Modalanalyse
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Die Modalanalyse umfasst die experimentelle oder numerische Charakterisierung des dynamischen Verhaltens schwingungsfähiger Systeme mit Hilfe ihrer Eigenschwingungsgrößen. Das Schwingungsverhalten in einem bestimmten Betriebszustand wird hingegen durch die Betriebsschwingungsanalyse erfasst.
Ähnlich wie eine Schaukel mit einer bestimmten Frequenz schwingt, wenn sie Energie durch einen Schubs zugeführt bekommt, können auch andere Objekte in ihre Eigenschwingungen versetzt werden. Das Ohr ist ebenso ein Beispiel, dabei wird das Innenohr, die Cochlea, durch die Schwingung des Schalls wiederum in Schwingung versetzt, wobei verschiedene Bereiche des Ohrs auf verschiedene Schwingungen, also verschiedene Tonhöhen, mit Eigenschwingungen reagieren. Man spricht bei der Frequenz, bei der das System am stärksten reagiert, auch von der Eigenfrequenz.
Eigenschwingungsform und -frequenz stellen globale Systemeigenschaften dar, welche durch die modalen Parameter Eigenfrequenz, Dämpfung und Eigenform beschreibbar ist. Die Kenntnis der modalen Parameter ermöglicht eine einfache Beschreibung und Berechnung des dynamischen Systemverhaltens.
Zur Bestimmung der modalen Parameter wird die zu untersuchende Struktur mit einer geeigneten Erregerquelle (Impulshammer, elektrodyn. bzw. hydraulischem Shaker) angeregt und die Strukturantwort anhand von Beschleunigungs- o.a. geeigneter Sensoren an verschiedenen Punkten gemessen. Mittels der Fast-Fouriertransformation wird daraus der bezogene Frequenzgang berechnet.
Aus den gemessenen Frequenzgängen lassen sich mit gängigen Softwarepaketen die Eigenformen des untersuchten Systems graphisch animiert darstellen. Betriebskritische Eigenschwingungsformen der Struktur können dadurch entdeckt und deren Ursache lokalisiert werden. Durch gezielte Änderungen der Systemeigenschaften, beispielsweise der Werkstoffdämpfung oder zusätzliche Aussteifungssmaßnahmen, können diese dahingehend verändert werden, dass kritische Frequenzbereiche vermieden bzw. mit reduzierter Amplitude durchfahren werden.
Bei der Modalanalyse handelt sich um ein experimentelles, analytisches Verfahren der Ingenieurwissenschaften, das häufig zum Abgleich mit numerischen Verfahren (FEM-/BEM-Untersuchungen) genutzt wird.
Hauptanwendungsbereiche sind beispielsweise im Flugzeug-, Karosserie-, Brücken-, und allgem. Maschinenbau zu finden.
Als spektakuläres Beispiel gilt das Tacoma Narrows Bridge Disaster. Auch Omnibusse fangen durch Eigenschwingungen an den großen Blechstrukturen an zu dröhnen, wenn der Motor eine bestimmte Drehzahl erreicht. Bei Maschinen mit hoher Leistung, bei denen die anregenden Kräfte sehr groß sind, z.B. Schiffsturbinen und Flugzeugen, ist die Modalanalyse daher wichtig, denn es besteht neben unerwünschten akustischen Effekten auch die Gefahr der Materialermüdung und des Bruchs.
[Bearbeiten] Literatur
- D. J. Ewins: Modal Testing: Theory, Practice and Application. Baldock: Research Studies Press, 2. Auflage 2003, ISBN 0863802184
- Hans Günther Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse - Identifikation schwingungsfähiger elastomechanischer Systeme. 2. Auflage 1988, ISBN 3528181451
- H. Irretier: Modalanalyse 1 und 2, 4.Auflage, Universität Kassel, Institut für Mechanik
- Jimin He and Zhi-Fang Fu: Modal Analysis. Butterworth-Heinemann, Oxford 2001, ISBN 0-7506-5079-6
