Modale Shaker verringern Meßfehler bei Modalanalysen

Der Autor Dr. Ing. Dipl. Phys H.-J. Daams ist Geschäftsführer der Ziegler Instruments GmbH, Mönchengladbach

Damit die Struktur ins Schwingen gerät, gibt es unterschiedliche Anregungsmechanismen. Hierzu gehören Hammerschlaganregungen mit Kraftimpulsmessung oder aber die Ankopplung modaler Shaker. Der Vorteil der Hammerschlaganregung liegt im schnellen Meßablauf und im äußerst günstigen Preis, so daß dieses Verfahren in allen Standardfällen eingesetzt wird und zu guten Meßergebnissen führt. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß relativ wenig Energie in die Struktur eingeleitet wird, daß Deformationen der Oberflächenstruktur eintreten kann und daß der menschliche Faktor durch unterschiedliche Aufschlagwinkel das Meßergebnis beeinflussen kann. Für schwach ausgebildete oder stark gedämpfte Moden, für größere Strukturen, für deformationsweiche Strukturen, bei sehr tiefen Frequenzen und bei mehrfacher Anregung (MIMO) und für sehr genaue Messungen ist der modale Shaker mit Rausch- oder Sinusanregung besonders geeignet. Häufig werden modale Shaker abgeleitet aus klassischen Shakern für Dauerhaftigkeitsprüfungen. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß diese Shaker über Montagetische an der beweglichen Armatur verfügen, wo normalerweise das zu prüfende Bauteil befestigt wird. Will man nun diese Shaker mit einem Bolzen an der zu prüfenden Struktur befestigen, so treten viele Probleme bei der richtigen Länge, Höhe, Tiefe, Befestigungsmethode und Justiermöglichkeit auf. Schräge Anordnungen bewirken Quereinleitungen von Kräften in die Struktur, was für die Ermittlung von Übertragungsfunktionen absolut unzulässig ist. Hinzu kommt, daß man oft nicht weiß, was die beste Stelle für die Anregung ist, oder aber es sind mehrere Anregungsorte zur besseren Erzeugung von Strukturresonanzen bei bestimmten Moden erforderlich. Der Umbau wird beim klassischen Shaker zum schwierigen Geschäft.

Daher ist die einfache Handhabung des Shakers von großer Bedeutung. Dies umfaßt die einfache Befestigung der Anregung an der Struktur, die einfache Montage des Anregungs-“Bolzens“ an den Shaker, die einfache Ausrichtung des Shakers durch geschickte Aufhänge- und Justiervorrichtungen und die einfache Bedienung der gesamten Anregungselektronik. Wenn darüber hinaus noch Verfahren gefunden werden können, welche die Quereinleitung von Kräften zu minimieren oder gar zu eliminieren in der Lage sind, dann wäre erstmalig ein modales Erregersystem da, welches keine Qual für den Benutzer darstellt, sondern geradezu Lust auf mehr Untersuchungen macht. Dies erhöht nicht nur die Produktivität, sondern auch die Qualität der Produkte durch mehr Erkenntnisse.

Durch völlig neue Ideen wurde nun ein modaler Shaker gebaut, der obige Anforderungen weitgehend umsetzt. Dabei ist es eigentlich recht einfach. Der MB50 hat eine Durchgangsbohrung durch Armatur und Shaker.

Dies erlaubt die unbegrenzte Positionierung eines Anregungsbolzens entlang der Shaker-Achse durch eine simple Klemmhalterung. Die Rüstzeit wird dadurch erheblich reduziert: Zunächst wird ein kleiner Würfel mit einem Spezialkleber an der Struktur befestigt, hieran wird der Kraftaufnehmer und dann der Bolzen geschraubt und dann einfach in die Durchgangsbohrung des Shakers geschoben und geklemmt. Die Messung kann beginnen. Anregungsbolzen mit geringem Durchmesser sind wichtig, um die Einleitung von Querkräften in die Struktur zu vermeiden. Der ideale Bolzen zeichnet sich durch unendliche Steife in achsialer Richtung bei gleichzeitiger fehlender Biegesteifigkeit aus. Untersuchungen an der Universität von Cincinatti haben gezeigt, daß ein vorgespannter Klavierdraht diese Anforderungen bestens erfüllt.

