So einfach wie zuverlässig

Die experimentelle Modalanalyse (EMA) ist ein weit verbreitetes Werkzeug zur Bewertung der dynamischen Eigenschaften von Strukturen. Die Durchführung erfordert viele erfahrungsbasierte Entscheidungen, u. a. hinsichtlich der Anzahl und Platzierung der Referenzpunkte. Die in diesem ersten Prozessschritt getroffenen Entscheidungen beeinflussen die Ergebnisse der Modalanalyse erheblich. 

Wo ist der richtige Referenzpunkt? Die zentrale Frage für eine erfolgreiche EMA lautet: Wo sind die richtigen Referenzpunkte für die Messung? Denn werden diese falsch gewählt, gelingt das Extrahieren des modalen Modells mit Hilfe von Curve-Fitting-Methoden nicht vollständig. Das wiederum bedeutet, dass Moden oft – vom Nutzer unbemerkt – gar nicht erfasst werden und die Analyse unvollständig bleibt. Ihr Zweck ist damit verfehlt, und bei der weiteren Verwendung der Ergebnisse, sei es für Troubleshooting, zur Validierung von numerischen Modellen oder zur Produktoptimierung, kann sich der Fehler unkontrolliert fortpflanzen. 

Herausforderungen bei der Auswahl von Referenzpunkten 

Die Modalanalyse blieb bis dato hauptsächlich ein Werkzeug für Experten, obwohl sie in verschiedenen Industriebereichen als Standardwerkzeug für die Bewertung dynamischer Eigenschaften breit genutzt wird. Die für die Planung des Messaufbaus erforderlichen subjektiven Entscheidungen konnten ohne die nötige Erfahrung kaum sinnvoll getroffen werden. Das folgende Beispiel zeigt, warum das so ist, und wie Head acoustics Abhilfe schafft. Bild 1 zeigt die Bedeutung der korrekten Auswahl der Referenzpunkte anhand einer Untersuchung eines frei schwingenden Balkens und einer allseitig fest eingespannten Platte auf. Ein grüner Kreis bedeutet, dass der Referenzpunkt geeignet ist, die entsprechende Mode zu detektieren. Ein roter Kreis zeigt an, dass der entsprechend platzierte Referenzpunkt nicht geeignet ist, die jeweilige Mode zu detektieren.  

Für die gezeigten theoretischen Fälle sind diese analytischen Überlegungen einfach und naheliegend. In der Realität sind die Aufgaben hingegen etwas komplexer, so dass eine klare Bestimmung der Referenzen nicht ohne Weiteres möglich ist.  

Für die Bestimmung der optimalen Referenzpunkte gibt es nach Stand der Technik verschiedene Methoden. Liegt ein numerisches Modell der Struktur vor, kann mit dessen Hilfe das optimale Set an Referenzpunkten bestimmt werden. Liegt kein numerisches Modell und somit keine Vorkenntnis über die Struktur vor, werden oft driving point measurements (DPM) oder Eingangsinertanzmessungen an verschiedenen, potenziellen Referenzpunkten durchgeführt und diese im Anschluss visuell verglichen (siehe Grafik). 

Modalanalyse leicht gemacht 

Die optische Beurteilung von DPM ist zeitaufwändig und erfordert viel Erfahrung. Hier hat Head acoustics angesetzt: Mit dem neuen Softwaremodul Reference+ aus dem Strukturanalyse-Portfolio wird die Planung der Messung so einfach, dass auch Einsteiger schnell, intuitiv und sicher die idealen Referenzpunkte finden können. Um dieses Ziel zu erreichen haben die Entwickler bei Head acoustics die folgenden Anforderungen an Reference+ definiert: 

• Keine CAD-Geometrie oder numerische Simulationsergebnisse notwendig 
• Automatisierter Betrieb mit minimaler Benutzerinteraktion  
• Keine zusätzliche Hardware wird benötigt – abgesehen von der für die Modalanalyse erforderlichen 
• Geringer Zeitaufwand 

Reference+ unterteilt sich in folgende Schritte: 

• Die Definition des interessanten Frequenzbereichs  
• Die Messung von DPM an verschiedenen potenziellen Referenzpunkten 
• Die automatische Erkennung von Polen: Einzigartige Kombination von neuronalem Netz und Least Squares Complex Frequency (LSCF)-Methode 
• Den automatischen Vorschlag des optimalen Setzens von Referenzpunkten basierend auf den verarbeiteten Daten.  

Expertenwissen und Erfahrung sind mit diesem neuen Tool keine Voraussetzungen mehr für erfolgreiche Modalanalysen. Somit geht auch Anfängern und unerfahrenen Nutzern die Bestimmung der Referenzpunkte leicht von der Hand. Selbstverständlich profitieren auch Experten von Reference+, da sie wesentlich einfacher als zuvor die idealen Referenzpunkte bestimmen können, etwa bei neuen Strukturen. 

Reference+ von Head acoustics ermöglicht das Bestimmen der richtigen Referenzpunkte in einer neuen Dimension automatisierter, KI-gestützter Zuverlässigkeit – es ist der Game Changer für die Modalanalyse. Sie benötigen von nun an weder Simulationsergebnisse noch jahrelange Erfahrung in der Strukturanalyse. Alles, was Sie brauchen, sind ein Hammer, ein Sensor und Reference+. 

Überzeugende Übereinstimmung 

Head acoustics hat Reference+ an einer realen Struktur, der Drehmomentstütze eines E-Antriebs, getestet. Messungen an zwölf verschiedenen Punkten wurden ausgewertet. Der KI-gestützte Ansatz identifizierte erfolgreich und vollautomatisiert einen einzelnen Referenzpunkt, der alle Moden im interessierenden Frequenzbereich erkennen konnte. 

Wie in Bild 3 zu sehen ist, zeigt Reference+ nicht nur die Qualität der gemessenen Punkte in einer neuartigen, übersichtlichen Darstellung mittels eines farbkodierten Strichcodes, sondern schlägt direkt den oder die optimalen Punkt(e) vor. Somit wird die visuelle Inspektion der DPM, die selbstverständlich weiterhin möglich ist, überflüssig. 

Diese Ergebnisse wurden durch experimentelle Modalanalyse validiert und mit numerischen Vorstudienergebnissen verglichen. Die überzeugende Übereinstimmung lieferte den Beweis für die Robustheit des neuen Workflows. 

So steht mit Reference+ eine neuartige Methode zur Verfügung, die – unabhängig von der Erfahrung des Nutzers – schnell und einfach verlässliche, reproduzierbare Ergebnisse hervorbringt. 

Reduzierte Benutzerinteraktion und zuverlässigere Ergebnisse 

Der an der realen Struktur validierte, innovative KI-gestützte Ansatz von Head acoustics zur Bestimmung des optimalen Satzes von Referenzpunkten für die Modalanalyse reduziert einerseits die nötige Benutzerinteraktion und erhöht andererseits die Zuverlässigkeit der Ergebnisse. Er hilft dabei, ein im gewünschten Frequenzbereich vollständiges modales Modell zu erreichen und trägt damit wesentlich zu konsistenteren und reproduzierbaren Ergebnissen bei. 

Bilder: HEAD acoustics