idealerweise sollten
die einzelnen Wandler eines Monitoringsystems die gleichen Übertragungseigenschaften in allen Winkelrichtungen besitzen. Weichen diese jedoch von einander
ab, sind Fehlanzeigen oder Überwachungslücken die Folge. Um dies auszuschließen,
wird das Schallfeld eines Wandlers vermessen, die mittels Laservibrometrie gemessenen Oberflächenauslenkungen in
ein Richtungsdiagramm der Quellwirkung
26
Die beschriebene Methodik eignet sich
sowohl zur Entwicklung von Structural
Health Monitoring-Systemen hinsichtlich
der Auswahl, Eigenschaften und Anordnung der Wandler, als auch zur Qualitätssicherung der Methode im Realbetrieb,
beispielsweise zur Erkennung defekter
Wandler oder von Fehlern bei der Wandlerintegration. Sie unterstützt daher aktuelle Trends der zunehmenden Integration
von Sensoren einschließlich der dazugehörigen Elektronik in Flügel und Rumpfschalen der Luftfahrtindustrie sowie in
Rotorblättern von Windenergieanlagen
mit dem Ziel der Fernüberwachung und
-diagnose.
Autoren · Kontakt
Wandlercharakterisierung, Vibrometrie
Dipl.-Ing. T. Windisch, Dr. B. Köhler
thomas.windisch@izfp-d.fraunhofer.de
Wellenausbreitung, Verfahrensentwicklung
M. Sc. L. Schubert,
Dipl.-Ing. B. Frankenstein
Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie
Prüfverfahren IZFP, Dresden
www.izfp-d.fraunhofer.de
Produktneuheiten
MSA-050-3DSV
Micro System Analyzer
3D-Schwingungsmessungen
jetzt auch an Mikrostrukturen
Bei der Entwicklung von Mikrosystemen
und feinmechanischen Komponenten
gewinnt die Analyse und Optimierung des
Schwingungsverhaltens in allen drei Bewegungsrichtungen eine immer größere
Bedeutung. Das neue MSA-050-3DSV
wird dieser Anforderung gerecht, indem
es drei Vibrometer-Messstrahlen aus
unterschiedlichen Raumrichtungen auf
einen Messpunkt fokussiert und somit
die Schwingungen des Messobjektes
dreidimensional erfasst – bis zu einer
Frequenz von 2 MHz. Ein integrierter x/yPositioniertisch verfährt die Probe während der Messung mit hoher Genauigkeit und ermöglicht somit vollflächig
scannende Messungen auch sehr kleiner
Bauteile. Das bewährte PSV-Softwarepaket von Polytec sorgt für eine effiziente Datenauswertung und visualisiert
das räumliche Schwingungsverhalten
des Messobjektes anschaulich.
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ISO 25178-Norm und können
Rauheiten bis zu wenigen Nanometern messen. Rauheitsprofile
lassen sich viel schneller als mit
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Setup-Dialog und die Einstellungen für
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strukturdynamischen Berechnung wie an Testingenieure.
Impressum
Polytec InFocus · Magazin für Optische Messsysteme
Ausgabe 1/2011 – ISSN 1864-9181 · Copyright © Polytec GmbH, 2011
Herausgeber: Polytec GmbH · Polytec-Platz 1-7 · D-76337 Waldbronn
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