Verformungsmessung

Aerospace Anwendungsbeispiel

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Airbus baute sich für seine innovativen Flugzeuge, die auf der ganzen Welt für ihre Sicherheit und Effizienz anerkannt sind, in den letzten Jahren einen guten Ruf auf. Diese Qualitätsmerkmale werden durch ein erstklassiges Testprogramm ausgezeichnet, dessen Innovativität auch die Nutzung eines Vic-3D Messsystems beweist.

Eines der Ziele des Airbus Testprogrammes ist die Charakterisierung der strukturellen Beschädigungen, verursacht durch die Kollision des Flugzeuges mit kleinen Projektilen, wie z.B. Vögeln oder anderen Verunreinigungen. Wichtig dabei ist es sicherzustellen, dass die strukturelle Integrität des Flugzeuges erhalten bleibt. Diese Art von Ereignissen können reproduziert werden, indem eine Auswahl von verschiedenen Projektilen auf ein Teilstück des Flugzeuges mit hoher Geschwindigkeit geschossen werden. Mit den erhaltenen Messergebnissen werden die Computermodelle mit der Struktur verglichen und gegebenenfalls optimiert, was hochoptimierte, sichere Designs zur Folge hat.

aerospace_2_notitle-300x224Dr. Richard Burguete, experimenteller Mechanikspezialist von Airbus UK seit 1997, erklärt die Vorteile dieser Vorgehensweise wie folgt: “Das Vic-3D System gibt uns die Sicherheit zu wissen, dass wir alle relevanten Daten erfasst haben. Einige von ihnen wären anderweitig unerreichbar gewesen.”

z.f.P mit dynamische Anregung am Hitzeschild eines Raumgleiters

Historische Messung (1998-2000)

Dieses Beispiel kombiniert die Shearography mit der dynamischen Erregung durch ein Piezoshaker Modul für die zerstörungsfreie Prüfung an einem Hitzschild. Das Hitzeschild wurde für das ursprünglich für die ISS vorgesehene Rettungsfahrshuttle X38 aus C-Si_C (Kohlenstofffaser-Silizium Verbundwerkstoff) vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) in Stuttgart entwickelt. Die Delaminationen und Fehlstellen werden beim Sweep aufgrund ihrer lokalen Schwingungsmoden sichtbar (wie auch die Eigenschwingungsmoden entsprechend des Phasenresonanzverfahrens). Heute wird das Verfahren bzw. der Effekt bezüglich der Fehlstelle auch als LDR (lokale Defektresonanz bzw. local defect resonance) bezeichnet.

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Das Piezoshaker-Model wird zur einfachen Handhabung mittels eines Saugfußes an der Objektoberfläche befestigt
(a) Piezoshaker Modul, (b) das Hitzeschild eines Spaceshuttles X38 (c) Spaceshuttle X38 vor dem Abwurf zu einem Testflug.

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Das Bild zeigt die Eigenschwingform unter Anregung des Hitzeschildes bei 1400 Hz.

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Die markierten Bereiche des Bildes zeigen lokale Schwingungsformen von Delaminationsbereichen (Fehlsten) bei den Frequenzen 10kHz bzw. 18 kHz.

Vic-3D High-Speed Vibrations Analyse System

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Das Vic-3D™  High-Speed Vibrations Analyse System von Correlated Solutions ist eine neue Ergänzung zur bestehenden Vic-3D Produktlinie. Vic-3D Vibration ermöglicht eine vollflächige 3D-Anzeige, sowie die Messung und Analyse von transienten Events. Eine Vollfeld-Betriebsschwingungsanalyse kann im Frequenzspektrum einfach beobachtet werden und erreicht Genauigkeiten bis in den Nanometerbereich.

Bei dem Bild oben links handelt es ich um Modell-Flugzeug, das einem transienten Vibrationsereignis ausgesetzt wurde. Die gemessenen 3D-Schwingungsdaten werden im rechten Bild als 2D -Kontur-Überlagerung dargestellt. Die Daten-Überlagerung ermöglicht dem Anwender genau zu überprüfen, wie groß die Verformungen bezogen auf den Ort sind. Diese Informationen stehen für jede Frequenz, bei der Schwingungsformen auftreten, zur Verfügung.

Die Animation unten zeigt eine Betriebsschwingungsform, die mit dem Vic-3D Vibrations Analyse-System aufgenommen wurde. Dreidimensionale Verformungen, Dehnungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen können mit der Analysesoftware berechnet werden. Die Ergebnisse können aber nicht nur graphisch dargestellt werden, das System ermöglicht den Anwender quantitative Daten (ASCII, MatLab, CSV, etc.) über das Probenverhalten für eine FEM-Analyse oder Überprüfung zu exportieren. Die 3D Animation des Model-Flugzeuges mit einer Betriebsschwingungsform bei 441 Hz weist lediglich eine Verschiebungsamplitude von 12µm auf.

