{"id":47493,"date":"2024-02-27T12:42:50","date_gmt":"2024-02-27T12:42:50","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/was-ist-modaltest\/"},"modified":"2025-02-03T09:18:28","modified_gmt":"2025-02-03T09:18:28","slug":"was-ist-modaltest","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/was-ist-modaltest\/","title":{"rendered":"Was ist Modaltest?"},"content":{"rendered":"
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Mit dem Modaltest bzw. der Modalpr\u00fcfung bestimmt man die Eigenfrequenz, Modenformen oder D\u00e4mpfungsverh\u00e4ltnisse 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 Modalpr\u00fcfung eine wichtige Rolle bei der Gew\u00e4hrleistung der Integrit\u00e4t, Sicherheit und Leistung von einzelnen Bauteilen sowie gesamten Strukturen. In diesem Blogbeitrag erkl\u00e4ren wir Ihnen die Grundlagen der Modalpr\u00fcfung, 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 Verf\u00fcgung steht.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Wozu dient der Modaltest?<\/h2>\n
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Der Modaltest ist eine Form der Schwingungs- bzw. Vibrationspr\u00fcfung, die es erm\u00f6glicht, 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 z\u00e4hlen:<\/p>\n

Eigenfrequenzen (oder Eigenmoden)
\n<\/strong>Darunter versteht man die Frequenzen, bei denen eine Struktur dazu neigt, zu schwingen, wenn sie einer dynamischen Belastung ohne \u00e4u\u00dfere Kr\u00e4fte ausgesetzt ist. Die Eigenfrequenzen sind intrinsische Eigenschaften des Systems und h\u00e4ngen von seiner Masse, Steifigkeit und den D\u00e4mpfungseigenschaften ab.<\/p>\n

D\u00e4mpfungsverh\u00e4ltnisse
\n<\/strong>Diese quantifizieren die Geschwindigkeit, mit der Schwingungen in einer Struktur im Laufe der Zeit abklingen. Die D\u00e4mpfung ist von wesentlicher Bedeutung f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis der Energiedissipation und der Stabilit\u00e4t des Systems unter dynamischen Belastungsbedingungen.<\/p>\n

Modenformen
\n<\/strong>Sie stellen die r\u00e4umliche Verteilung von Verschiebungen oder Verformungen innerhalb einer Struktur bei bestimmten Eigenfrequenzen dar. Sie bieten Einblicke in die Schwingungsmuster und das dynamische Verhalten des Systems.<\/p>\n

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 g\u00e4ngigsten Techniken ist. Dabei wird \u00fcber den Modalhammer, der als Erreger fungiert, eine kontrollierte mechanische Kraft auf den Pr\u00fcfling ausge\u00fcbt und die resultierende Reaktion gemessen. Damit die ausge\u00fcbte Kraft pr\u00e4zise gemessen werden kann, beinhaltet ein solcher Hammer einen integrierten IEPE-Sensor in der Schlagfl\u00e4che. Gleichzeitig wird die Reaktion des Pr\u00fcflings mit Beschleunigungsmessern oder anderen Schwingungssensoren erfasst.<\/p>\n

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Abb. 1 Beispiele f\u00fcr Modalh\u00e4mmer von <\/em>PCB Piezotronics<\/em><\/a><\/p>\n

