DE2628954C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulation von vorzugsweise Masse und/oder Steifigkeit, aber auch Dämpfung, an elastomechanischen Schwingungssystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Simulation von vorzugsweise Masse und/oder Steifigkeit, aber auch Dämpfung, an eiastomechanischen Schwingungssystemen und zeigt gleichzeitig eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem elastomechaitischen Kontinuum und einer Zusatzmasse und/oder Zusatzsteifigkeit, aber auch Zusatzdämpfung.

Viele Aufgabe der Schwingungstechnik und der Schwingungsmeßlechnik erfordern Steifigkeits-, Dämpfungs- und Massenveränderungen an eiastomechanischen Systemen. Dabei ist es beispielsweise erforderlich, die generalisierte Masse eines Schwingungssystems festzustellen, was mit Hilfe von Zusatzsteifigkeiten oder Zusatzmassen durchgeführt wird. Bisher werden solche Änderungen dadurch durchgeführt, daß tatsächliche Masse, Steifigkeiten und Dämpfungen mit dem zu untersuchenden elastomechanischen. System verbunden werden, was bekanntlich einen mehr großen mechanischen Aufwand erfordert. Der zeitliche Aufwand bei derartigen Untersuchungen ist erheblich. Durch die Anbringung von beispielsweise Massen an dem Schwingungssystem wird die Oberfläche dieses Systems anders gestaltet bzw. verändert, so daß beispielsweise gleichzeitig keine Messungen, die strömungstechnische Probleme betreffen, durchgeführt werden können.

Die DE-OS 23 46 279 zeigt im wesentlichen ein Dämpfungssystem, also ein elastomechanisches Schwingungssystem, bestehend aus einer im wesentlichen starren Masse, die mit Hilfe eines passiven Dämpfers gelagert ist. Parallel zu diesem passiven Dämpfer wird ein aktiver Dämpfer eingesetzt, mit dessen Hilfe zusätzlich an der starren Masse Kräfte übertragen werden, um die teilweise lückenhaften bzw. schlechten Eigenschaften des passiven Dämpfers allein zu überbrücken oder auszugleichen. Dabei findet gemäß F i g. 4 ein Rückkoppelkreis Verwendung, d. h. von der starren schwingungsfähig gelagerten Masse werden Signale abgenommen, die zugleich weg- und geschwindigkeitsabhängig sind. Dieses Mischsignäl wird dann wieder aufgegeben, und zwar auf den aktiven Dämpfer, Als aktive Dämpfer sind Flüssigkeitssysteme beschrieben, Wobei auch andere Ausführungen genannt bzw. als gleichwertig nebeneinander aufgeführt werden. Diesen Dämpfern haftet je nach Ausführung mehr oder weniger der Nachteil an, daß eine genau kalibrierte Und meßbare Massen- und/oder Steifigkeitswirkung nicht

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erreichbar ist. Dies bedeutet, daß sich mit diesem bekannten Verfahren eine generalisierte Masse nicht messen läßt.

Die GB-PS 13 Ol 301 zeigt eine Vibrationsfördervorrichtung, die eine bestimmte Eigenfrequenz aufweist, welche sich durch unterschiedliche Schüttgutmassen laufend ändert Es ist ein Regelkreis vorgesehen, der die Größe der Schwingung der Vibration kontrolliert und die Antriebsfrequenz für die Vibrationsförderanrichtung ständig an die sich infolge der Schüttgutänderungen verändernde Resonanzfrequenz des Systems anpaßt Damit wird die Antriebsfrequenz für das System verändert, nicht aber die Resonanzfrequenz des Systems selbst durch Simulation von Masseänderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, die die Simulation einer reinen präzise kalibrierbaren und meßbaren Masse und/oder Steifigkeit, aber auch Dämpfung, zuläßt, unabhängig von der Frequenz und der Amplitude des zu beeinflussenden elastomechanischen !Continuums.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreich- daß an dem vorzugsweise als elastomechanisches Kontinuum ausgebildeten Schwingungssystem, wie z. B. Flugzeug-, Raketen- oder Satellitenstruktur, Beschleunigungen und/oder Wege, aber auch Geschwindigkeiten, gemessen und das in Form einer elektrischen Spannung erzeugte Meßsignal ohne Phasen- und Amplitudenveränderung von Störeffekten gereinigt und als Steuersignal verstärkt und in eine beschleunigungs- und/oder weg- aber auch geschwindigkeitsproportionale Kraft derart umgeformt und dem elastomechanischen Kontinuum derart wieder zugeführt wird, daß die durch die beschleunigungs- und/oder weg- aber auch geschwindigkeitsproportionale Kräfte erzeugte Massen-, Steifigkeits- aber auch Dämpfungswirkungen in gleicher Weise wie reale Massen, Steifigkeiten, aber auch Dämpfungen, unbeeinflußt von Amplitude und Frequenz des elastomechanischen Kontinuums bleiben.

