Strukturdynamik

Die Strukturdynamik ist ein Teilgebiet der Mechanik, dass sich mit der Simulation des dynamischen Verhaltens von schwingungsfähigen Systemen befasst. Schwingungsfähige Strukturen sind zum Beispiel Fahrzeuge, Flugzeuge, Windenergieanlagen und andere Maschinen. Des Weiteren zählen auch Bauwerke wie Brücken und Gebäude zu den schwingungsfähigen Systemen.

Ansys Ergebnisplot - FEM Berechnung - Modalanalyse - animiert

Leistungsangebot

Wir führen dynamische Analysen im Frequenz- und Zeitbereich mit Hilfe der FEM durch. Dabei bieten wir folgende dynamischen Berechnungen an:

  • Modalanalyse
  • Antwortspektrumsanalyse
  • Zufallsschwingungen
  • Simulation im Zeitbereich

Modalanalyse

Das Ergebnis der Modalanalyse sind Eigenfrequenzen und Eigenformen. Die Eigenfrequenzen sind die Frequenzen, in denen die Struktur schwingt – beispielsweise nach Anschlagen mit einem Hammer. Die Eigenformen sind die zu den jeweiligen Frequenzen zugehörigen Schwingformen.

Eine Modalanalyse lässt sich sinnvoll nur bei einem Modell ohne Nichtlinearitäten berechnen. Die Modalanalyse wird ohne äußere Lasten durchgeführt. Dementsprechend können aus der Modalanalyse keine tatsächlich auftretenden Verschiebungen, Dehnungen oder Spannungen berechnet werden.

Die Modalanalyse eignet sich, um kritische Resonanzen (die anregende Last hat die gleiche Frequenz wie eine Eigenfrequenz) zu identifizieren. Außerdem werden die Eigenfrequenzen und Eigenformen der Modalanalyse verwendet, um darauf aufbauend Antwortspektrumanalysen, Zufallsschwingungen und Zeitverlaufssimulationen durchzuführen.

Antwortspektrumanalyse (response spectrum analysis)

Mit der Antwortspektrumanalyse wird die Schwingantwort des Systems aufgrund eines Lastspektrums berechnet. Für die Berechnung erfolgt eine Superposition der Eigenformen aus der Modalanlyse.

Die Antwortspektrumanalyse eignet sich, um die maximalen Beanspruchungen einer Struktur in Folge langanhaltender Erregungen zu berechnen, wie z.B. Lasten aus Wind, Wellen, Vibrationen und ähnliche.

Zufallsschwingungen (power spectral density analysis)

Bei der Analyse von Zufallsschwingungen wird von einer stochastischen Anregung (Rauschen) ausgegangen. So lassen sich Schwingantworten, die auf Rüttelprüfständen (shaker test) entstehen, berechnen.

Simulation im Zeitbereich

Bei Simulationen mittels Antwortspektrum und Zufallsschwingungen lassen sich keine Aussagen über den Zeitverlauf der Schwingantwort abbilden. Falls Aussagen über den transienten Verlauf der Schwingantwort nötig ist, muss eine Simulation im Zeitbereich durchgeführt werden.

Bei linearem Verhalten der Struktur kann diese Betriebsschwingungsanalyse mittels der Eigenwerte und Eigenformen aus der Modalanalyse im Frequenzbereich durchgeführt werden.

Sollen Nichtlinearitäten berücksichtigt werden, so ist eine Analyse im Zeitbereich nötig. Da das System für alle Zeitschritte berechnet werden muss, ist diese Lösung meist weit aufwändiger als die Berechnung mittels modaler Superposition.

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Verschraubung Generator

Gegenstand der Untersuchung war die Verschraubung eines auf Gummielementen gelagerten Generators. Die Anregung des Generators erfolgte bei Notabschaltungen durch steuerungsbedingte sinusförmige Drehmomente.

Die Berechnung der an der Verschraubung auftretenden Lasten erfolgte durch eine Modalanalyse der Starrkörperschwingung des Generators. Die Auslegung der Gummielemente erfolgte so, dass Resonanzen nicht auftreten. Die Überhöhung der Lasten an der Schraubenverbindung wurde durch die Berechnung der Vergrößerungsfunktion abgebildet.

Prüfstand für einen Motor

Es wurde ein Prüfstand für einen Motor untersucht. Neben der statischen Tragfähigkeit wurde auch mögliche Resonanzen anhand einer Modalanalyse und eines Campbelldiagramms bewertet. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden Frequenzbereiche festgelegt, in denen der Prüfstand nicht betrieben werden darf, um übermäßige Schwingungen zu vermeiden.