WO2007051650A1 - Verfahren und vorrichtung zur simulation einer realstruktur - Google Patents

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WO2007051650A1
WO2007051650A1 PCT/EP2006/010649 EP2006010649W WO2007051650A1 WO 2007051650 A1 WO2007051650 A1 WO 2007051650A1 EP 2006010649 W EP2006010649 W EP 2006010649W WO 2007051650 A1 WO2007051650 A1 WO 2007051650A1
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WO
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interface
real
actuator unit
physical load
load variables
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/010649
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Matthias
Martin Thomaier
Joachim BÖS
Dirk Mayer
Sven Herold
Tobias Melz
Heiko Atzrodt
Thomas Bruder
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/027—Test-benches with force-applying means, e.g. loading of drive shafts along several directions

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the experimental simulation of static or dynamic effects of physical load variables of at least one real structure on a test body structure that can be connected to the real structure via at least one interface.
  • a real structure mechanical, pneumatic and / or hydraulic units to understand in the form of machines or machine parts or other technical structures.
  • an apparatus and a method are described with which the simulation of a real structure and test body structure for the purpose of investigating the properties of an interface is possible via which the real structure is connected to the test body structure.
  • Test specimen structures as well as real structures can consist of one or several components.
  • physical stress variables may include mechanical effects of physical stressors such as e.g. Ways, speeds, accelerations, forces, moments.
  • Test setups are known in which actuators are provided for introducing forces and moments in a respective chassis component in order to emulate as possible the real loads acting on the respective component during normal operation.
  • actuators are provided for introducing forces and moments in a respective chassis component in order to emulate as possible the real loads acting on the respective component during normal operation.
  • test specimen structure In order to test the properties under load of individual components contained in or connected to a real structure, these components are each described below as a test specimen structure, it is necessary to create a test environment in which it is necessary to initiate as realistic a load as possible in a test specimen structure, to simulate the real coupling conditions between the real structure and the specimen structure to be examined. As described above, this has hitherto been achieved by incorporating the real structure or at least parts of the real structure into the test environment, which, however, involves a considerable amount of equipment and cost.
  • the term "real structure” means a structural unit in the form of a mechanical, pneumatic or hydraulic structure or in the form of a hybrid structure composed of the above structures understand, which has its own momentum and / or an individual damping behavior and in particular an inherent elasticity, which act in a holistic on a connected to the real structure test specimen structure.
  • real structure Explicitly excluded from the notion of real structure are supposed to be purely passive objects possessing an infinite mass in the mechanical sense, such as streets, buildings or the like.
  • an actuator unit is understood to be an energy converter system which converts one form of energy into another.
  • mechanical actuators such as hydraulic cylinders, pneumatic cylinders or piezoceramic actuators.
  • the energetic effects of the real structure on the at least one interface to simulate the test specimen structure are appropriately assembled actuator units in the form of magnetic field generators, acoustic transducers or heating or cooling elements alternatively or in combination with the above-mentioned, mechanical actuator units at the interface to provide representative of the real structure or at least portions of the real structure.
  • the further statements relate primarily, without limitation of the general inventive concept, which includes the above effects alternatives, on mechanical load variables, which it is to be detected and simulated accordingly.
  • a particular interest in the method according to the invention lies in the simulation of elastic properties of the at least one real structure and their physical repercussions on a test body structure connected via an interface with the real structure.
  • the method according to the invention for the experimental simulation of static or dynamic effects of physical load variables preferably of mechanical parameters such as forces, moments, velocities, accelerations, paths or elastic properties, such as expansion, vibration, damping etc., of at least one real structure on one
  • the test body structure which can be connected to the real structure via at least one interface is composed by the combination of the following method steps, First of all, it is necessary to determine the physical load variables at the at least one interface of the real structure with respect to their static and dynamic properties, a process which takes place either on the basis of numerical calculations or by means of sensory detection on a real structure which is actually in operation.
  • the specimen structure may actually remain connected to the real structure at some interfaces, and appropriate actuator units are to be provided on selected further partial areas of the real structure to be simulated.
  • At least one of the actuator units connected to an interface to the test body structure is subsequently actuated on the basis of the data set representing the effect of physical load variables of the real structure for simulating the physical load variables of the physical structure acting on the test object.
  • the at least one actuator unit in the area of the interface onto the test body structure are detected by sensors, whereby knowledge about the current system behavior is obtained at the at least one interface.
  • the at least one actuator unit is thus actuated on the basis of a comparison between the sensorially detected actual effect of the actuator unit in the region of the interface with the data set representing the physical load variables of the real structure.
  • actuator units are to be provided for a real simulation of the static and dynamic properties of the real structure at each individual interface, which physical load quantities, especially the mechanical quantities such as forces, moments, Generate routes, speeds, accelerations, in all required degrees of freedom; In most cases, actuator effects in six different degrees of freedom are sufficient for a real simulation of the mechanical properties of the real structure.
  • suitable actuator units are e.g. Hydraulic, pneumatic or electromotive actuator units that can be used alone or in combination.
  • multifunctional transducer materials such as piezoelectric materials are suitable.
  • the device described above and the method associated therewith for simulating physical load variables on the part of a real structure on a test body structure that can be connected via at least one interface to the real structure serves to avoid the use of a real structure that is actually present.
  • a test body structure to be connected with a real structure can be examined in terms of its static and dynamic properties for the purpose of rapid and economical product development.
  • This solution according to the invention is consistently developed leading to a device and a method in which both the above-described real structure and the test body structure having the same objective as described above are each substituted by at least one actuator unit, ie the at least one Interface operatively connected Aktortechniken capable of realistically simulating the static and dynamic properties of both the real specimen structure and the real structure in the interface.
  • the at least one actuator unit representing the real structure is actuated in the context of a control loop on the basis of a data set representing the stationary and dynamic properties of the real structure, it also applies that the at least one actuator unit substituting the test body structure in FIG to drive in the same way.
  • FIG. 2 a representation of a conventional test setup for examination a hitch on a motor vehicle
  • FIG. 3a, b a) depicting a conventional test setup for investigating the bearing of a marine engine, b) depicting a test setup according to the invention for investigating the forces acting on the interface according to the test setup in FIG. 3a.
  • FIG. 1 a shows a generally valid schematic exemplary embodiment for explaining a test body structure 1 or Spm f , which has a plurality of interfaces 2 in static and / or dynamic interaction with different real structures Si, S 2 ... S n or different regions of a Real structure 3 stands.
  • the idea underlying the device according to the invention consists in the substitution of the real structures Si, S 2 .. -S n or regions of the real structure 3 by the static and dynamic properties of the real structure along the individual interfaces 2 simulating actuator units.
  • the forces / moments velocities acting on the test specimen structure 1 by the respective actuator units 4 are detected, inter alia, with the aid of suitable sensors 5 whose sensor signals are each returned via a control unit R 1 , R 2 , in which the sensor signals by comparison with corresponding reference data corresponding to the real load pattern by the real structure, are compared to generate corresponding control signals for controlling the respective actuator unit 4.