Beim Anrreldungsgegenstand geht es also darum, reine kalibrierte und meßbare Massen, Steifigkeiten oder auch Dämpfungen zu simulieren, und zwar derart, daß die durch die beschleunigungs- und/oder weg- aber auch geschwindigkeitsproportionalen Kräfte erzeugte Massen-, Steifigkeits- aber auch Dämpfungswirkungen in gleicher Weise wie reale Massen, Iteifigkeiten aber auch Dämpfungen unbeeinflußt von Amplitude und Frequenz des elastomechanischen Kontinuums bleiben. Die Vorteile des Verfahrens sind darin zu sehen, daß der zeitliche und aparative Au^cwand wesentlich geringer ist und trotzdem die Genauigkeit des Meßergebnisses gesteigert -verden kann. Weiterhin können die gewünschten Größen stufenlos verändert bzw. eingestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil, der neue Möglichkeiten eröffnet, ist darm zu sehen, daß nicht nur positive, sondern auch negative Massen, Steifigkeiten und Dämpfungen emuliert werden können. Dies wirkt sich beispielsweise dahingehend vorteilhaft aus, daß die generalisierte Masse eines Schwingungssystems genauer und schneller bestimmt werden kann. Störende Rückwirkungen auf das Schwingungssystem werden weitgehend vermieden. Dies bedeutet, daß Fehler, die durch die Anbringung von Schwingungserreger und Schwingungsaufnehmer entstehen, sehr klein gehalten werden bzw. kompensiert werden können. Das Meßefgebnis kann deshalb unverfälscht und damit genauer erhalten werden.

Das erzeugte Meßsignal wird in einem Filter in seine Hauptkomponenten bezüglich seiner Grundwelle zerlegt und mit diesen Komponenten wird ein Generator zur Abgabe eines entsprechenden Generatorsignalb angeregt, welches mit der Grundwelle des Meßsignals in Betrag und Phase übereinstimmt Damit werden vorzugsweise Grundwellen untersucht, was aber nicht ausschließt daß das Verfahren auch auf Oberwellen Anwendung finden kann.
Der Generator kann zum Auffinden einer Eigenschwingung des Schwingungssystems in seiner Frequenz verstimmt werden, wobei zunächst das Generatorsignal allein und dann in Addition mit dem gefilterten Meßsignal dem Leistungsverstärker und dem Schwingungserreger zugeführt wird. Damit können an harmonisch schwingenden Systemen Schwingungszustände über einen genügend großen Zeitraum aufrechterhalten bleiben, um beispielsweise über den Querschnitt des Schwingungssystems, beispielsweise eines Tragflügels, eine Anzahl von Messungen durchzuführen.

Das gefilterte Meßsignal wird zur Veränderung der Steifigkeit Dämpfung und/oder Masse des elastomechanischen Schwingungssystems über ein Potentiometer verändert Dieses Potentiometer ist Bestandteil des Filters und erlaubt eine sehr schnelle und einfache Veränderung der Steifigkeit Dämpfung und/oder Masse. Es bestimmt den Anteil des Steuersignals für den Leistungsverstärker, das von dem Schwingungsaufnehmer stammt. Zur Vorzeichenumkehr des Anteils des Meßsignals am Steuersignal findet ein Inverter Verwendung, um beispielsweise negative Massen zu simulieren. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem elastomechanischen Kontinuum und einer Zusatzmasse und/oder Zusatzsteifigkeit aber auch Zusatzdämpfung, kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß die Zusatzmasse und/oder Zusatzsteifigkeit aber auch Zusatzdämpfung, von einem Rückkoppelkreis gebildet ist, der einen auf Beschleunigungen und/oder Wege aber auch Geschwindigkeiten, ansprechenden Schwingungsaufnehmer zur Erzeugung eines Me^signales, einen Filter für die Reinigung des MeUsignals von Störeffekten ohne Phasen- und Amplitudenveränderung und unabhängig von Amplitude und Frequenz des elastomechanischen Kontinuums.

einen Leistungsverstärker und einen Schwingungserreger aufweist.

