Resonanzüberhöhungstest in Leichtbauweise.

Vibrationsuntersuchung, Komponententest, Hohe Beschleunigungen

Numerische Simulation des Gesamtaufbaus zur Resonanzbestimmung.

Ziel des Resonanzüberhöhungstests ist ein Shakeraufbau, mit dem bei festgelegter Frequenz eine hohe Beschleunigungsbelastung auf eine Probe aufgebracht werden kann. Mehr als die zehnfache maximale Beschleunigung des Shakers bei gleichzeitig hohen Schwingspielzahlen ist möglich. Dazu legen Wissenschaftler im Fraunhofer LBF den Aufbau im Vorfeld mittels numerischer Simulation auf die gewünschte Frequenz aus und schätzen die Zuverlässigkeit des Aufbaus bezogen auf die Belastung ab. Das spart Zeit und Kosten.

Durch die breite Aufstellung des Fraunhofer LBF im Bereich Umweltsimulation, Betriebsfestigkeit, numerische Simulation und individueller komplexer Bauteilfertigung ist es möglich, einen Prüfaufbau mit Prüfling bei gewünschter Frequenz in Resonanz zu betreiben. Die auftretenden Kräfte werden durch Leichtbau der bewegten Massen konsequent niedrig gehalten, so dass mit vergleichsweise wenig Aufwand unter Nutzung kleinerer Shaker Bauteile mit sehr hohen Beschleunigungen bis zu 1000g harmonisch angeregt werden können.

Numerische Simulation zur exakten Auslegung

Zur Auslegung des Gesamtaufbaus wird vorab eine numerische Simulation durchgeführt, um verschiedene Parameter des Aufbaus, welche entscheidend sind für die Resonanzfrequenz, abzuschätzen. Je enger die Toleranzen dabei gewünscht sind, kann eine Validierung des numerischen Modells mit dem individuellen Aufbau erfolgen. Durch die Simulation kann vorab die Belastung der einzelnen Prüfaufbaukomponenten abgeschätzt werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Prüfdauer erreicht werden kann. In einem Validierungsexperiment kann die Simulation verbessert sowie die maximale Überhöhung der aufzubringenden Beschleunigung gegenüber der maximalen Shaker Beschleunigung abgeschätzt werden.

 Simulationsmodell des Prüfaufbaus zur Auslegung des Gesamtversuchs.

 

 Übertragungsfunktion zur Ermittlung der Resonanzfrequenz und der Beschleunigungsüberhöhung.

Experimenteller Aufbau zur Versuchsdurchführung für sehr hohe Beschleunigungen.

 

Variationen der Aufspannung zur numerischen Validierung.

 

Prüfaufbau in Leichtbauweise

Durch die hauseigene Lasersinteranlage können Teile des Prüfaufbaus komplex als monolithischer Block aufgebaut werden. Das spart Gewicht und reduziert somit die Belastung des Shakers, außerdem erhöht sich die Belastbarkeit des Prüfaufbaus in Resonanz. Durch die langjährige Erfahrung im Bereich dynamischer Lastaufprägung können bewegte Teile sicher ausgelegt werden.

Anregung in Resonanz

Für die harmonische Anregung kann je nach Kundenwunsch eine feste Frequenz eingehalten werden oder eine maximale Amplitude mit Frequenznachführung in vorgegebenen Grenzen aufgeprägt werden. Je nach Anwendung und Einsatz des zu prüfenden Bauteils kann eine auf ein Herz genaue Anregung über eine hohe Schwingspielzahl erforderlich sein und am Prüfstand umgesetzt werden. Dabei wird die Beschleunigungsamplitude nach Vorgabe auf das Testobjekt geregelt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, bei geringfügig variabler Frequenz eine maximale Beschleunigung mit einer Nachführung der Frequenz in Resonanz anzuregen. Der Fokus liegt hierbei auf der hohen Beschleunigungsamplitude mit welcher das Bauteil belastet werden soll.

Fazit

Mit dem Resonanzüberhöhungstest besteht am Fraunhofer LBF die Möglichkeit, Komponenten mit einer hohen Beschleunigung harmonisch monofrequent anzuregen. Die Anregungsfrequenz wird dabei durch gezieltes Prüfaufbaudesign in Verbindung mit dem Prüfbauteil nach Kundenwunsch festgelegt. So ist es möglich, mit vergleichsweise wenig Energie kleine Bauteile mit bis zu 1000g sinusförmig über eine hohe Schwingspielzahl zu belasten. Das ist insbesondere für Elektronikbauteile interessant, die an oder in der Nähe von schnelldrehenden Elektromotoren verbaut werden.

Autor
»Durch das Zusammenspiel verschiedener Fachdisziplinen am Fraunhofer LBF ist es möglich, Testspezifikationen nach unseren Wünschen zu gestalten, vorhandene Prüfmaschinen auszureizen und außerhalb von Normspezifikationen zu testen. Durch die enge lösungsorientierte Zusammenarbeit können Zielsetzungen situativ angepasst und umgesetzt werden.« Dr. Mark Heilig, Technische Analyse/Systems analysis, C.& E. Fein GmbH

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