  • This allows a controlled and controlled operation of the actuator units 4, which are supported by corresponding abutment 6 and thus at the same time able to fully absorb the load of the test body structure 1.
  • test scenario shown in FIG. 1c is intended to make it clear that it is not necessary to provide an actuator unit instead of the real structure at all interfaces 2 between the test body structure 1 and the real structures S1, S2,..., Sn or the regions of a real structure 3 Tests on test body structures conceivable that remain connected during the stress test with at least one real structure 3 *.
  • FIG. 1d shows a case in which two test body structures 1 and 1 'are connected via at least one interface 2'.
  • further test body structures can be connected or coupled to one another via corresponding further interfaces.
  • two actuator units for simulating the static or dynamic properties of the real structure are provided at all or only at selected interfaces for stress testing of the coupled test body structures 1 and 1 '.
  • the interface 2 'present between the two test body structures 1 and 1' likewise with at least one actuator unit with which the static or dynamic properties of one or both test body structures can be simulated. If all involved real (3, 3 1 ) and test body structures (1. 1 ') are replaced by an actuator unit, the interfaces themselves can be examined in terms of their load characteristics.
  • FIG. 2a a conventional situation is shown in order to carry out the fatigue strength test of passenger vehicle hitch devices 7 in a test environment that is as realistic as possible.
  • a real motor vehicle 8 in a test stand 9 adapted for this purpose is integrated, wherein the trailer device 7 to be tested is connected in the intended manner to the motor vehicle 8.
  • the boundary conditions can be represented close to reality, so that in the entire hitch those mechanical stresses are generated, which also occur during the real operation of the motor vehicle 8.
  • additional loads are introduced, for example via a hydraulic test cylinder 10 on the hitch 7.
  • test scenario shown in FIG. 2a requires the necessity of at least one bodywork car body to which the towing device 7 to be tested is to be attached.
  • this increases the testing effort, and on the other hand, often no prototype body prototypes are available in the early stages of overall vehicle development.
  • manufacturer of universally applicable towing devices has the problem that an extra body or corresponding parts of the body must be made available for each different vehicle type.
  • FIG. 2 b shows a testing situation in accordance with the solution, in which the towing device 7 is connected instead to the motor vehicle body at their intended interfaces 2, each with an actuator unit 12, 13, via the realistic forces, moments, paths, speeds, accelerations the trailer hitch 7 are introduced, as it were the case in which the trailer device 7 would be mounted on the real vehicle body.
  • the introduction of force by the actuator units 12, 13 for realistic simulation of the real structure in the form of a motor vehicle body takes place at each interface 2, preferably by six spatial degrees of freedom, each individual actuator unit 12, 13 may consist of hybrid, composed of individual actuators.
  • Each individual actuator unit 12, 13 is activated in a manner that corresponds to the static dynamic properties of the real structure. For this purpose, it is necessary to know the static and dynamic behavior of the real structure in each relevant operating state, which can be characterized by different frequency ranges, in order to appropriately control or regulate the corresponding actuator units. For example, in the simulation of a motor vehicle body, it is important to simulate its inherent spring rigidity as well as its damping behavior both statically and dynamically with the aid of the actuator units 12, 13. In analogy to electrical engineering, in which the behavior of electrical circuits, which are usually understood as a black box and are described by the ratio of voltage and current, for which the term impedance is used, the term impedance is also applied to mechanical systems.
  • the impedance Z is defined as the ratio between force and speed with which the real structure acts on the respective interfaces.
  • an impedance formulation can be found that describes the relationship between force and velocity.
  • the impedance Z In order to map the correct static and dynamic behavior of the real structure at the location of an interface at any point in time, the impedance Z must be known for each interface. In order to obtain the impedance Z for each individual interface 2, it is possible to make use of measurements in which the force F and the deflection velocities v at each interface are in operation be measured real structure.
  • the load acting on the hitch 7, which is required to investigate the resistance of the hitch 7 is also for the purpose of a realistic as possible replica actually leading to the hitch forces, moments, paths, speeds, accelerations using an actuator, usually as a hydraulic test cylinder 10 is formed, accomplished.
  • the hydraulic test cylinder 10 acts directly on the trailer head of the hitch 7.
  • FIGS. 3a and 3b A further exemplary embodiment for describing the procedure according to the invention for stress testing of test body structures is shown in FIGS. 3a and 3b.
  • a conventional test setup is shown with which the engine mounting, for example of ship aggregates, can be investigated.
  • Such engine mounts have essentially two purposes: Firstly, they must endure the mechanical loads M (t) of the ship's units 14 in operation, and secondly they should reduce the transmission of mechanical vibrations as much as possible in order to avoid sources of vibration and noise which would otherwise cause noise pollution. Comfort reductions or sound emission lead.
  • marine units 14 are on suitably trained bearings 15, which in turn load on a stable surface 16, which is, for example, part of the ship's structure.
  • 3 b shows a structure according to the invention for an experimental test setup in which on the one hand an actuator unit 17 simulates the static and dynamic behavior with regard to occurring forces, moments, paths, speeds, accelerations of the ship assembly 14, and on the other hand a further actuator unit 18 which initiates the initiation simulated by forces and moments experienced by the bearing 15 by the stable base 16. Also in this case, the actuation of the actuator units 17, 18 is controlled by the current vibration behavior is detected sensorially at the interfaces between actuator units and bearings 15 and the sensor signals thereby obtained via control units R1, R2 for controlled control of the actuator units 17, 18 are returned.

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Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur, in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur, auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur. Die Erfindung zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte: Ermitteln der statischen oder dynamischen Wirkung der physikalischen Belastungsgrößen an der wenigstens einen Schnittstelle zwischen der wenigstens einen Realstruktur und der Prüfkörperstruktur und Erstellen eines die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes, -Vorsehen wenigstens einer Aktoreinheit anstelle der wenigstens einen Realstruktur am Ort der wenigstens einen Schnittstelle und Verbinden der Prüfkörperstruktur mit der wenigstens einen Aktoreinheit und -Ansteuern der wenigstens einen Aktoreinheit auf der Grundlage des die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes zur Simulation der auf den Prüfkörper einwirkenden physikalischen Belastungsgrößen seitens der wenigstens einen Realstruktur.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SIMULATION EINER REALSTRUKTUR
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur. Als Realstruktur sind mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Baueinheiten, in Form von Maschinen oder Maschinenteile oder sonstigen technischen Strukturen zu verstehen. Überdies werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren beschrieben, mit der bzw. mit dem die Simulation einer Realstruktur sowie Prüfkörperstruktur zu Zwecken der Untersuchung der Eigenschaften einer Schnittstelle möglich ist, über die die Realstruktur mit der Prüfkörperstruktur verbunden sind. Prüfkörperstrukturen wie auch Realstrukturen können aus einer wie auch mehreren Komponenten bestehen. Physikalische Belastungsgrößen können beispielsweise mechanische Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen wie z.B. Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte, Momente sein.