 

 

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Was ist eine transiente Schwingungsanalyse? 

Eine transiente Schwingungsanalyse ist der Prozess der Überwachung, Messung und Zustandsanalyse einer Proben während eines transienten Ereignisses. Die Materialeigenschaften können zusätzlich durch die Analyse der Betriebsschwingungsformen sowie der Eigenformen untersucht werden. Diese vollflächigen 3D-Formen können wertvolle Informationen liefern, um das Gleichgewicht einer Probe, die Verschiebungen, die Verbiegung,  die Steifigkeit und die Gesamtproduktperformance zu optimieren. Die Messung von Betriebsschwingungen kann dabei helfen, die Frage zu beantworten, wie viel sich eine Struktur tatsächlich bei einer speziellen Frequenz bewegt.

 

Warum ist das für Sie wichtig?

Betriebsschwingungsanalysen von transienten Ereignissen können aufklären, ob die Probe ungleichmäßige Dicken, Oberflächenunregelmäßigkeiten, Schwachstellen, Risse oder andere Fehler aufweist. Diese Informationen helfen an jedem Punkt Ihres Prozesses, z.B. beim Schreiben von Projektvorschlägen oder Veröffentlichungen.

Das Vic-3D High-Speed Vibrations Analyse System

  • besitzt vertretbare Anschaffungskosten.
  • kann verwendet werden:
    • für die Erzeugung und Überprüfung von  FE Modellen, wenn neue Bauteile oder Geräte kontruiert werden.
    • während des Entwicklung- und Kontruktionsprozesses.
    • in der Produkttestphase.
    • für eine Qualitätskontrolle in der Fertigung.
    • für die Bestätigung und Gewährleitung, dass die Ausrüstung wie erwartet funktioniert.
    • um Bauteile nach der Installation zu messen und analysieren.
    • um die Produktqualität über längere Zeit im Feld zu gewährleisten.
    • wenn eine Produktfunktionalität neu bewertet werden soll.

 

Hier einige Bespiele für transiente Ereignisse, die mit dem System gemessen werden können:

▪ Zuschlagen einer Tür ▪ Anregung durch Hammerschlag
▪ Motorstart ▪ Falltests
▪ Explosionen ▪ Ballistische Untersuchungen

 

Systemeigenschaften 

  • Anzeigen,  vergleichen,  anregen, grafisch darstellen, extrahieren und exportieren der Daten für einen einfachen FEM-Vergleich
  • 3D-Vollfeld-Messung, Hochfrequenzbetrieb mit Auflösungen im Nanometerbereich
  • Messung von extrem kleinen Amplituden mit extrem hohen Beschleunigungen
  • Vollfeld Dehnungen, Verformungen und Formänderungen werden angezeigt
  • Einfaches Verfahren mit genauen Ergebnissen
  • Benutzerfreundliche Öberfläche
  • Kostet nur ein Bruchteil des Preises eines Laservibrometer Systems

 

Vorteile gegenüber anderen Messverfahren

Obwohl es praktisch ist, herkömmliche Vibrationsmesssysteme zu benutzen, haben diese auch Nachteile. Zum Beispiel kann es passieren, dass sich Beschleunigungsnehmer während der Messung lösen oder eine Probe aufladen. Sie liefern lediglich eine Punkt-zu-Punkt-Messung, oftmals nur in einer Ebene. Die Tests großer Strukturen können somit Tage oder Wochen dauern.

Mit dem Vic-3D Vibrations Analyse System sind keine Klebstoffe, Drähte, Signalanalysatoren, Leistungsverstärker oder Kraftaufnehmer für detaillierte Vibrationsergebnisse notwendig. Es ist für alle Anwender sehr einfach und schnell tausende Datenpunkte sowohl für eine kleine, komplexe Struktur als auch für eine große Fläche zu erhalten. Laservibrometer können zwar ähnlich wie die digitale Bildkorrelation berührungslos messen, sind aber genauso wie Beschleunigungsmesser nur in der Lage Punkt-zu-Punkt Messungen durchzuführen. Eine 3D Messung erreicht man mit mehreren Laservibrometern, die im Normalfall an großen Roboterarmen montiert werden. Der Aufbau ist unflexibel, Kosten intensiv und benötigt viel Platz.

Das Vic-3D Vibrations Analyse System arbeitet mit jedem kompatiblem Laptop an Ihrem Messort, in Verbindung mit der Vic-3D Workstation erhalten Sie einen mobilen Systemaufbau für Ihren Betrieb. Das Vic-3D Vibrations Analyse System kostet nur einen Bruchteil von einem 3D Scanning-Vibrometer-System, weiterhin kann das Vibrations-Modul an jedes bestehende Vic3D System integriert werden, wodurch es noch günstiger wird.