 
\nAbh\u00e4ngig vom Pr\u00fcfling, Pr\u00fcfaufbau und der Pr\u00fcfumgebung besteht die M\u00f6glichkeit, entweder einzelne oder mehrere Erreger zusammen mit einzelnen oder mehreren Antwortsensoren zu verwenden. Dies erm\u00f6glicht je nach Situation drei zweckm\u00e4\u00dfige Testkonfigurationen:
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\"\"<\/td>\n1. Single-Input-Single-Output (SISO):<\/strong>
\nBei 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, w\u00e4hrend der Antwortsensor fixiert bleibt, oder umgekehrt. Je nach Anwendung wird dieser Aufbau als “moving hammer” oder “moving sensor test” bezeichnet.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/td>\n2. Single-Input-Multiple-Output (SIMO):<\/strong>
\nSIMO-Aufbauten umfassen einen einzelnen Erreger und mehrere Sensoren, die die Schwingungsantwort erfassen. Diese Konfiguration erm\u00f6glicht die gleichzeitige Messung einer einzigen Anregung an verschiedenen Sensorstandorten und liefert umfassende Daten \u00fcber das Verhalten des Pr\u00fcflings.<\/td>\n<\/tr>\n
\"\"<\/td>\n3. Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO):<\/strong>
\nBei MIMO-Konfigurationen werden mehrere Erreger und mehrere Antwortsensoren verwendet. In der Regel dienen Shaker (Sch\u00fcttler) bei MIMO-Pr\u00fcfungen als Erreger. Diese bieten Vielseitigkeit und erm\u00f6glichen die Bewertung komplexer Wechselwirkungen innerhalb des Pr\u00fcflings \u00fcber verschiedene Erregungspunkte und Reaktionsorte hinweg.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

 
\nIm Falle einer Resonanz wird eine Verst\u00e4rkung der Schwingungsantwort in den Antwortspektren sichtbar. Auf der Grundlage dieser Antwortspektren kann in Kombination mit den Kraftspektren des Erregers eine \u00dcbertragungsfunktion (transfer function), genauer gesagt die Frequenzgangfunktion (FRF), ermittelt werden. Die FRF erm\u00f6glicht es dann weiterhin, die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen bei jeder Frequenz zu quantifizieren. Es gibt verschiedene Algorithmen zur Berechnung der FRF, welche grunds\u00e4tzlich immer im Frequenzraum durchgef\u00fchrt werden, da dies die gesamte Berechnung erheblich vereinfacht. Ausf\u00fchrliche Informationen zu den verschiedenen Berechnungsalgorithmen finden Sie in unserem Handbuch f\u00fcr Modaltests.
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\nJetzt Modaltest-Handbuch downloaden<\/strong><\/a>
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Abb. 2: Schematische Darstellung der Modaltest-Theorie mit:
\nf(t) … Eingangssignal; F(\u03c9) … Frequenzspektren des Eingangssignals; x(t) … Antwortsignal; X(\u03c9) … Frequenzspektren des Antwortsignals; h(t) … Impulsantwort; H(\u03c9) … \u00dcbertragungsfunktion<\/em><\/p>\n

 
\nWeitergehende Analysetechniken wie die Mode Indicator Function (MIF) oder die Kurvenanpassung (curve fitting) k\u00f6nnen beispielsweise durch die Sch\u00e4tzung der Modalparameter das Verst\u00e4ndnis der Frequenzgangfunktionen (FRF) verbessern. W\u00e4hrend die MIF die FRFs \u00fcber alle Erregungspfade hinweg analysiert, um Moden zu identifizieren, erm\u00f6glicht die Kurvenanpassung die Sch\u00e4tzung modaler Parameter wie Eigenfrequenzen oder D\u00e4mpfungskoeffizienten. Da jedoch sowohl die MIF als auch die Kurvenanpassung feste Bestandteile der Modalanalyse und nicht des Modaltests sind, wird in diesem Beitrag nicht n\u00e4her auf diese Analysetechniken eingegangen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Wo werden Modaltests angewendet?<\/h2>\n
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Modaltests und weitere Modalanalysen sind g\u00e4ngige Werkzeuge, die in verschiedenen technischen Branchen eingesetzt werden. Hier sind einige nennenswerte Beispiele:<\/p>\n

Automobilindustrie<\/strong>
\nIm Automobilsektor werden mit Hilfe von Modaltests die Schwingungseigenschaften von Fahrzeugkomponenten und Fahrwerkssystemen bewertet. Diese Tests sind vor allem f\u00fcr den Fahrkomfort und die Analyse der Haltbarkeit der verwendeten Komponenten entscheidend.<\/p>\n