Stand der Technik
Für die Entwicklung neuartiger Strukturen, die sich aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammensetzen, spielt die Kenntnis über die Festigkeit und Lebensdauer jeder einzelnen Komponente im konstruktiven Zusammenspiel mit allen übrigen die Gesamtstruktur ergebenden Komponenten eine zentrale Rolle. Um möglichst realitätsnahe Aussagen über das Systemverhalten einzelner, in einer realen Gesamtstruktur eingebundener Komponenten treffen zu können, dienen bis anhin individuell ausgebildete Prüfeinrichtungen, vermittels welcher der real existierende Strukturen und Systeme hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unter Belastung geprüft werden können. Gilt es beispielsweise einzelne Fahrwerkskomponenten eines Kraftfahrzeuges bezüglich ihrer mechanischen Eignung und Belastbarkeit zu überprüfen, so werden häufig vollständig montierte Fahrzeugachsen in die Prüfmaschine eingebaut, um die Interaktion zwischen den einzelnen Komponenten und dem Gesamtsystem möglichst realitätsnah nachzubilden. Es liegt auf der Hand, dass insbesondere bei großbauenden und schwergewichtigen, insbesondere mechanischen Systemen der hierfür erforderliche Prüfaufwand immens ist. Trotz aller diesbezüglicher Anstrengungen bestimmte Einzelkomponenten in einen möglichst realitätsnah nachgebildeten mechanischem Strukturumfeld zu überprüfen, ist es mit derartigen Prüfaufbauten dennoch nicht möglich, das Verhalten der realen Gesamtstruktur uneingeschränkt realistisch darzustellen, zumal häufig nur Teilsystemabschnitte als eine die Realstruktur repräsentierende Prüfumgebung zu Prüfzwecken eingesetzt werden können, so dass die ermittelten Prüfergebnisse verfälscht werden.
Heutzutage werden in der Entwicklung und Konstruktion häufig software-gestützte Konstruktionsprogramme eingesetzt, mit denen es möglich ist, in iterativen Entwicklungsstufen Entwicklungsergebnisse in Form numerisch vorliegender Modelle zu generieren. Sollen zu bestimmten Entwicklungsstadien experimentelle Simulationen an den vorliegenden Komponenten oder Baugruppen durchgeführt werden, beispielsweise um die Entwicklung zu parallelisieren oder um möglichst früh Kenntnisse über die Lebensdauer derartiger Komponenten zu erhalten, müssen die numerischen Modelle in Prototypen überführt werden, die wiederum mit den vorstehend genannten Prüftechniken untersucht werden. Es steht außer Frage, dass bereits die Umsetzung numerisch vorliegender Prototypenstrukturen in reale, mit gängigen Prüftechniken zu untersuchende Prototypen sehr kostenintensiv ist.
Im Zusammenhang mit dem vorstehend bereits zitierten konkreten Anwendungsbeispiel hinsichtlich der Überprüfung von Fahrwerkskomponenten sind Prüfaufbauten bekannt, in denen Aktoren zur Einleitung von Kräften und Momenten in eine jeweilige Fahrwerkskomponente vorgesehen sind, um die auf die jeweilige Komponente bei Normalbetrieb einwirkenden realen Belastungen möglichst nachzubilden. So geht aus einem Beitrag von Lünenbürger, A., „Versuchszeitreduzierung bei Betriebslasten-Nachfahrversuchen an Achssystemen, Meß- und Versuchstechnik im Fahrzeug", Tagung Mainz, 29. bis 30. April 1999, VDI- Berichte No. 1470, VDI-Verlag Düsseldorf, ISBN 3-18-091470-X, hervor, dass eine aktorische Einleitung von Schwingungsbelastungen mit Hilfe wenigstens eines geeigneten Aktors in eine zu untersuchende Fahrwerkskomponente zu Zwecken einer Dauerbelastungsprüfung durchgeführt wird und dies aus Gründen einer Versuchszeitverkürzung mit höheren Prüffrequenzen, die an die zu untersuchende Komponente appliziert werden.
Darstellung der Erfindung
Zur Prüfung der Eigenschaften unter Belastung einzelner, in einer Realstruktur enthaltenen oder mit dieser verbundenen Komponenten, im Weiteren werden diese Komponenten jeweils als Prüfkörperstruktur beschrieben, gilt es eine Prüfumgebung zu schaffen, in der es für die Einleitung möglichst realitätsnaher Beanspruchungen in eine Prüfkörperstruktur notwendig ist, die realen Ankoppelbedingungen zwischen der Realstruktur und der jeweils zu untersuchenden Prüfkörperstruktur nachzubilden. Wie vorstehend beschrieben wird dies bisher dadurch erreicht, indem die Realstruktur oder wenigstens Teile der Realstruktur in die Prüfumgebung eingebunden wird, was jedoch mit einem erheblichen apparativen und kostenintensiven Aufwand verbunden ist. Des Weiteren muss für jede zu überprüfende Prüfkörperstruktur und eine mit dieser über eine Schnittstelle entsprechend zu verbindende Realstruktur eine eigens individuell ausgebildete Prüfumgebung geschaffen werden, wodurch zu den bereits erwähnten erheblichen Kostenaufwendungen ein Zeitproblem erwächst, durch das einzelne Entwicklungsstadien zeitverzögert durchgeführt werden können. Hierbei ist unter dem Begriff der Realstruktur eine Baueinheit in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder in Form einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur zu verstehen, die selbst über eine Eigendynamik und/oder über ein individuelles Dämpfungsverhalten und insbesondere über eine Eigenelastizität verfügt, die gesamtheitlich auf eine mit der Realstruktur verbundene Prüfkörperstruktur wirken. Ausdrücklich nicht von der Begrifflichkeit Realstruktur umfasst sollen rein passive, über eine im mechanischen Sinne unendliche Masse verfügende Objekte sein, wie bspw. Strassen, Gebäude oder ähnliches.
Die vorstehenden Nachteile gilt es zu vermeiden, vielmehr soll ein Verfahren sowie eine Vorrichtung angegeben werden, mit dem bzw. mit der eine hocheffiziente, in Bezug auf Kosten und Zeitaufwand optimierte Belastungsprüfmöglichkeit für an beliebig ausgebildete Realstrukturen fügbare Prüfkörperstrukturen möglich wird. Die lösungsgemäße Vorrichtung sowie das entsprechend angegebene lösungsgemäße Verfahren soll überdies die Möglichkeit schaffen, auch die mechanische Belastbarkeit der zwischen einer beliebig ausgebildeten Prüfkörperstruktur und einer entsprechend beliebig ausgebildeten Realstruktur vorhandenen Schnitt- bzw. Fügestelle zu untersuchen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 , 3, 13 und 15 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee basiert auf dem teilweisen oder vollständigen Ersatz der Realstruktur durch wenigstens eine Aktoreinheit, mit der die Realstruktur und insbesondere die statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur am Ort der Schnittstelle, an der die Prüfkörperstruktur mit der Realstruktur verbindbar ist, simuliert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit ist für die zu untersuchende Prüfkörperstruktur kein Unterschied beispielsweise im mechanischen Verhalten in Bezug auf die wenigstens eine Schnittstelle erkennbar, über die die Prüfkörperstruktur mit der wenigstens einen, die Realstruktur simulierenden Aktoreinheit verbunden ist. Hierbei wird unter einer Aktoreinheit ein Energiewandlersystem verstanden, das eine Energieform in eine andere überführt. Typischerweise handelt es sich um mechanische Aktoren wie Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder oder piezokeramische Aktoren.
