Erfahrung mit SimRod: Synthese von Schwingungsprofilen und Erstellung beschleunigter Shaker-Tests

Der Wettbewerbsdruck auf dem Automobilmarkt führt inzwischen dazu, dass Prüfingenieure ihre Testverfahren in deutlich kürzerer Zeit durchführen müssen, damit die Fahrzeuge schneller in den Verkauf gehen können. Als Verbraucher wünschen auch wir uns einen geringeren Energieverbrauch sowie langlebigere Fahrzeuge mit modernster Technologie – und das vor allen anderen. Fahrzeughersteller müssen ihre Entwicklungszeiten reduzieren, um sich besser am Markt positionieren zu können.

Bei der Fahrzeugentwicklung wären langwierige Tests der erste Bereich, den das Management reduzieren möchte, um Zeit- und Kosteneinsparungen zu erzielen. Ursprünglich wurde die Dauer an sich sowie die Kostenauswirkung als zweitrangiger Aspekt betrachtet.

Doch wie können Prüfingenieure bei der Entwicklung synthetischer Vibrationsprofile und beschleunigter Shakertests gewährleisten, dass ihre Verifizierungsprüfungen (beispielsweise Schwingungsermüdungstests auf Shaker-Anlagen) präzise konfiguriert sind? Was ist, wenn zu wenig getestet wird und dies später zu Kundenunzufriedenheit und teuren Produktrückrufen führt? Oder was passiert, wenn sie zu viele Tests durchführen, was zu hohen Materialkosten und sogar zu einer längeren Testdauer führen kann?

Es ist richtig, dass sie Standards verwenden können. Aber wie realistisch sind diese Standards in der Praxis? Können Sie Prüfvorschriften für alle Fahrzeugkomponenten bereitstellen?

Eine effiziente Testanpassung wäre die Antwort auf all diese Fragen. Das Testprofil muss also folgende Bedingungen erfüllen:

• Realistisch – Verlassen Sie sich auf reale Bedingungen statt auf Standards
• Beschleunigt
• Richtig bestimmt – Schadensersatz entspricht realen Bedingungen

Betrachten wir als Beispiel ein am Motor befestigtes Bauteil, das wir auf einem Shaker testen möchten. Gehen Sie von einer Lebensdauer des Fahrzeugs von etwa zehn Jahren aus. Wir möchten beschleunigte (nicht 10 Jahre!) und schadensäquivalente Testprofile entwickeln, die den realen Einsatzbedingungen entsprechen.

Der Workflow lässt sich wie folgt darstellen:

Getestet auf SimRod

Vor einiger Zeit führten wir mit einem unserer Elektrofahrzeuge eine Datenerfassungskampagne auf einem Test gelände  in Aldenhoven bei Aachen durch. Bei dem Fahrzeug, das wir getestet haben, handelte es sich um einen vollelektrischen Sportwagen namens SimRod  (erfahren Sie hier mehr über SimRod). Wir verwenden SimRod, um unsere Kunden und ihre Bedürfnisse besser zu verstehen, indem wir dieselben Testkampagnen mit den Simcenter-Test- und Simulationslösungen durchführen.

SimRod wurde von uns mit umfangreicher Sensorik ausgestattet, um verschiedenste Daten zu sammeln. Zusätzlich kamen ICP-Beschleunigungsmesser zum Einsatz, um das strukturelle Verhalten eines SimRod-Bauteils zu analysieren. Zudem haben wir beschleunigte Ermüdungstestprofile erstellt, anhand derer die Komponente auf dem Shaker getestet wird. Unter Berücksichtigung dieser Informationen werden hier alle wichtigen Aufgaben Schritt für Schritt aufgeführt, wobei der Schwerpunkt bei der Erstellung von Testprofilen liegt.

1) Auftragsdefinition und Datenerfassung

Die erste Frage, die wir uns stellen müssen, lautet „Was passiert mit meinem Produkt, wenn es von Kunden verwendet wird? “.