Bauwesen<\/strong>
\nModaltests erm\u00f6glichen die Bewertung des dynamischen Verhaltens von gro\u00dfen Strukturen wie beispielsweise Geb\u00e4uden, Br\u00fccken, D\u00e4mmen oder anderen Bauwerken unter verschiedenen Belastungen wie Wind, Erdbeben oder Betriebslasten. Dadurch k\u00f6nnen m\u00f6gliche Sch\u00e4den aufgrund verschiedenster Kr\u00e4fte vorzeitig erkannt werden.<\/p>\n

Luft- und Raumfahrt<\/strong>
\nWeiters spielen Modaltests eine zentrale Rolle bei der Analyse des dynamischen Verhaltens von Flugzeugkomponenten wie Tragfl\u00e4chen, Rumpf und Steuerfl\u00e4chen. Sie tragen hierbei zur allgemeinen Optimierung von Flugzeugstrukturen bei.<\/p>\n

Mechanische Systeme<\/strong>
\nBei industriellen Systemen und Maschinen dienen Modaltests zur Messung von Schwingungsmoden. Im weiteren Verlauf hilft dies, Erm\u00fcdungsbr\u00fcche zu vermeiden und die Leistung zu optimieren.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Modaltests mit OXYGEN<\/h2>\n
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Mit OXYGEN 7.0 haben wir den Modaltest in unsere intuitive Messsoftware OXYGEN<\/a> integriert. Dies erm\u00f6glicht SISO- und SIMO-Tests mit wanderndem Hammer und wanderndem Sensor sowie die Berechnung der komplexen \u00dcbertragungsfunktion, der Koh\u00e4renz mehrerer Schl\u00e4ge und der Mode Indicator Function (MIF). Zus\u00e4tzlich haben wir verschiedene interaktive Visualisierungsoptionen und die Importm\u00f6glichkeit von geometrischen 3D-Modellen implementiert.<\/p>\n

Im Folgenden beschreiben wir eine Schritt-f\u00fcr-Schritt-Kurzanleitung, wie man Modaltests in OXYGEN mit DEWETRON Messsystemen nutzen kann. F\u00fcr eine ausf\u00fchrlichere Dokumentation verweisen wir auf das technische Handbuch<\/a>.<\/p>\n

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Abb. 3: Schematische Schritt-f\u00fcr-Schritt-Anleitung f\u00fcr Modaltests in OXYGEN<\/em><\/p>\n

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Kurzanleitung \u2013 Modaltest<\/h2>\n
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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 Pr\u00fcfstand als Pr\u00fcfling. 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.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n

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SCHRITT F\u00dcR SCHRITT ANLEITUNG – MODALTEST EINRICHTEN IN OXYGEN<\/h3>\n
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Schritt 1: Hardwareverbindung (hardware connection):<\/strong>
\nDer erste Schritt besteht darin, alle Antwortsensoren und den Anregungshammer mit dem DEWETRON Messger\u00e4t zu verbinden \u2013 beispielsweise mit einem TRION-2402-dACC<\/a>-Modul in einem TRIONet3<\/a>.
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\nSchritt 2: Kanaleinstellungen (channel setup):<\/strong>
\nEs ist wichtig, die Datenkan\u00e4le f\u00fcr Anregungs- und Antwortsignale korrekt einzustellen. Dazu geh\u00f6rt die Auswahl des richtigen Modus (Mode), d. h. IEPE, und der Skalierung\/Empfindlichkeit des Sensors. Die Skalierung ist wichtig, um g\u00fcltige Messwerte f\u00fcr Eingangs- und Ausgangssignale zu erhalten, die weder zu niedrig noch zu hoch sind. Um Fremdeinfl\u00fcsse zu reduzieren, kann im Feld \u201eKopplung” (coupling) ein Hochpassfilter eingestellt werden, der zu tiefe Schwingungen unterdr\u00fcckt. Au\u00dferdem kann eine Nullpunktsetzung in Form eines festen Wertes eingestellt werden. Abb. 4 verdeutlicht die oben genannten Einstellungen.
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Abb. 4: Kanaleinstellungen f\u00fcr Modaltests<\/em><\/p>\n