Für den Fall, dass die thermischen oder allgemein, die energetischen Wirkungen seitens der Realstruktur über die wenigstens eine Schnittstelle auf die Prüfkörperstruktur zu simulieren sind, sind entsprechend konfektionierte Aktoreinheiten in Form von Magnetfeldgeneratoren, Akustikwandler oder Heiz- bzw. Kühlelemente alternativ oder in Kombination zu den vorstehend genannten, mechanischen Aktoreinheiten an der Schnittstelle, stellvertretend für die Realstruktur oder zumindest Teilbereiche der Realstruktur vorzusehen. Die weiteren Ausführungen beziehen sich jedoch vornehmlich, ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens, der die vorstehenden Wirkungsalternativen mit umfasst, auf mechanische Belastungsgrößen, die es zu erfassen und entsprechend zu simulieren gilt.
Ein besonderes Interesse am lösungsgemäßen Verfahren liegt in der Simulation elastischer Eigenschaften der wenigstens einen Realstruktur sowie deren physikalische Rückwirkungen auf eine über eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbundene Prüfkörperstruktur.
Das lösungsgemäße Verfahren zur experimentellen Simulation von statischen oder dynamischen Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen, vorzugsweise von mechanischen Größen wie, Kräfte, Momente, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Wege oder elastische Eigenschaften, wie Dehnungs-, Schwingungs-, Dämpfungsvermögen etc., von wenigstens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbare Prüfkörperstruktur setzt sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte zusammen, Zunächst ist es erforderlich, die physikalischen Belastungsgrößen an der wenigstens einen Schnittstelle der Realstruktur hinsichtlich ihrer statischen und dynamischen Eigenschaften zu ermitteln, ein Vorgang der entweder auf Basis numerischer Berechnungen erfolgt oder mittels sensorischer Erfassung an einer real ausgebildeten und im Betrieb befindlichen Realstruktur. Die im Wege der vorstehenden Ermittlung erhaltenen Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen werden in Form eines mit Hilfe einer geeigneten Rechner- oder Logikeinheit auswertbaren Datensatzes abgespeichert. Im Weiteren wird wenigstens eine Aktoreinheit anstelle der Realstruktur am Ort der wenigstens einen Schnittstelle vorgesehen, die mit der Prüfkörperstruktur unter Ausbildung einer beispielsweise mechanischen Wirkverbindung verbunden wird.
Soll die gesamte Realstruktur substituiert werden, so gilt es an allen Schnittstellen zwischen der Prüfkörperstruktur und der Realstruktur geeignet ausgebildete Aktoreinheiten vorzusehen. In Fällen, in denen jedoch nur Teilbereiche der Realstruktur simuliert werden sollen, kann die Prüfkörperstruktur an einigen Schnittstellen tatsächlich mit der Realstruktur verbunden bleiben und an ausgewählten weiteren, zu simulierenden Teilbereichen der Realstruktur sind entsprechende Aktoreinheiten vorzusehen.
Wenigstens die eine mit einer Schnittstelle zur Prüfkörperstruktur verbundene Aktoreinheit wird im Weiteren auf der Grundlage des die Wirkung physikalischer Belastungsgrößen der Realstruktur repräsentierenden Datensatzes zur Simulation der auf den Prüfkörper einwirkenden physikalischer Belastungsgrößen der Realstruktur angesteuert.
Um zu gewährleisten, dass die Einleitung der physikalischen Belastungsgrößen in einer kontrolliert und exakt vorgegebenen Weise über die wenigstens eine Aktoreinheit in den Bereich der Schnittstelle erfolgt, ist ein geregelter bzw. gesteuerter Betrieb der wenigstens einen Aktoreinheit vorteilhaft. Hierzu werden die durch die wenigstens eine Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle auf die Prüfkörperstruktur eingeleiteten physikalischen Belastungsgrößen sensoriell erfasst, wodurch Kenntnis über das aktuelle Systemverhalten an der wenigstens einen Schnittstelle gewonnen wird. Für eine nahezu realistische Nachbildung bzw. Simulation der Realstruktur an der Schnittstelle zur Prüfkörperstruktur erfolgt somit die Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit auf der Grundlage eines Abgleichens zwischen der sensoriell erfassten tatsächlichen Wirkung der Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle mit dem die physikalischen Belastungsgrößen der Realstruktur repräsentierenden Datensatz. Je nach Anzahl der zwischen der Prüfkörperstruktur und der zu simulierenden Realstruktur vorzusehenden Schnittstellen sind für eine reale Nachbildung der statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur an jeder einzelnen Schnittstelle entsprechend ausgelegte Aktoreinheiten vorzusehen, die die physikalischen Belastungsgrößen, vornehmlich die mechanischen Größen, wie Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, in allen erforderlichen Freiheitsgraden generieren; zumeist reichen für eine reale Nachbildung der mechanischen Eigenschaften der Realstruktur Aktorwirkungen in sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden aus.
Je nach einem zu erzeugenden Kräfte- bzw. Momentenmuster eignen sich als Aktoreinheiten z.B. hydraulische, pneumatische oder elektromotorische Aktoreinheiten, die in Alleinstellung oder in Kombination eingesetzt werden können. Weiterhin eignen sich insbesondere multifunktionale Wandlerwerkstoffe, wie beispielsweise piezoelektrische Materialien.
Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung bzw. des lösungsgemäßen Verfahrens eröffnet sich überdies die Möglichkeit, durch bloßen Austausch bzw. bloße Variation des die Wirkung der physikalischen Belastungsgrößen seitens eines Realsystem beschreibenden und repräsentierenden Datensatzes vollkommen unterschiedliche Realstrukturen zu simulieren ohne diese real nachbilden zu müssen. Durch Austausch dieser Systembeschreibung kann durch spezielle Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit das statische und dynamische Systemverhalten beliebiger Realstrukturen simuliert werden. Hierdurch kann sowohl der experimentelle aber insbesondere auch der finanzielle Aufwand, der mit der Bereitstellung einer Realstruktur verbunden ist, vollständig vermieden werden. Gilt es beispielsweise Zubehörteile für komplex gestaltete Systeme zu entwickeln, wie beispielsweise Radaufhängungen an KFZ- Antriebsachsen, so können als Prototypen vorliegende Radaufhängungsstrukturen unter realitätsnahen Randbedingungen untersucht werden, um zielorientierte Produktverbesserungen vornehmen zu können. Der hierfür erforderliche Prüfaufbau sowie Prüfaufwand kann gegenüber herkömmlichen Prüfeinrichtungen deutlich vereinfacht werden, zumal keine Originalkomponenten als Realitätsstrukturen erforderlich sind. Auch an der Realstruktur vorzunehmende Änderungen können durch einfache numerische Manipulationen am vorliegenden, die Realstruktur repräsentierenden Datensatz vorgenommen werden.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung sowie das damit verbundene Verfahren zur Simulation physikalischer Belastungsgrößen seitens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur dient der Vermeidung des Einsatzes einer real vorliegenden Realstruktur. Hierdurch lässt sich eine mit einer Realstruktur zu verbindende Prüfkörperstruktur in ihren statischen und dynamischen Eigenschaften zum Zwecke einer schnellen und ökonomischen Produktentwicklung untersuchen. Diesen lösungsgemäßen Gedanken in konsequenter Weise weitergebildet führt zu einer Vorrichtung und einem Verfahren bei der bzw. bei dem sowohl die vorstehend beschriebene Realstruktur, als auch der Prüfkörperstruktur mit der gleichen Zielsetzung wie vorstehend beschrieben jeweils durch wenigstens eine Aktoreinheit substituiert werden, d.h. die über wenigstens eine Schnittstelle in Wirkverbindung stehenden Aktoreinheiten vermögen die statischen und dynamischen Eigenschaften sowohl der realen Prüfkörperstruktur als auch der Realstruktur im Bereich der Schnittstelle realitätsnah nachzubilden. In diesem Fall ist es möglich, die Schnittstelle selbst zu untersuchen, ohne dabei den prüftechnischen Aufwand einer realen Ausbildung und Bereitstellung von Prüfkörperstruktur und Realstruktur betreiben zu müssen. In gleicher weise, in der wie vorstehend beschrieben, die wenigstens eine, die Realstruktur repräsentierende Aktoreinheit im Rahmen eines Regelkreises unter Zugrundelegung einer die stationären und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur repräsentierenden Datensatzes angesteuert wird, gilt es auch, die wenigstens eine, die Prüfkörperstruktur substituierende Aktoreinheit in gleicher Weise anzusteuern. Sowohl für die Ermittlung des die statischen und dynamischen Eigenschaften der Prüfkörperstruktur repräsentierenden Datensatzes als auch für die regeltechnisch und sensoriell überwachte Ansteuerung der wenigstens einen, die Prüfkörperstruktur ersetzende Aktoreinheit gelten die gleichen Maßnahmen und Vorkehrungen, die vorstehend zur Simulation der Realstruktur unter Verwendung wenigstens einer die statisch und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur nachahmenden Aktoreinheit erläutert worden sind.
Das vorstehend ausgeführte lösungsgemäße Verfahren sowie die damit verbundene Vorrichtung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mechanische Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen. Daneben sind weitere Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen wie z.B. thermische, magnetische, elektrische, chemische, akustische abbildbar, auf die jedoch nicht weiter eingegangen wird. Es zeigen:
Fig. 1a-d a) schematisierte Prüfszenario zur experimentellen Simulation einer Realstruktur, b) schematisierte Darstellung einer Prüfkörperstruktur mit einer über zwei Schnittstellen verbundenen Realstruktur, c, d) weitere schematisierte Prüfszenarien
Fig. 2a Darstellung eines herkömmlichen Prüfaufbaus zur Untersuchung einer Anhängevorrichtung an einem Kraftfahrzeug,
Fig. 2b lösungsgemäß ausgebildete Prüfvorrichtung zur Untersuchung einer Anhängevorrichtung,
Fig. 3a, b a) Darstellung eines herkömmlichen Versuchsaufbau zur Untersuchung der Lagerung eines Schiffsmotors, b) Darstellung eines lösungsgemäßen Versuchsaufbaus zur Untersuchung der auf die Schnittstelle einwirkenden Kräfte gemäß des Versuchsaufbaus in Figur 3a.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1a ist ein allgemein gültiges schematisiertes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung einer Prüfkörperstruktur 1 bzw. Spmf dargestellt, die über eine Vielzahl von Schnittstellen 2 in statischer und/oder dynamischer Wechselwirkung mit unterschiedlichen Realstrukturen Si, S2...Sn oder unterschiedlichen Bereichen einer Realstruktur 3 steht. Die der lösungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Idee besteht in der Substitution der Realstrukturen Si, S2.. -Sn oder Bereiche der Realstruktur 3 durch die statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur längs der einzelnen Schnittstellen 2 simulierende Aktoreinheiten. In Figur 1 b ist hierzu stark schematisiert eine Prüfkörperstruktur 1 bzw. SPrü1 dargestellt, die über zwei Schnittstellen 2 mit jeweils einer multiaxialen Aktoreinheit 4 verbunden ist, von der jede einzelne Aktoreinheit 4 mechanische Belastungen wie Kräfte, Momente, Geschwindigkeiten usw. auf die Prüfkörperstruktur 1 derart überträgt, so dass die Prüfkörperstruktur 1 in gleicher weise mechanischen Belastungen unterworfen ist, als wäre die Prüfkörperstruktur 1 tatsächlich mit einer Realstruktur verbunden.
Um eine möglichst realitätsgetreue Nachbildung der statischen sowie auch dynamischen Belastungen und Randbedingungen auf die Prüfkörperstruktur 1 durch die Aktoreinheiten realisieren zu können, werden die durch die jeweiligen Aktoreinheiten 4 auf die Prüfkörperstruktur 1 einwirkenden Kräfte / Momente Geschwindigkeiten u.a. mit Hilfe geeigneter Sensoren 5 erfasst, deren Sensorsignale jeweils über eine Regeleinheit R1, R2 rückgeführt werden, in denen die Sensorsignale durch Abgleich mit entsprechenden Referenzdaten, die dem realen Belastungsmuster durch die Realstruktur entsprechen, verglichen werden, um entsprechende Regelsignale zur Ansteuerung der jeweiligen Aktoreinheit 4 zu generieren. Dies ermöglicht einen geregelten sowie gesteuerten Betrieb der Aktoreinheiten 4, die über entsprechende Gegenlager 6 abgestützt sind und somit zugleich auch die Last der Prüfkörperstruktur 1 vollständig aufzunehmen vermögen.
Das in Figur 1c dargestellte Prüfszenario soll verdeutlichen, dass nicht notwendiger Weise an alle Schnittstellen 2 zwischen der Prüfkörperstruktur 1 und den Realstrukturen S1 , S2, ..., Sn oder den Bereichen einer Realstruktur 3 anstelle der Realstruktur jeweils eine Aktoreinheit vorzusehen sind, vielmehr sind Prüfungen an Prüfkörperstrukturen denkbar, die während der Belastungsprüfung mit wenigstens einer Realstruktur 3* verbunden bleiben.