Das Filter ist mit einem steuerbaren Generator versehen bzw. beinhaltet einen solchen Generator, um das schwingende System zunächst einmal anzuregen und dann laufend mit der erregenden Schwingung zu versorgen. Das Filter ist phasen- und amplitudenkohärend ausgebildet, um das ursprüngliche Meßsignal nich. zu verfälschen. Die Scnwirgungsaufnehmer sind so ausgebildet, daß sie ein Meßsignal phasengleich und proportional zur anliegenden Verschiebung, Schv/ingungsgeschwindigkeit und/oder Beschleunigung abgeben.

Der Schwingungserreger und der Schwingungsaufnehmer sind in demselben Punkt des Schwingungssystems angeordnet, damit eine möglicht enge Rückkopplung erzielt und tatsächlich das gemessen wird, was am Ort der Erregung geschieht.

Der Leistungsverstärker ist gleichspannungsgekoppelt und ohne Phasenverschiebung ausgebildet.

Der Erfindungsgi danke wird in den Zeichnungen Verdeutlicht und anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Systemdiagramm des RüGkkoppelkreises

F i g. 2 ein Blockschallbild des Filters.

In F i g. 1 ist ein Schwingungssystem 1 dargestellt, welches beispielsweise als eingespannter Tragflügel gesehen werden kann. Mit dem Schwingüngssyslem 1 ist ein Schwingungsaufnehmer 2, der als Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmer ausgebildet sein kann, verbunden. Der Schwingungsaufnehmer ist elektrisch mit einem phasen- und amplitudenkohärenten Filter 3 verbunden. Von diesem führt eine Leitung zu einem Leistungsverstärker 4 und von dort zu einem Schwingungserreger 5, der wiederum mit dem Schwingungssystem 1 verbunden ist, und zwar in dem Ort bzw. möglichst nahe an dem Schwingungsaufnehmer 2. Weiterhin ist ein Generator 6 vorgesehen, der an den IS Eingang des Filters 3 angeschlossen ist oder in irgendeiner Form Bestandteil des Filters 3 ist. Weitere 'Ocn^vingUngSHüniciirncr t, ΚυΠΠβπ αϋΐ ucii! οΟιιιτΐΠ-gUngssystem 1 angeordnet sein und zu einem analysierenden Meßgerät 7 führen.

Bei Durchführung einer Messung gibt der Schwingungsaufnehmer 2 des Rückkoppelkreises ein Meßsignal in Form einer elektrischen Spannung ab, welches in dem Filter 3 von Störgrößen gefeinigt wird Und dann als Steuersignal dem Leistungsverstärker 4 zugeführt wird. In dem Leistungsverstärker 4 entsteht ein zum Steuersignal proportionaler Strom, der in dem Schwingungserreger 5, z. B. in elektrodynamischer Bauart, eine zum Steuer- bzw. Meßsignal proportionale Kraft entsprechend einer Feder-, Dämpfungs- oder Massen- jo kraft erzeugt.

Zu Beginn einer Messung kann zunächst durch Verstellen des Generators 6 eine Eigenschwingung des Schwingungssystems 1 aufgefunden werden, im Filter 3 wird das Meßsignal des Schwingungsaufnehmers 2 und das Ausgangssignal des Generators 6 addiert und gemeinsam als Steuersignal dem Leistungsverstärker zugeführt.

F i g. 2 zeigt den Aufbau des Filters 3 und seine Zusammenschaltung mit dem Schwingungsaufnehmer 2, dem Generator 6 und dem Leistungsverstärker 4. Das Filter 3 besitzt einen Analysator 8, der mit dem Schwingungsaufnehmer 2 und mit dem Generator 6 verbunden ist. Der Analysator 8 hat die Aufgabe, das Meßsignal zu zerlegen und dabei an den Sinus- und den Kosinusanteil der Grundschwingung des Meßsignals festzustellen. Der Sinüsäiiteil wird einem ersten Multiplizierer 9 zugeführt, der darüber hinaus auch mit dem Generator 6 in der gezeigten Weise verbunden ist.

