Eine kurze Einführung in die Modalanalyse

Das dynamische Verhalten einer mechanischen Struktur kann durch ihre modalen Parameter (Eigenfrequenz, Eigenschwingform und Dämpfung) eindeutig beschrieben werden. Die Modalanalyse bildet dabei den Prozess der Identifizierung dieser modalen Parameter, entweder auf experimentelle (Experimentelle Modalanalyse, Operationale Modalanalyse) oder auf analytische (Finite Element Analyse) Weise.

Die so generierten Erkenntnisse sind gezielt für die Minderung ungünstiger Schall- und Schwingungszustände, stehen diese doch meist im Zusammenhang mit Resonanzphänomenen. Im Resonanzfall regen dabei z.B. die Betriebskräfte, Eigenfrequenzen und korrespondierende Eigenschwingformen zur Schwingung an, was zur Resonanzkatastrophe und Materialversagen führen kann. Die Modalanalyse ist damit ein wichtiges Werkzeug im Entwicklungsprozess und für den Prototypenbau, um betriebskritische oder akustisch ungünstige Schwingformen der Struktur zu identifizieren oder gezielt zu beseitigen. Unter anderem ist dieser Ansatz wichtig für die Gewährleistung von Sicherheitsstandards z.B. im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt oder im Bauwesen.

Ergebnis einer experimentellen Modalanalyse

Abbildungen  1 und 2 zeigen das Ergebnis einer experimentellen Modalanalyse, welche an einer Alu-Stahlfelge durchgeführt wurde. Durch eine gezielte Impulsanregung der Struktur und der Erfassung der Systemantwort an über 400 Messpunkten mittels Laser-Doppler-Vibrometrie, konnten die struktureigenen Eigenfrequenzen aus den Messdaten ermittelt werden. Die Darstellung der dazugehörigen Eigenschwingformen ist exemplarisch für den Mode bei 1215 Hz zu sehen. Weitere Schwingformen sind in den Abbildungen 3- 5 dargestellt.

Je nach Ausdehnung und Einbauort können Bauteile zur Untersuchung in unserem Labor eingesandt werden. Alternativ werden ortsunveränderliche Maschinen und Anlagen vor Ort untersucht. Neben Modalanalysen besteht zudem die Möglichkeit Betriebsschwingformen (Operating Deflection Shape) und damit den realen Erregungszustand zu untersuchen, was in vielen Fällen ohne Maschinenstillstand möglich ist.

Nach Durchführung der Messungen werden die Messergebnisse im Detail analysiert und gemäß der Fragestellung eingeordnet. Die Abstimmung der weiteren Vorgehensweise auf dem Lösungsweg erfolgt bedarfsorientiert im engen Kontakt mit dem Kunden.

WaveImage: Experimentelle Modalanalyse einer Autofelge

Eine experimentelle Modalanalyse wurde durchgeführt, um das dynamische Verhalten einer Autofelge zu bestimmen. Dies ermöglicht die Ermittlung der strukturellen Modalparameter (Eigenfrequenz, Eigenform und Dämpfung) anhand bekannter Systemanregungen und gemessener Systemreaktionen.