In Figur 1d ist ein Fall dargestellt, bei dem zwei Prüfkörperstrukturen 1 und 1' über wenigstens eine Schnittstelle 2' verbunden sind. Selbstverständlich können noch weitere Prüfkörperstrukturen über entsprechende weitere Schnittstellen miteinander verbunden bzw. gekoppelt sein. Zur Belastungsprüfung der miteinander gekoppelten Prüfkörperstrukturen 1 und 1' werden, wie vorstehend beschrieben, an allen oder nur an ausgewählten Schnittstellen 2 Aktoreinheiten zur Simulation der statischen oder dynamischen Eigenschaften der Realstruktur vorgesehen. Zusätzlich ist es möglich die zwischen beiden Prüfkörperstrukturen 1 und 1' vorhandene Schnittstelle 2' ebenfalls mit wenigstens einer Aktoreinheit zu versehen, mit der die statischen oder dynamischen Eigenschaften einer oder beider Prüfkörperstrukturen simuliert werden können. Werden alle beteiligten Real- (3, 31) und Prüfkörperstrukturen (1. 1 ') jeweils durch eine Aktoreinheit ersetzt, so lassen sich die Schnittstellen selbst in Ihren Belastungseigenschaften untersuchen.
In der Bilddarstellung gemäß Figur 2a ist eine herkömmliche Situation dargestellt, um die Betriebsfestigkeitsprüfung von PKW-Anhängevorrichtungen 7 in einem möglichst realitätsnahen Prüfumfeld durchzuführen. Hierzu wird ein reales Kraftfahrzeug 8 in einen hierfür angepassten Prüfstand 9 integriert, wobei die zu überprüfende Anhängervorrichtung 7 in bestimmungsgemäßer Weise mit dem Kraftfahrzeug 8 verbunden wird. Auf diese Weise können die Randbedingungen realitätsnah dargestellt werden, so dass auch in der gesamten Anhängevorrichtung jene mechanischen Beanspruchungen erzeugt werden, die sich auch während des realen Betriebes des Kraftfahrzeuges 8 einstellen. Um die Beanspruchungen in der zu untersuchenden Prüfkörperstruktur, d.h. innerhalb der PKW-Anhängevorrichtung 7, zu erfassen, werden zusätzliche Belastungen beispielsweise über einen hydraulischen Prüfzylinder 10 auf die Anhängevorrichtung 7 eingebracht. Dies erfolgt durch entsprechende Einleitung von Kräften Fi, F2, F3 sowie Verschiebungen X1, X2 und X3 jeweils längs der in Figur 2a dargestellten Raumrichtungen. Um die Beanspruchung innerhalb der Prüfkörperstruktur 7 zu erfassen, kann der Spannungszustand innerhalb der Anhängevorrichtung 7 mit Hilfe geeignet angebrachter Dehnmessstreifen 11 erfasst.
Es liegt auf der Hand, dass das in Figur 2a dargestellte Prüfszenario die Notwendigkeit zumindest einer KFZ-Rohkarosserie erfordert, an die die zu prüfende Anhängevorrichtung 7 anzubringen ist. Dies erhöht zum einen den Prüfaufwand, zum anderen sind in frühen Phasen der Gesamtfahrzeugentwicklung häufig keine Karosserieprototypen verfügbar. Im Weiteren stellt sich für den Hersteller universell einsetzbarer Anhängevorrichtungen das Problem, dass für jeden unterschiedlichen Fahrzeugtyp eine Extrakarosserie oder entsprechende Teile der Karosserie zur Verfügung gestellt werden müssen.
In Figur 2b ist eine lösungsgemäße Prüfsituation gezeigt, bei der die Anhängevorrichtung 7 anstelle der KFZ-Karosserie jeweils an ihren bestimmungsgemäßen Schnittstellen 2 mit jeweils einer Aktoreinheit 12, 13 verbunden ist, über die realitätsnah die gleichen Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen auf die Anhängerkupplung 7 eingeleitet werden, gleichsam jenem Fall, in dem die Anhängervorrichtung 7 an der realen Fahrzeugkarosserie montiert wäre. Die Krafteinleitung durch die Aktoreinheiten 12, 13 zur realitätsnahen Simulation der Realstruktur in Form einer KFZ-Karosserie erfolgt an jeder Schnittstelle 2, vorzugsweise um sechs räumliche Freiheitsgrade, wobei jede einzelne Aktoreinheit 12, 13 aus hybrid zusammengesetzten, einzelnen Aktoren bestehen kann. Beispielsweise zur Einleitung niederfrequenter Schwingungen in den Bereich der Schnittstelle dienen hydraulische oder pneumatische Prüfzylinders, zur Einkopplung hochdynamischer bzw. hochfrequenter Schwingungen sind hingegen elektrodynamischer Shaker oder Aktoren, die auf Basis multifunktionaler Werkstoffe arbeiten, geeignet. Diese Aktorsysteme können in geeigneter Weise kombiniert werden, um das gesamte Schwingungsbelastungsspektrum abdecken zu können.
Jede einzelne Aktoreinheit 12, 13 wird in einer Weise aktiviert, die den statischen dynamischen Eigenschaften der Realstruktur entsprechen. Hierzu ist es erforderlich, das statische und dynamische Verhalten der Realstruktur in jedem relevanten Betriebszustand, der durch unterschiedliche Frequenzbereiche charakterisierbar ist, zu kennen um die entsprechenden Aktoreinheiten in geeigneter Weise anzusteuern bzw. zu regeln. So gilt es bei der Simulation einer Kraftfahrzeugkarosserie bspw. ihre innewohnende Federsteifigkeit sowie auch ihr Dämpfungsverhalten statisch wie auch dynamisch mit Hilfe der Aktoreinheiten 12, 13 zu simulieren. In Analogie zur Elektrotechnik, bei der das Verhalten elektrischer Schaltungen, die zumeist als Blackbox aufgefasst werden und durch das Verhältnis aus Spannung und Strom beschreibbar sind, wofür der Begriff Impedanz verwendet wird, wird der Begriff der Impedanz auch auf mechanische Systeme angewendet. Im Falle mechanischer Systeme, wie im Falle der KFZ-Karosserie gemäß dem Ausführungsbeispiel in der Figur 2a, wird die Impedanz Z als Verhältnis zwischen Kraft und Geschwindigkeit definiert, mit der die Realstruktur auf die jeweiligen Schnittstellen einwirkt. Für jede Schnittstelle kann somit eine Impedanzformulierung gefunden werden, die das Verhältnis zwischen Kraft und Geschwindigkeit beschreibt. Um das richtige statische und dynamische Verhalten der Realstruktur am Ort einer Schnittstelle zu jedem Zeitpunkt abzubilden, muss die Impedanz Z für jede Schnittstelle bekannt sein. Um die Impedanz Z für jede einzelne Schnittstelle 2 zu erhalten kann auf Messungen zurückgegriffen werden, in denen die Kraft F sowie die Auslenkungsgeschwindigkeiten v an jeder Schnittstelle an einer im Betrieb befindlichen Realstruktur vermessen werden. Ebenfalls ist es möglich, durch numerische Simulation die von einer Realstruktur über eine Schnittstelle übertragene Kraft sowie die dynamische Auslenkungsgeschwindigkeit, mit der die Schnittstelle durch den Betrieb der Realstruktur in Bewegung versetzt wird, zu erhalten. In der Regel ergibt sich so ein Impedanzverlauf Z der abhängig von der Frequenz ist, so dass sich typischerweise ein komplexer Zusammenhang zwischen dem Bewegungsbzw. Schwingungsmuster der Realstruktur in Abhängigkeit ihres Betriebszustandes sowie den über die jeweilige Schnittstelle übertragenen Kräften und Auslenkgeschwindigkeiten ergibt.