Zur Beantwortung dieser Frage müssen zuerst die Einsatzumgebungen des Fahrzeugs ermittelt werden. Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht vier effektive Umgebungen hinsichtlich der Verteilung über die Gesamtlaufzeit eines spezifischen Marktes.

Wir müssen die relevanten Daten aus den verschiedenen Umgebungen (Missionen) erfassen. Üblicherweise erfassen Testingenieure die Schwingungsdaten an den Montagepunkten der zu testenden Komponente für Shaker-Tests. Und sie berechnen die Power Spectral Density (PSD) anhand der aufgezeichneten Schwingungsdaten.

Die Simcenter SCADAS-Datenerfassungshardware wurde entwickelt, um Erfassungskampagnen über mehrere Bereiche zu aktivieren und analoge sowie digitale Daten von verschiedensten Sensoren aufzuzeichnen – von Vibration, Dehnung und Kraft bis hin zu Weg, Mikrofon, Video, GPS, Temperatur, Druck und Spannung.

2) Analyse des Schadenspotenzials

Wie bereits erläutert, lassen sich die aufgezeichneten Schwingungsdaten mittels PSD-Berechnung direkt als Eingangssignal für den Schütteltisch nutzen. Dies verweist auf den Aufzählungspunkt mit dem Wortlaut: „sich auf reale Bedingungen und nicht auf Standards zu verlassen“. Dies allein genügt nicht zur Erstellung eines schadensäquivalenten und beschleunigten Prüfprofils. Jetzt denken Sie vielleicht: „Wie kann ich die Auswirkungen von rauen Umgebungen auf mein Produkt quantifizieren? “

Um die Auswirkungen verschiedener Umgebungen auf die Lebensdauer besser nachvollziehen zu können, sollten wir uns eingehender mit der Schwingungsermüdung befassen, bei der wir die Reaktionen basierend auf einer Anregung berechnen. Daher sollten wir unser Augenmerk auf das Ermüdungsschadensspektrum (FDS), das maximale Reaktionsspektrum (MRS) und das Schockreaktionsspektrum (SRS) richten.

2-a) Ermüdungsschädigungsspektrum (FDS)

Das FDS dient zur Bewertung des Ermüdungsschädigungspotenzials bei hochzyklischer Beanspruchung. Bei der Betrachtung der Resonanzfrequenzen des Schwingungssignals als SDOF-Systeme (Systeme mit einem Freiheitsgrad) werden sowohl die Frequenz als auch die Q-Faktor-Dämpfung einbezogen. Die Systemantworten (relativen Verschiebungen) werden für jedes dieser SDOF-Systeme ermittelt. Im nächsten Schritt können wir diese Antworten auf einer SN-Kurve platzieren und die Schädigung für jede Reaktion berechnen. Mithilfe der Palmgren-Miner-Schadensakkumulationsregel lassen sich diese Schadenswerte aufsummieren. Das FDS-Diagramm liefert uns eine angenommene Resonanzfrequenz auf der X-Achse und eine Pseudo-Schädigung auf der Y-Achse. Dieses Diagramm bietet eine hervorragende Gelegenheit, verschiedene Schwingungslasten (in Bezug auf Schäden) zu vergleichen.

2-b) Maximales Antwortspektrum (MRS)

Wie auch FDS behandelt MRS die angenommenen Resonanzfrequenzen als SDOF-Systeme und ermittelt die maximalen Antworten für jedes einzelne SDOF-System. Diese Methode ist auch sehr nützlich, um verschiedene Schwingungssignale zu vergleichen. Es dient auch als effektive Kontrollmethode bei beschleunigten Tests. Wir können Originaldaten und beschleunigte Daten auf demselben MRS-Diagramm plotten. Dadurch lässt sich erkennen, ob die Beschleunigung des ursprünglichen Signals bei bestimmten Frequenzen höhere Spitzenwerte zeigt. Wir müssen hier besonders vorsichtig vorgehen, um ein Übertesten des Objekts zu vermeiden.