/AIICIlUg gUiaiigi UU I-Iir.3il1u.3a111v.1r tu CHICHI CiTbIiVIi Multiplizierer 10, der ebenfalls Anschluß an den Generator 6 hat. Die beiden Ausgahgssignale aus den Multiplizierern 9 und 10 werden in einem Summierer 11 zusammengefaßt und über ein Potentiometer 12 einem weiteren Summierer 13 zugeführt, der mit dem Leistungsverstärker 4 verbunden ist. Der Generator 6 ist außerdem mit dem Summierer 13 verbunden, um auch ohne Meßsignal ein Steuersignal an den Leistungsverstärker 4 abgeben zu können. Durch Verstellen des Potentiometers 12 wird de'· Anteil des Meßsignals an dem Steuersignal vergrößert bzw. verkleinert, so daß mehr oder weniger Masse, Steifigkeit oder Dämpfung an dem Schwingungssystem 1 simuliert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Simulation von vorzugsweise Masse und/oder Steifigkeit, aber auch Dämpfung, an eiastomechanischen Schwingungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem vorzugsweise als elastomechanisches Kontinuum ausgebildeten Schwingungssystem, wie z. B. Flugzeug-, Raketen- oder Satellitenstruktur, Beschleunigungen und/oder Wege, aber auch Geschwindigkeiten, gemessen und das in Form einer elektrischen Spannung erzeugte Meßsignal ohne Phasen- und Amplitudenveränderung von Störeffekten gereinigt und als Steuersignal verstärkt und in eine beschleunigungs- und/oder weg- aber auch geschwindigkeitsproportionale Kraft derart umgeformt und dem eiastomechanischen Kontinuum derart wieder zugeführt wird, daß die durch die beschleunigungs- und/oder weg- aber auch geschwindigkeitsprcportionalen K-<ifte erzeugte Massen-, Steifigkeits- aber auch Dämpiungswirkungen in gleicher Weise wie reale Massen, Steifigkeiten, aber auch Dämpfungen, unbeeinflußt von Amplitude und Frequenz des eiastomechanischen Kontinuums bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Meßsignal in einem Filter in seine Hauptkomponenten bezüglich seiner Grundwelle zerlegt und mit diesen Komponenten ein Generator zur Abgabe eines entsprechenden Generatorsignals angeregt wird, welches mit der Grundwelle des Meßsignals in Betrag und Phase übereinstimmt.

3. Verfahren nach Anspa jh 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß de. Generator zum Auffinden einer Eigenschwingung des Scr vingungssystems in seiner Frequenz verstimmt wird und das Generatorsignal zunächst alleine und dann in Addition mit dem gefilterten Meßsignal dem Leistungsverstärker und dem Schwingungserreger zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch -to gekennzeichnet, daß das gefilterte Meßsignal zur Veränderung der Steifigkeit, Dämpfung und/oder Masse des eiastomechanischen Schwingungssystems über ein Potentiometer verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorzeichenumkehr des Anteils des Meßsignals am Steuersignal ein Inverter Verwendung findet.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, mit einem elastomechanisehen Kontinuum und einer Zusatzmasse und/oder Zusatzsteifigkeit, aber auch Zusatzdärnpfung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmasse und/ oder Zusatzsteifigkeit, aber auch Zusatzdämpfung, von einem Rückkoppelkreis gebildet ist, der einen auf Beschleunigungen und/oder Wege, aber auch Geschwindigkeiten, ansprechenden Schwingungsaufnehmer (2) zur Erzeugung eines Meßsignals, einen Filter (4) für die Reinigung des Meßsignals von Störeffekten ohne Phasen- und Amplitudenveränderung und unabhängig von Amplitude und Frequenz des eiastomechanischen Kontinuums, einen LeU stungsverstärker (4) und einen Schwingungserreger (5) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn^ zeichnet, daß das Filter (3) mit einem steuerbaren Generator (6) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch

gekennzeichnet, daß das Filter (3) phasen und amplitudenkohärend ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsaufnehmer (2) so ausgebildet sind, daß sie ein Meßsignal phasengleich und proportional zur anliegenden Verschiebung, Schwingungsgeschwindigkeit und/oder Beschleunigung abgeben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, Jadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (5) und der Schwingungsaufnehmer (2) in demselben Punkte des Schwingungssystems (1) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (4) gleichspannungsgekoppelt und ohne Phasenverschiebung ausgebildet ist.