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Guten Tag Zusammen,

im Rahmen einer Abschlussarbeit muss ich ein geschweißtes Rahmengestell auf Schwingungen analysieren. Da ich mich diesbezüglich nur wenig auskenne möchte ich um Feedback bezüglich meiner Arbeitsweise bitten.

Bisher hatte ich nur Erfahrung mit einer transienten Strömungssimulationen (Bachelor Thesis, CFD Analyse einer Turbine) gemacht. Ich hab das Gefühl damals war es wesentlich komplexer. Mit Fluidbereich, Rotor, Stator, Turbulenzmodellen blabla...

Für mein derzeitiges Projekt bin ich folgend vorgegangen (Ansys Workbench):

Ich hab das Gestell aufgebaut. Ist sonen zwei Meter mal zwei Meter Ding, bestehend aus quadratischen geschweißten Hohlprofilen. Habe es vernetzt, ein Material zugeordnet. Fixierungen festgelegt. Eine Modalanalyse durchgeführt. Aus diesen Ergebnissen eine Random Vibrations Analysis gemacht. Dort eine Beschleunigungskomponente auf die gesamte Geometrie gelegt (0,5g). Dann an bestimmten Stellen die PSD Response abgefragt.
Das wars.

Das Ergebnis liefert nicht die gleichen Ergebnisse wie die Realuntersuchung. Es schlägt zwar an den selben Frequenzbereichen aus, aber anders.

Ist meine Vorgehensweise richtig?

Vielen Dank.

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>>Ist meine Vorgehensweise richtig?

Deine Beschreibung klingt plausibel.
Aber sie ist auch recht oberflächlich und der Teufel steckt bekanntlich im Detail.

Eine alte Weisheit: Jede Simulation ist nur so gut wie das Modell das ihr zu Grunde liegt.
Wenn also Test und Simulation deutlich auseinander klaffen, sind die Randbedingungen das Erste, das es zu prüfen gilt.
- Geometrie
- Material
- Einspannungen, Reibung, Dämpfung
- Krafteinleitung
- Messpunkte

>>ein geschweißtes Rahmengestell
Warum betonst Du, dass es sich um eine Schweißkonstruktion handelt?

>>eine Beschleunigungskomponente auf die gesamte Geometrie gelegt (0,5g).
Entspricht das wirklich dem realen Test?
Sowohl hinsichtlich "gesamte Geometrie" wie auch dem Zeitverhalten?
Was für einen zeitlichen Verlauf hat Deine "Beschleunigungskomponente"?
Welchen Frequenzbereich betrachtest Du?
Wo liegen die Eigenschwingungen von Interesse?

>>Das Ergebnis liefert nicht die gleichen Ergebnisse wie die Realuntersuchung. Es schlägt zwar an den selben Frequenzbereichen aus, aber anders.

Solch "unscharfe" Aussagen lassen kaum eine Beurteilung zu.
In welcher Größenordnung bewegen sich denn die Abweichungen?

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Rainer Schulze

Bilder sagen mehr als tausend Worte.
Wie wär's mit einem Foto des Testaufbaus und einem Bild des Simulationsmodels?

[Diese Nachricht wurde von Rainer Schulze am 18. Feb. 2016 editiert.]

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Habe erst mit dem Thema angefangen und werde mich da noch einlesen und die Simulation natürlich optimieren. Aber ist ja schon mal ein Anfang wenn es plausibel klingt 

Ich wollte das mit dem schweißen nicht betonen.

Zitat:

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Entspricht das wirklich dem realen Test? [...]

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Das Gestell wird auf einem Shaker über mehrere Befestigungspunkte befestigt und in vertikale Richtung angeregt. Muss man die Beschleunigungskomponenten dann nur auf die Befestigungspunkte legen?
Es wird der Frequenzbereich von 0-200 Hz betrachtet.
Das Gestell dient als Aufnahme für Bauteile. An den Aufnahmenstellen habe ich die PSD Anworten positioniert.

 

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>>Beschleunigungskomponenten dann nur auf die Befestigungspunkte legen?

Da liegt schon wieder der Teufel im Detail.
Ohne ein Bild vor Augen zu haben werde ich die Frage mit JEIN beantworten.
In der Mathematik hat ein Punkt eine Fläche der Größe Null.
Die Einleitung einer Kraft in einem einzelnen Knoten bildet eine Singularität und die übergroße Verzerrung könnte das Ergebnis verfälschen.
In der realen Welt wird das in der Regel eine Auflagefläche sein.

>> Dort eine Beschleunigungskomponente auf die gesamte Geometrie gelegt

Das klingt gerade so, als hättest Du nicht die Kontaktfläche ausgewählt sondern den gesamten Körper.
Meine Kritik mag pingelig erscheinen, aber egal ob Deine Beschreibung ungenau ist oder Du tatsächlich einen Fehler gemacht hast - es kommt falsch rüber.

Und bei der Definition der Auflagefläche könntest Du jetzt in Versuchung kommen, die komplette Unterseite Deines Gestells auszuwählen statt begrenzter Zonen, die tatsächlich einen festen Kontakt zum Shaker haben. Eventuell ist das ohne Belang, aber auch das muss bedacht werden.
Stell Dir vor Du hättest in der Mitte zwischen zwei Befestigungspunkten einer Strebe eine vertikale Stange. Liegt die Kontaktfläche in dieser Mitte unter allen Bedingungen fest an oder kann sie unter Vibration abheben?

Du siehst - ohne genaue Kenntnis der Verhältnisse kann man lange spekulieren.

>>Ist sonen zwei Meter mal zwei Meter Ding
>>Es wird der Frequenzbereich von 0-200 Hz betrachtet.

Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit im verwendeten Metall?
Kann es Eigenresonanzen im betrachteten Frequenzbereich geben?
Oder ist es eher die Betrachtung eines etwas komplexen Pendels?

>>Das Gestell dient als Aufnahme für Bauteile.

Wie groß ist die Masse der gehaltenen Teile im Vergleich zur Masse des Gestells?
Wurden diese Teile bei Simulation und Test in gleicher Weise berücksichtigt?

Und auf meine Frage nach der Größe der Abweichung zwischen Simulation und Versuch bist Du nicht eingegangen. Ist die Abweichung wirklich relevant oder ist sie eher ein "Schönheitsfehler"? Die letzten kleinen Abweichungen zu beseitigen kostet in der Regel unvergleichlich mehr Mühe als "grobe Schnitzer" zu eliminieren.

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Rainer Schulze

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Hallo Rainer,

danke für deine Antwort.

>>Stell Dir vor Du hättest in der Mitte zwischen zwei Befestigungspunkten einer Strebe eine vertikale Stange. Liegt die Kontaktfläche in dieser Mitte unter allen Bedingungen fest an oder kann sie unter Vibration abheben?

Die Beschleunigung erfolgt über die Befestigungspunkte. Es sind aber Befestigungsflächen. Wie es halt in der Realität auch aufgebaut ist. Das Simulationsmodell ist nur über diese begrenzten Befestigungsflächen fixiert. Alle anderen Flächen können also abheben.

>>Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit im verwendeten Metall?
Ist das von Belang? Wo kann man das einstellen? Sollte dies nicht alles mit der Materialzuordnung erledigt sein? (War doch irgendwas mit 5000m/s?!)

>>Kann es Eigenresonanzen im betrachteten Frequenzbereich geben?
Ja. Ziel ist es Steifigkeit, Masse und Lagerung so auszulegen das die Eigenfrequenzen den Messbereich nicht verfälschen. 

>>Wie groß ist die Masse der gehaltenen Teile im Vergleich zur Masse des Gestells?
Ich schätze 200kg(Gestell);30kg

>>Wurden diese Teile bei Simulation und Test in gleicher Weise berücksichtigt?
Die Teile werden in der Simulation gar nicht berücksichtigt. Das Gestell wird mit x m/s² angeregt und die PSD darf an den Befestigungspunkten ( wo das Bauteil befestigt wird) in dem betrachteten Frequenzbereich, nur diesen Wert x liefern (+- Toleranzbereich)

>>Und auf meine Frage nach der Größe der Abweichung zwischen Simulation und Versuch bist Du nicht eingegangen. Ist die Abweichung wirklich relevant oder ist sie eher ein "Schönheitsfehler"? Die letzten kleinen Abweichungen zu beseitigen kostet in der Regel unvergleichlich mehr Mühe als "grobe Schnitzer" zu eliminieren.

Die Abweichung ist nicht riesig, bsp. 75hz 0,6g zu 0,2g. Aber im Realfall ist es eine Antiresonanz. Die Beschleunigung fällt stark ab und die Sensoren erhalten keine Anregung mehr ab einem bestimmten Frequenzbereich. Im Simulationsmodel fällt es auch stark ab,  beschleunigt aber wieder, es schwingt also. Was jedoch gut abgebildet wurde ist, ist der Frequenzbereich an dem es losgeht. Simulationsmodell und Realmodell stimmen da überein. Sie verhalten sich nur unterschiedlich.

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>>Es sind aber Befestigungsflächen.

Dann sollte die Beschleunigung genau über diese Flächen beaufschlagt werden.

>>Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit im verwendeten Metall?
>>Ist das von Belang?

Mir geht es dabei um eine grobe Schätzung, ob im beobachteten Frequenzbereich Resonanzüberhöhungen aus dem Gestell zu erwarten sind.

>>5000m/s?!) und 2m Länge
-> Lamda/4 = 2m -> Lambda = 8m -> 5000/8 = 625Hz
-> Unterhalb von 200Hz dürften wohl kaum Resonanzeffekte zu beobachten sein.

>>Sollte dies nicht alles mit der Materialzuordnung erledigt sein?

Sicher. Wie wär's mit dem Elastizitätsmodul?
Da kommt die ketzerische Frage, ob Du mit Baustahl arbeitest oder ob Du die korrekten Materialdaten hast? Aber ich denke, mit solchen Fragen sollte ich Dich nicht weiter nerven.

>>Wurden diese Teile bei Simulation und Test in gleicher Weise berücksichtigt?
>>Die Teile werden in der Simulation gar nicht berücksichtigt

Ist das nun eine ausweichende Antwort oder die Erklärung für Abweichungen zwischen Test und Simulation?

>>Die Beschleunigung fällt stark ab und die Sensoren erhalten keine Anregung mehr ab einem bestimmten Frequenzbereich.

Hast Du denn im Test auch mindestens einen geeigneten kalibrierten Sensor auf der Grundplatte?
Wieder aus Mangel an genauen Kenntnissen muss ich in Betracht ziehen, dass das Problem eventuell schon in der Anregung durch den Shaker liegt. Wenn der Shaker nicht gerade einen tonnenschweren Magneten, ein paar kW Leistung und eine gute Regelung hat, kann eine Last von 230kg schon einen Einfluss auf die Anregung haben.
Unsere Testingenieure habe da schon tolle Sachen erlebt ... selbst in zertifizierten Testlaboren. (Umwelttests sind zwar nicht mein Fach - aber in unserer Firma redet man mit einander.)

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Rainer Schulze

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