Durch die zentrale Bohrung sind diese speziellen modalen Shaker ideal geeignet zur Aufnahme von Klavierdraht, die dann hinter dem Shaker über einfache Gewichte bis zu 444 N statisch vorgespannt werden können, ohne die dynamische Krafteinleitung zu verringern. Durch diese neue Technik sind nun auch genaue FRF’s zu erreichen, die keine Fehlmessungen über Seitenkräfte beinhalten. Der MB50 hat222 N Kraft, 25.4mm Hub, 1bis 4000Hz Frequenzbereich und wiegt lediglich 22,5 kg.

Die Armatur ist mit 180 Gramm so leicht, daß nahezu kein Kraftabfall bei Resonanz stattfindet. Außerdem sind daher auch kleine Strukturen mit geringem Gewicht anregbar.

Auf der Rückseite der Basis ist ohne Probleme eine Zusatzmasse zu befestigen, die die Massenträgheit für tieffrequente Untersuchungen im aufgehängten Zustand erhöht. Die Eigenresonanzfrequenz der gesamten Shakereinheit wird dabei auf unter ein Hz gedrückt.

Die Basis läßt die Justage des Shakers in alle Raumrichtungen zu. Zusätzlich befinden sich im Zubehör alle Mittel zur Befestigung und Aufhängung des Shakers und eine Auswahl Klemmhalterungen für unterschiedliche Bolzendurchmesser.

Der größere Bruder hat 1125 N Kraft, 50,8 mm Hub. Er wiegt 108 kg und ist für die großen Strukturen, wie LKW’s, Flugzeuge oder Satelliten einsetzbar.

Die zugehörigen Leistungsverstärker verfügen über Spannungs- und Strommodus. Der Strommodus wird speziell bei leichten Teststrukturen benötigt, da hierüber die Wechselwirkung zwischen Testobjekt und Shaker minimiert wird. Als Generator für weißes oder rosa Rauschen kann ein einfacher Rauschgenerator eingesetzt werden. Alternativ lassen sich die Funktionsgeneratoren der IXYS-Hardware für jede Form von Rauschen, Sinus-Sweep und Burst-Anregung einsetzen.

Wichtig sind die Montageeinheiten für vertikale Anregung mit Klavierdraht incl. Gewicht wie auch verfahrbare Stative für die Lateralanregung, denn sie sind der Schlüssel für den schnellen Erfolg der Messungen. Bei der Konzeption der Lateralanregung wurde besonderer Wert darauf gelegt, daß der Shaker an einem vertikal und horizontal beweglichen Arm aufgehängt werden kann. Justierelemente erlauben die exakte Positionierung des Shakers im Raum. Der Draht wird vom Meßobjekt durch den Shaker über Umlenkelemente zu einer Vorspannreinrichtung geführt. Die Vorspannung kann durch Gewichte oder aber auch durch Spannelemente mit anzeigbarer Zugkraft vorgenommen werden.

Das Design dieses Stativs ist auf optimale und schnelle Adaptier- und Justiermöglichkeit des Shakers in Bezug auf die Struktur ausgelegt. mit Hilfe dieses Statives wird der Wechsel auf verschiedene Anregungspunkte zum leichten Spiel.

… zur Durchführung von Modalanalysen besteht in aller Regel aus einem Schwingungserreger, aus Beschleunigungssensoren zur Vermessung der Schwing-Antwort der Struktur und aus entsprechender Rechner-Hard- und Software zur simultanen Erfassung und Auswertung der Daten.

Diese neue Generation an modalen Shakern eliminiert die meisten Nachteile klassischer Schwingerreger. Nicht nur werden Justierung und Adaption an die zu erregende Struktur durch neue Konzepte deutlich vereinfacht. Vielmehr werden Fehlmessungen durch Einleitung von Querkräften durch die vorgespannte Klavierdrahtmethode minimiert, wenn nicht sogar eliminiert.