Für die Ansteuerung bzw. Regelung der die Realstruktur substituierenden Aktoreinheiten 12, 13 gilt es, die Aktoreinheiten zu jedem Zeitpunkt und somit auch in allen Frequenzbereichen unter Zugrundelegung der ermittelten frequenzabhängigen Impedanz Z anzusteuern. Um das auf die Anhängevorrichtung 7 übertragene simulierte statische und dynamische Verhalten der Realstruktur so realitätsnah wie nur möglich übertragen zu können, werden im Bereich der Schnittstellen 2 entsprechende Sensoraufnehmer, beispielsweise in Form von Kraft und Geschwindigkeitsaufnehmern vorgesehen, die den aktuellen Belastungszustand der Anhängevorrichtung im Bereich der Schnittstelle erfassen. Die auf diese Weise erhaltenen Sensorsignale werden über Regeleinrichtungen Ri und R2 den Aktoreinheiten 12, 13 zugeführt, um im Rahmen eines Regelkreises das statische und dynamische Systemverhalten der simulierten Realstruktur realitätsnah nachzubilden. Die Impedanzbeschreibung stellt nur eine beispielhafte Möglichkeit dar das Verhalten zu beschreiben.
Die auf die Anhängevorrichtung 7 einwirkende Belastung, die zur Untersuchung der Beanspruchbarkeit der Anhängevorrichtung 7 erforderlich ist, wird gleichfalls zwecks einer möglichst realitätsnahen Nachbildung tatsächlich auf die Anhängevorrichtung einleitenden Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen mit Hilfe einer Aktoreinheit, die zumeist als hydraulischer Prüfzylinder 10 ausgebildet ist, bewerkstelligt. Hierzu wirkt der hydraulische Prüfzylinder 10 unmittelbar auf den Anhängekopf der Anhängevorrichtung 7 ein. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung kann auf die Verwendung von Karosserien oder Teilen von Karosserien vollständig verzichtet werden, wodurch der gesamte Versuchsaufbau sehr flexibel und kompakt realisiert werden kann. Insbesondere können unterschiedliche Karosserietypen in ein und dem gleichen Prüfstand untersucht werden, ohne dass konstruktive Umbauten erforderlich sind, zumal die Karosserien lediglich virtuell in entsprechend ermittelten Datensätzen, wie eingangs beschrieben, vorliegen. Zwar bedarf es zur erfolgreichen Durchführung der Prüfstrukturuntersuchung zunächst eines erhöhten Aufwandes hinsichtlich der Ermittlung von Daten, die die statischen und dynamischen Eigenschaften einer Realstruktur beschreiben, doch können nach Vorlage derartiger Informationen umfangreiche Untersuchungen an nahezu beliebig ausgeführten Prüfkörperstrukturen durchgeführt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Beschreibung der lösungsgemäßen Vorgehensweise zur Belastungsprüfung von Prüfkörperstrukturen ist in Figur 3a und b dargestellt. Gemäß Figur 3a ist ein herkömmlicher Versuchsaufbau gezeigt, mit dem die Motorlagerung z.B. von Schiffsaggregaten untersucht werden kann. Derartige Motorlagerungen haben im wesentlichen zwei Aufgaben: Zum einen müssen sie die mechanischen Lasten M(t) der im Betrieb befindlichen Schiffsaggregate 14 ertragen, zum anderen sollen sie die Übertragung mechanischer Schwingungen möglichst reduzieren, um Schwingungs- und Lärmquellen zu vermeiden die anderenfalls zu Lärmbelästigung, Komfortreduzierungen oder Schallabstrahlung führen. Üblicherweise stehen Schiffsaggregate 14 auf geeignet ausgebildete Lager 15, die ihrerseits auf einem stabilen Untergrund 16 lasten, der bspw. Teil der Schiffsstruktur ist. Um die Lager 15 an die gegebenen Betriebsbedingungen möglichst optimal anzupassen, bedurfte es bisher der Inbetriebnahme geeignet ausgebildeter Schiffsaggregate und der Durchführung entsprechender Untersuchungen gemäß dem Versuchsaufbau in Figur 3a. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorgehensweise ist es jedoch möglich, die Ankoppelbedingungen des Schiffsaggregates 14 auf einem stabilen Untergrund 16 experimentell zu simulieren. Wie bereits vorstehend dargelegt können die hierfür erforderlichen Daten und Informationen entweder aus Messungen an realen Strukturen abgeleitet werden oder aus numerischen Modellen stammen. In Figur 3b ist hierzu ein lösungsgemäßer Aufbau für einen experimentellen Versuchsaufbau gezeigt, bei dem einerseits eine Aktoreinheit 17 das statische und dynamische Verhalten hinsichtlich auftretender Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen des Schiffsaggregates 14 simuliert, andererseits eine weitere Aktoreinheit 18, die die Einleitung von Kräften und Momenten simuliert, die das Lager 15 seitens der stabilen Unterlage 16 erfährt. Auch in diesem Fall erfolgt die Ansteuerung der Aktoreinheiten 17, 18 geregelt, indem das aktuelle Schwingungsverhalten an den Schnittstellen zwischen Aktoreinheiten und Lager 15 sensoriell erfasst wird und die dabei gewonnenen Sensorsignale über Regeleinheiten R1 , R2 zur geregelten Ansteuerung der Aktoreinheiten 17, 18 zurückgeführt werden.
Mit Hilfe einer derartigen Versuchsdurchführung ist es möglich, Lagerungen 15 hinsichtlich ihrer Belastbarkeit bei unterschiedlichen Belastungssituationen zu überprüfen, ohne die Notwendigkeit real existierende Schiffsaggregate für Versuchszwecke bereitstellen zu müssen. Wesentlicher Vorteil dieser Prüfumgebung ist die frühzeitige experimentelle Untersuchung des
Schwingungsübertragungsverhaltens der Motorlager 15 insbesondere in Hinblick auf die damit verbundenen Komfort mindernden Auswirkungen.