2-c) Schockreaktionsspektrum (SRS)

SRS verfolgt einen ähnlichen Ansatz wie die MRS-Methode. Im Unterschied zum MRS, der die langfristige stationäre Anregung mit einbezieht, fokussiert sich SRS auf extreme Stoßbelastungen. (Weitere Informationen finden Sie im Knowledge Base-Artikel für SRS.)

2-d) Berechnung des Gesamtschadens

Dieser Prozess dient dazu, einen Gesamtlebensdauertest zu erstellen, indem verschiedene Missionen berücksichtigt werden.

Möchten wir beispielsweise zwei unterschiedliche Straßenbedingungen erfassen, können wir die FDS-Diagramme der Schwingungslasten addieren. Gehen wir jedoch davon aus, dass die Autos per LKW oder Schiff befördert werden und wir diese Effekte ebenfalls einbeziehen wollen. Anschließend können wir FDS- oder MRS-Diagramme einhüllen, um für jede Frequenzstufe den ungünstigsten Fall zu betrachten.

Simcenter Testlab ermöglicht die Berechnung von MRS, FDS und SRS über die Anwendung Mission Synthesis. Mission Synthesis bietet auch die Flexibilität, die SDOF-Systeme besser abzustimmen.

3) Synthese des Testprofils

Die letzte Frage, die sich aufdrängt, ist: „Wie lässt sich der Test beschleunigen, ohne den Schadenseffekt zu verlieren?“

Dies führt uns zum Test Tailoring auf Basis der vorangegangenen Antwortanalyse (FDS, MRS und SRS). Simcenter Testlab Mission Synthesis führt die Testdauer als Benutzerparameter ein, wodurch eine automatische Anpassung des synthetisierten Profils erfolgt. Zusätzlich zur Testdauer stehen auch Berechnungen zu „Unsicherheit und Testfaktor“ zur Verfügung, um das Testprofil besser abstimmen zu können. Der „Unsicherheitsfaktor“ berücksichtigt Umgebungs- und Materialvariationen, während der „Testfaktor“ die Zuverlässigkeit erhöht, wenn nur eine begrenzte Anzahl von Prüflingen getestet wird. Schließlich kann das synthetisierte Profil entweder als PSD oder als Sinus-Sweep identifiziert werden.

Zwei Anwendungsfälle für die Theorie der Schwingungsermüdung fallen uns leicht ein:

1. Die Perspektive des Erstausrüsters: Erstausrüster können FDS nutzen, um Qualifikationsnachweise potenzieller Komponentenlieferanten zu vergleichen.
2. Lieferanten-Perspektive: Verschiedene OEM-Kunden geben möglicherweise unterschiedliche Qualifizierungsspezifikationen an (sogar mit unterschiedlichen Typen: PSD, Sinus-Sweep und unterschiedliche Testdauer ...). Der Lieferant kann einen einzelnen Qualifikationstest erstellen, indem er verschiedene Qualifikationen vergleicht.

Warum Simcenter Testlab Mission Synthesis?

• Erwartungen bezüglich hoher Qualität, Zuverlässigkeit und kurzer Testdauer
• Verschiedene Umgebungsschwingungen (z. B. durch Transport, Straßeneinwirkung, motorinduzierte Vibrationen usw.) während der Lebensdauer
• Unzureichendes Testen erhöht die Wahrscheinlichkeit eines mechanischen Versagens und zusätzliche Kosten. Übermäßiges Testen würde zu übermäßiger Konstruktion und zu Mehrkosten führen.

Fragen? Lassen Sie es mich wissen, ich beantworte gerne alle möglichen Fragen. Senden Sie mir einfach eine E-Mail an safak.has@siemens.com.