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