Buch: Simulation und Regelung von Resonanzversuchsständen zur Untersuchung der Bauteilermüdung

Simulation und Regelung von Resonanzversuchsständen zur Untersuchung der Bauteilermüdung
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 14
Ralf Herrmann
Hrsg.: Leibniz Universität Hannover, Institut für Massivbau; Steffen Marx
2018, 166 S., zahlr. Abb., Tab. u. Diagr., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag
ISBN 978-3-7388-0102-6

Inhalt

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung eines Konzepts zur flexiblen Auslegung von innovativen Resonanzversuchsständen, um Ermüdungsuntersuchungen an großen Bauteilen im Langzeitfestigkeitsbereich zu realisieren. Bei einem Resonanzversuchsstand wird der schwingungsfähige Probekörper durch eine harmonische Kraftanregung mittels Unwuchtantrieben nahe der Eigenfrequenz belastet und aufgrund der schwachen Dämpfung des Schwingungssystems eine Vervielfachung der Beanspruchung des Bauteils erzeugt. Durch die entwickelte Simulationsumgebung kann bei jeder Versuchsauslegung ein komplettes digitales Modell des Resonanzversuchsstands erstellt werden, welches das elektrische, regelungstechnische und mechanische Verhalten des geplanten Experiments virtuell vor der Umsetzung simuliert und so die Realisierbarkeit mit den gewählten Antriebskomponenten und die Qualität der Beanspruchungserzeugung geprüft werden. Das Resonanzversuchsstandskonzept wurde erfolgreich an drei Resonanzversuchsständen realisiert und dabei die Prüfdauer um den Faktor 4 verkürzt und der Energiebedarf um den Faktor 792 im Vergleich zu konventioneller hydraulischer Prüftechnik reduziert.

Verfügbare Formate

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Motivation und Hintergrund

1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

2 Stand der Technik

2.1 Notwendigkeit von Bauteilprüfungen

2.2 Resonanzbasierte Prüfstände zur Bauteilprüfung

2.2.1 Historische Prüfmaschinen

2.2.2 Industrielle Resonanzprüfmaschinen

2.2.3 Resonanzprüfmaschine der TU Wien

2.2.4 Resonanzprüfmaschine für Rohrverbindungen

3 Theoretische Grundlagen

3.1 Grundlagen der mathematischen Modellierung von Schwingungssystemen

3.2 Berechnung des Ersatzsystems des Biegebalkens

3.3 Krafterzeugung von Unwuchtantrieben

3.4 Erzeugung einer gerichteten Unwuchtkraft

3.5 Interaktion zwischen Schwingungssystem und Unwuchtantrieb

3.6 Auslegung der Unwuchtmassen

3.7 Berücksichtigung der Federmassen

3.8 Antriebsmaschinen

3.9 Modellierung einer Asynchronmaschine

3.10 Grundlagen von Steuerung und Regelung

3.11 Grundlagen der dynamischen Simulation

3.11.1 Standardverfahren der dynamischen Simulation

3.11.2 Modellbeschreibung für dynamische Simulationen

3.11.3 Numerische Lösungsverfahren für gewöhnliche Differentialgleichungen

3.11.4 Anwendungen der dynamischen Simulation

4 Versuchsaufbau eines Resonanzversuchsstands

4.1 Zielstellungen bei der Anwendung von Resonanzversuchsständen für Großversuche

4.2 Mechanisches Versuchsprinzip

4.3 Konzeptioneller Aufbau

4.4 Vorgehen zur Durchführung von Bauteilversuchen

4.5 Spannfeld für Resonanzversuchsstände

4.6 Systemstruktur eines Resonanzversuchsstands

5 Steuerung und Regelung des Resonanzversuchsstands

5.1 Auswahl der Führungsgrößen

5.1.1 Schwingweg des Bauteils

5.1.2 Schwinggeschwindigkeit des Bauteils

5.1.3 Schwingbeschleunigung des Bauteils

5.1.4 Anregende Unwuchtkraft

5.1.5 Auflagerreaktion

5.1.6 Materialdehnung

5.2 Systemtheoretische Struktur der Regelstrecke

5.3 Reglerentwurf

5.3.1 Anforderungen an die Regelung

5.3.2 Regelung der Phasensynchronisation

5.4 Regelung der dynamischen Kraft

6 Simulationsmodelle für Resonanzversuchsstände

6.1 Entwicklung einer Simulationsumgebung: der digitale Zwilling

6.2 Frequenzumrichter

6.3 Antriebsmaschine

6.4 Unwuchtantrieb

6.5 Schwingungssystem

6.6 Messsystem

6.7 Regelung

6.8 Simulation von Resonanzversuchen

6.8.1 Sommerfeldeffekt

6.8.2 Schwebungen in der Unwuchtkraft

6.8.3 Selbstsynchronisation der Unwuchtantriebe

6.8.4 Einschwingverhalten des Einmassenschwingers

7 Realisierung von Resonanzversuchsständen

7.1 Versuchsstand 1 – Ermüdungsfestigkeit von Eisenbahnschienen

7.1.1 Prüfaufgabe

7.1.2 Auslegung des Versuchsstands

7.1.3 Versuchsstandsrealisierung und Ergebnisse

7.1.4 Vergleich zwischen realem Versuchsstand und Simulation

7.1.5 Leistungsaufnahme

7.2 Versuchsstand 2 – Langzeitfestigkeit von Stahlbetonbalken

7.2.1 Prüfaufgabe

7.2.2 Auslegung des Versuchsstands

7.2.3 Versuchsstandrealisierung und Ergebnisse

7.3 Versuchsstand 3 – Spannungsumlagerungen in Spannbeton

7.3.1 Prüfaufgabe

7.3.2 Auslegung des Versuchsstands

7.3.3 Versuchsstandsrealisierung und Ergebnisse

8 Schlussfolgerungen und Ausblick

8.1 Zusammenfassung

8.2 Der digitale Zwilling im Prüfbetrieb

8.3 Der digitale Zwilling in der Wartung

A Tätigkeitsschritte zur Auslegung eines Resonanzversuchsstands

B Koeffizienten des s-stufigen Runge-Kutta-Verfahrens

Publikationslisten zum Thema:
Bauteil, Bauteilprüfung, Bauteilermüdung, Ermüdung, Resonanz, Ermüdungsverhalten, Versuchsstand, Versuchsanordnung, Simulation, Regelung, Digitaler Zwilling, Betonbau, Spannbeton, Konstruktion, Dissertation,

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