Bezugszeichenliste
Prüfkörperstruktur Schnittstelle Realstruktur Aktoreinheit Sensor festes Gegenlager Anhängevorrichtung Kraftfahrzeug Prüfstand hydraulischer Prüfzylinder Sensoreinheit, Dehnungsmessstreifen ,13 Aktoreinheiten Schiffsaggregat Lager Unterlage ,18 Aktoreinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur, in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur, auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:
Ermitteln der statischen oder dynamischen Wirkung der physikalischen
Belastungsgrößen an der wenigstens einen Schnittstelle zwischen der wenigstens einen Realstruktur und der Prüfkörperstruktur und Erstellen eines die physikalischen
Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes,
Vorsehen wenigstens einer Aktoreinheit anstelle der wenigstens einen
Realstruktur am Ort der wenigstens einen Schnittstelle und Verbinden der
Prüfkörperstruktur mit der wenigstens einen Aktoreinheit und
Ansteuern der wenigstens einen Aktoreinheit auf der Grundlage des die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes zur Simulation der auf den Prüfkörper einwirkenden physikalischen Belastungsgrößen seitens der wenigstens einen Realstruktur.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch die wenigstens eine Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle auf die Prüfkörperstruktur gerichteten physikalischen Belastungsgrößen sensoriell erfasst werden, und dass das Ansteuern der wenigstens einen Aktoreinheit im Wege einer Regelung auf der Grundlage eines Abgleichens zwischen der sensoriell erfassten Wirkung der Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle und des die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes erfolgt.
3. Verfahren zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur, in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur, sowie von einer Prüfkörperstruktur auf wenigstens eine Schnittstelle, über die die Realstruktur mit der Prüfkörperstruktur verbindbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:
Ermitteln der statischen oder dynamischen physikalischen Belastungsgrößen an der wenigstens einen Schnittstelle jeweils bedingt durch die wenigstens eine Realstruktur sowie durch die Prüfkörperstruktur und Erstellen jeweils eines die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes,
Vorsehen wenigstens einer ersten Aktoreinheit anstelle der wenigstens einen Realstruktur am Ort der wenigstens einen Schnittstelle und Vorsehen wenigstens einer zweiten Aktoreinheit anstelle der Prüfkörperstruktur derart, dass die wenigstens erste und zweite Aktoreinheit über die Schnittstelle in Wirkverbindung treten und Ansteuern der wenigstens ersten und zweiten Aktoreinheit jeweils auf der Grundlage des die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensatzes zur experimentellen Simulation der auf die Schnittstelle einwirkenden physikalischen Belastungsgrößen seitens der Real- und Prüfkörperstruktur.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der physikalischen Belastungsgrößen im Wege einer messtechnischen Erfassung an der wenigstens einen Schnittstelle zwischen der Prüfkörperstruktur und der wenigstens einen Realstruktur erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der physikalischen Belastungsgrößen im Wege einer numerischen Berechnung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die wenigstens erste und zweite Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle erzeugten Wirkungen sensoriell erfasst Werden, und dass das Ansteuern der wenigstens ersten und zweiten Aktoreinheit im Wege einer Regelung auf der Grundlage eines Abgleichens zwischen der sensoriell erfassten Wirkungen der physikalischen Belastungsgrößen im Bereich der Schnittstelle und der die physikalischen Belastungsgrößen repräsentierenden Datensätze erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Belastungsgrößen mechanische Belastungsgrößen von der nachfolgenden Art sind: Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Drehmoment.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Belastungsgrößen thermische oder elektromagnetische Belastungsgrößen von der nachfolgenden Art sind: Temperatur, zeitlicher oder räumlicher Temperaturgradient, elektrische, magnetische oder elektromagnetische Feldenergie
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Aktoreinheit als physikalische Belastungsgröße eine auf die Prüfkörperstruktur gerichtete Kraft- und/oder Momentenwirkung ausübt, die bis zu sechs Freiheitsgrade umfasst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens erste und zweite Aktoreinheit jeweils eine auf die Schnittstelle gerichtete Kraft- und/oder Momentenwirkung ausübt, die bis zu sechs Freiheitsgrade umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Belastungsgrößen durch elastische Eigenschaften der wenigstens einen Realstruktur beschrieben werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die elastischen Eigenschaften der wenigstens einen Realstruktur als auch deren auf die über die Schnittstelle verbundene Prüfkörperstruktur einwirkenden physikalischen Rückwirkungen simuliert werden.
13. Vorrichtung zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur, in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur, auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Aktoreinheit vorgesehen ist, die mit der Schnittstelle zur Einleitung der physikalischen Belastungsgrößen in Wirkverbindung steht, an der die Prüfkörperstruktur verbindbar ist, und dass eine Ansteuereinheit vorgesehen ist, die die wenigstens eine Aktoreinheit unter Vorgabe eines die statischen oder dynamischen Wirkungen der physikalischen Belastungsgrößen seitens der Realstruktur repräsentierenden Datensatzes aktiviert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensoreinheit im Bereich der Schnittstelle oder der Prüfkörperstruktur vorgesehen ist, die die Wirkung der physikalischen Belastungsgrößen der Aktoreinheit auf die Schnittstelle und/oder auf die Prüfkörperstruktur erfasst und Sensorsignale generiert, die der Ansteuereinheit zuführbar sind.
15 Vorrichtung zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur, in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur, sowie von einer Prüfkörperstruktur auf wenigstens eine Schnittstelle, über die die wenigstens eine Realstruktur mit der Prüfkörperstruktur verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste und zweite Aktoreinheit derart vorgesehen sind, dass die wenigstens erste und zweite Aktoreinheit über die
Schnittstelle in Wirkverbindung treten und dass eine Ansteuereinheit vorgesehen ist, die die wenigstens erste und zweite
Aktoreinheit unter Vorgabe jeweils eines die statischen oder dynamischen Wirkungen der physikalischen Belastungsgrößen seitens der Realstruktur sowie seitens der
Prüfkörperstruktur repräsentierenden Datensätze aktiviert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensoreinheit im Bereich der Schnittstelle vorgesehen ist, die die Wirkungen der physikalischen Belastungsgrößen der wenigstens ersten und zweiten Aktoreinheit auf die Schnittstelle erfasst und Sensorsignale generiert, die der Ansteuereinheit zuführbar sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit, die wenigstens eine Aktoreinheit und die wenigstens eine Sensoreinheit einen Regelkreis bilden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörperstruktur jeweils eine mechanische, pneumatische oder hydraulische Struktur oder aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzte Hybridstruktur darstellt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Real- und Prüfkörperstruktur folgende Struktur- Paare darstellen, im folgenden Sinne, Realstruktur/Prüfkörperstruktur: Kraftfahrzeug/Kraftfahrzeuganhängerkupplung, Motorblock/Motorblocklagerung
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit ein hydraulischer, elektromotorischer, pneumatischer oder auf Basis eines multifunktionellen Werkstoffes, bspw. Piezokeramik, beruhender Aktor ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit ein Schwingungssystem ist, vorzugsweise ein elektrodynamischer oder servohydraulischer Shaker ist
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit eine thermische und/oder eine elektromagnetische Energiequelle vorsieht.
23. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22 zur experimentellen Simulation elastischer Eigenschaften wenigstens einer Realstruktur sowie deren physikalische Rückwirkungen auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbare Prüfkörperstruktur.
24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Eigenschaften das Schwingungs-, Dämpfungs-, Dehnungs- und/oder Steifigkeitsverhalten der Realstruktur umfassen.
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