Typischerweise wird die Signalantwort eines Anregungssignals an einem Punkt in einer oder drei Raumrichtungen gemessen. Wenn die Antwortkan\u00e4le nach der Nomenklatur [0-999][XYZ][+-] benannt sind, kann daraus direkt ein Modellpr\u00fcfobjekt erzeugt werden.
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\nSchritt 3: <\/strong>Modaltesteinrichtung (modal test setup):<\/strong>
\nUm einen Modaltest zu erstellen, w\u00e4hlen Sie zun\u00e4chst die gew\u00fcnschten Antwortkan\u00e4le aus oder erstellen Sie einen Modaltest ohne vorgew\u00e4hlte Kan\u00e4le. Anschlie\u00dfend definieren Sie das Testobjekt entweder auf der Grundlage der ausgew\u00e4hlten Antwortkan\u00e4le oder durch manuelle Auswahl der Anzahl der Anregungs- und Antwortpositionen mit den entsprechenden Raumrichtungen. Als n\u00e4chstes folgt die Zuordnung der Antwortkan\u00e4le zu den vorgesehenen Antwortpositionen. Dies kann entweder automatisch oder manuell durchgef\u00fchrt werden. Achten Sie in diesem Schritt auch auf die Zuordnung des Erregungskanals. Legen Sie schlie\u00dflich die Triggereinstellungen f\u00fcr die Aufzeichnung von Anregungsereignissen fest. Dazu geh\u00f6rt auch die Einstellungen der Warnungen bei \u00dcberschreitung von Bereichsgrenzen und eine optionale Sekund\u00e4rtrefferwarnung. Weiters kann der FRF-Berechnungstyp auf der Grundlage des Signalrauschens angepasst werden. Das erm\u00f6glicht flexible Analyseans\u00e4tze.
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\nSchritt 4: Weitere Anpassungen <\/strong>(measurement screen design)<\/strong>
\nAnpassung des Bildschirmtemplates sowie die Anzeige verschiedener Datenkomponenten, entsprechend den spezifischen Anforderungen.
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\nSchritt 5: Triggereinstellungen <\/strong>(arming the measurement)<\/strong>
\nAktivieren Sie den Trigger, um die Aufzeichnung der Erregungsereignisse zu erm\u00f6glichen. Passen Sie den Schwellenwert in den Triggereinstellungen nach Bedarf an. Wenn diese Vorbereitungen abgeschlossen sind, k\u00f6nnen Sie mit der Aufzeichnung beginnen.
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\nSchritte 6 bis 9 \u2013 <\/strong>Messungen mit OXYGEN durchf\u00fchren<\/strong>
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\nSchritt 6: TP #1
\n<\/strong>Starten Sie die Aufzeichnung und f\u00fchren Sie die Anregung am ersten Anregungspunkt durch.
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\nSchritt 7: <\/strong>Daten\u00fcberpr\u00fcfung (Data OK?)<\/strong>
\nBeurteilen Sie die G\u00fcltigkeit der gemessenen Daten nach jeder Anregung. Je nach Testaufbau k\u00f6nnen mehrere Schl\u00e4ge pro Punkt erforderlich sein, die jeweils einzeln ausgewertet werden. Erfolgreiche Schl\u00e4ge werden durch einen gr\u00fcn gef\u00e4rbten Balken im Gruppenfenster Wie in Abbildung 6 dargestellt befindet sich dieser unten links. Weitere Farbindikatoren sind:<\/p>\n