Strukturdynamische Analyse mittels elektromechanischer Schwingungssensoren

Produktbeschreibung

Um die Reproduzierbarkeit erzeugter Schwingungen zu erhöhen, wird in der vorliegenden Arbeit zunächst ein Aktor zur Strukturanregung vorgestellt, der Sensordaten unmittelbar im Gerät auswertet und auf Bewegungen des Hammerarms rückkoppelt. Neuartige Algorithmen werden angegeben, die deutlich Strukturkonfiguration und Messaufwände durch automatische Bestimmung der Sensorpositionen und –orientierungen vereinfachen. Sie ermöglichen, untersuchte Strukturen effizient dreidimensional in Form geometrischer Objekte rechnerunterstützt nachzubilden sowie Messdaten kabellos zu übertragen. Unter realen Anregungsbedingungen lassen sich Schwingungsmuster von Strukturen in geometrische Modelle und Videobilder von ihnen einbetten sowie in Echtzeit am Prüfort unmittelbar visualisieren und auswerten. Diese neuen Möglichkeiten reduzieren den zeitlichen Aufwand und vereinfachen strukturdynamische Analysen deutlich.

Inhalt
Abkürzungsverzeichnis VIII
Symbolverzeichnis IX
Kurzfassung XI
Abstract XII
1 Motivation und Zielsetzung 1
1.1 Ausgangssituation 1
1.2 Zielstellung der Arbeit 3
1.3 Aufbau der Arbeit 5
1.4 Beiträge der Arbeit 6
2 Theoretische Grundlagen und Forschungsstand 8
2.1 Grundlagen der Strukturdynamik 8
2.1.1 Einteilung der Schwingungen 9
2.1.2 Grundlagen der Modalanalyse 11
2.1.3 Experimentelle Modalanalyse 14
2.1.4 Operationale Modalanalyse 15
2.1.5 Betriebsschwingformanalyse 15
2.1.6 Simulation zur Modalanalyse 16
2.1.7 Strukturdynamischer digitaler Zwilling 16
2.1.8 Software zur Strukturdynamik 17
2.1.9 Realistische Visualisierung in der Strukturdynamik 18
2.2 Übersicht über die strukturdynamische Messkette 19
2.2.1 Anregungsarten in der Modalanalyse 20
2.2.2 Impulsanregung mittels Modalhammer 22
2.2.3 Datenerfassung 24
2.2.4 Sensorarten zur Schwingungsmessung 25
2.2.5 Abfolge von Messungen mit elektromechanischen Sensoren 30
2.2.6 Probleme in der Messkette mit elektromechanischen Sensoren 33
2.3 Grundlagen der Angereicherten Realität 34
2.3.1 Kameramodell 34
2.3.2 Grundzüge geometrischer Projektion 34
2.3.3 Lochkamera 36
2.3.4 Intrinsische Kameraparameter 37
2.3.5 Extrinsische Kameraparameter 38
2.3.6 Geometrische Transformationen 40
2.3.7 Definition des Begriffs AR 43
2.3.8 Darstellung 45
2.3.9 Bewegungsverfolgung 45
2.3.10 Registrierung 46
2.3.11 Interaktion 47
2.4 Angereicherte Realität im industriellen Umfeld 47
2.4.1 Darstellungsmöglichkeiten 48
2.4.2 Bewegungsverfolgung in AR-Anwendungen 50
2.4.3 AR-Anwendungen in der Strukturdynamik 56
3 Vereinfachung und Beschleunigung der Messkette mit
elektromechanischen Sensoren 59
3.1 Forschungslücke 59
3.2 Entwicklungsziele 60
3.3 Konzept eines intelligenten Modalhammers 61
3.4 Gesamtablauf der Messkette 63
3.4.1 Konfiguration der Datenerfassung 64
3.4.2 Strukturkonfiguration 65
3.4.3 Visualisierung, Validierung und Durchführung der Messung 66
4 Sensorgestütztes System zur impulshaften, prellfreien Anregung
fester makroskopischer Strukturen 68
4.1 Mehrwert gegenüber dem aktuellen Stand der Technik 68
4.2 Instrumentierung und Sensoren 69
4.3 Steuerung und Setzen der Geräteeinstellungen 70
5 Komponenten zur Strukturkonfiguration und Echtzeitvisualisierung von Betriebsschwingformen 72
5.1 Stereoskopie-Kameras 72
5.1.1 Tiefenkamera zur 3D-Rekonstruktion 73
5.1.2 Tiefenkamera zur Bewegungsverfolgung 74
5.1.3 Gemeinsame Nutzung zweier Tiefenkameras 75
5.2 3D-Rekonstruktion 75
5.3 Bewegungsverfolgung der Kamera 77
5.4 Optische Erkennung der Schwingungssensorposen 78
5.4.1 Funktionsweise der ArUco-Marker 79
5.4.2 Bestimmung der intrinsischen Kameraparameter und
Verzerrungskoeffizienten 81
5.4.3 Berechnung der Posen von ArUco-Markern 82
5.4.4 Verbesserte Schätzung von ArUco-Markerposen mit erweitertem
Kalmanfilter 83
5.5 Interpolation an Punkten der 3D-Rekonstruktion ohne Sensorwerte 86
6 Technische Implementierung der Datenverarbeitung 88
6.1 Datenerfassung 89
6.1.1 Mobiler Messkoffer 89
6.1.2 Vereinheitlichung der Kommunikation mit DAQ-Geräten 90
6.2 Softwarebenutzeroberfläche 93
7 Empirische Validierung 95
7.1 Validierung der Strukturkonfigurationsphase 95
7.1.1 Validierung von 3D-Rekonstruktionen 95
7.1.2 Validierung von ArUco-Marker-Detektionen 98
7.2 Validierung der Visualisierungsphase 105
7.2.1 Validierung der Bewegungsverfolgung der Kamera 105
7.2.2 Validierung der kabellosen Datenübertragung 106
7.2.3 Validierung der Interpolation anhand von Eigenschwingungsformen 107
7.3 Validierung von Instrumentierung und Aufschlagkraftsuche des
intelligenten Modalhammers 111
7.4 Validierung des Gesamtsystems 113
7.4.1 Experimentelle Modalanalyse einer Fahrzeugfelge 113
7.4.2 Experimentelle Modalanalyse einer Stahlplatte 118
8 Zusammenfassung und Ausblick 123
8.1 Zusammenfassung 123
8.2 Ausblick 124
8.2.1 Technische Weiterentwicklung 125
8.2.2 Schlussbetrachtung 125
9 Literaturverzeichnis 127

Keywords: Strukturdynamik, Modalanalyse, Betriebsschwingformanalyse, Strukturanregung, Impulshammer, Strukturantwort, Schwingungssensor, Angereicherte Realität, 3D Rekonstruktion, Angereicherte Realität Marker, Structural Dynamics, Modal Analysis, Operating Deflection Shapes, Structural Excitation, Impulse Hammer, Structural Response, Vibration Sensor, Augmented Reality, 3D Reconstruction, Augmented Reality Marker