Warum ist das notwendig?
Die von unseren Partnern entwickelten Produkte, Maschinen, Messgeräte oder Elektronikplatinen sind während ihres Betriebs – neben vielen anderen Beansrpuchungen – auch dynamischen Belastungen ausgesetzt. In der Automobilindustrie oder der Verteidigungsindustrie wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber dynamischen Belastungen meist durch Schwingungsprüfungen überprüft. Damit ein Bauteil die Serienanforderungen erfüllt, muss es die Tests auf der Grundlage von nach objektiven Kriterien festgelegten Messgrößen (z. B. die Zykluszahl bis zum Versagen) oder sogar ohne jegliche messbare Beschädigung bestehen. Die erforderlichen Prüfungen, ihre Rahmenbedingungen und KO-Kriterien sind in Normen festgelegt, die auch die Vorgehensweise bei der Durchführung der Prüfungen beschreiben. Zu diesen Normen gehören beispielsweise die vom US-Verteidigungsministerium erstellten Normen MIL-STD-810H und MIL-STD-810G; daneben gibt es jedoch auch von den Entwicklern erstellte, unternehmensspezifische, standardisierte Prüfverfahren für den internen Gebrauch. Allen Dokumenten ist gemeinsam, dass sie die strengen Kriterien und Prüfungen zur Umweltbeständigkeit beschreiben, darunter auch die Anforderungen hinsichtlich dynamischer Belastungen, denen Produkte für militärische oder zivile, kommerzielle Anwendungen unterzogen werden müssen. Diese Normen finden sich auch in der Automobilindustrie oder auf dem Markt für konventionelle Elektrogeräte, beispielsweise die Norm IEC 60068, die die Anforderungen an elektronische Bauteile für den Handel festlegt.
Im Folgenden fassen wir die dynamischen Prüfverfahren zusammen, die in den Normen MIL-STD-810H und MIL-STD-810G enthalten sind und eine mechanische Beanspruchung darstellen, und gehen auch auf Möglichkeiten zur Kostensenkung ein.
MIL-STD-810 (H / G)
Die Norm umfasst mehr als 20 Labortests, die unter anderem die Auswirkungen von Temperatur und Thermoschock, Luftfeuchtigkeit und Wasser, Druck, Staub und Sand, Sonneneinstrahlung, Eis, Salznebel, Pilzbefall sowie mechanischen Schwingungen und Stößen simulieren. Mit einer angemessenen Annäherung lassen sich alle Tests virtualisieren, doch angesichts des Kosten- und Zeitaufwands sowie der im Hinblick auf die physikalische Konformität am häufigsten auftretenden Probleme ist die Simulation mechanischer Einwirkungen am sinnvollsten. Diese stoßartigen mechanischen Beanspruchungen können beispielsweise durch das Herunterfallen oder den Aufprall eines Bauteils entstehen, während sinusförmige Schwingungen oder stochastische Beanspruchungen im Verkehr, beim Transport oder während des Einsatzes auftreten können. Gute Beispiele hierfür sind fahrzeugmontierte Beobachtungsstationen, Waffensysteme und elektronische Störgeräte, die alle die in der Norm vorgeschriebenen Prüfungen bestehen müssen, wenn wir zertifizierte Produkte in unseren Portfolios führen möchten. Wie die meisten vergleichbaren Normen approximiert auch die MIL-STD-810 die Auswirkungen realer, physikalischer Belastungen weitgehend mithilfe beschleunigter Belastungen, allerdings auf einem höheren Beanspruchungsniveau: Den Belastungsprofilen ist nämlich gemeinsam, dass sie als verkürzte Tests gelten; ihre Maximalwerte werden durch Korrekturfaktoren erhöht, damit die durch die Verkürzung der Laufzeit verursachten Schäden an den Bauteilen den Schäden entsprechen, die am Einsatzort zu erwarten sind – allerdings in einer wesentlich kürzeren Testdauer.
Vibrationstest – MIL-STD-810 „Method 514.6“
Die Vibrationsprüfung kann aufgrund ihrer Natur vielfältige Formen annehmen: einfache Sinus-Anregung mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude bei einer bestimmten Beanspruchungszahl, dasselbe mit variierender Amplitude, einfache Sinus-Anregung mit variierender Frequenz und Amplitude (Frequenzdurchlauf), oder eine zeitliche Anregung in Form einer Multisinuskurve, die sich aus mehreren, übereinander gelagerten Komponenten ergibt. Eine eigene Kategorie bildet die Untersuchung stochastischer Belastungen, die mithilfe von Spektraldichtefunktionen (PSD, CSD) definiert werden. Im Folgenden verstehen wir unter der Erörterung von Schwingungsprüfungen Letzteres: Da ein breiter Frequenzbereich abgedeckt wird, eignet sich diese Methode sowohl zur Untersuchung der Auswirkungen von Straßenanregungen im niedrigen Frequenzbereich als auch zur Durchführung gezielter Prüfungen in schmalen Frequenzbändern im höheren Bereich.
Die Norm dient im Wesentlichen der Überprüfung der Konformität eines bereits fertiggestellten Produkts oder eines noch in der Entwicklung befindlichen Prototyps und versucht, eine Antwort auf die Frage zu finden, ob das getestete Gerät den während seines gesamten geplanten Lebenszyklus zu erwartenden Schwingungsbelastungen standhält – unabhängig davon, ob diese aus früheren Messungen abgeleitet oder anhand von Erfahrungswerten korrigiert wurden. Die durch Schwingungen verursachten Schäden können vielfältige Formen annehmen, darunter beispielsweise:
– Ermüdungsbruch
– Lösen von Schrauben
– Abrieb an Kabeln
– elektrische Kontaktfehler, Risse in Lötstellen
– Verformung von Dichtungen, Undichtigkeiten usw.
Aus technischer Sicht ist nicht unbedingt die größte Beschleunigung aus dem Anregungsspektrum die gefährlichste, sondern vielmehr der Fall, in dem der dominierende Wert des Anregungsprofils mit einer der relevanten Eigenfrequenzen der Konstruktion oder des Bauteils übereinstimmt. Gemäß der Norm MIL-STD-810 müssen Produkte daher je nach ihrem zukünftigen Einsatzbereich und der zu erwartenden Schwingungsumgebung mit unterschiedlichen Schwingungsprofilen geprüft werden, zum Beispiel:
– auf einem Lkw transportierte Ausrüstung
– in einem Militärfahrzeug eingebaute Elektronik
– in einem Flugzeug eingebautes Gerät
– Hubschrauber
– Rakete
– Eisenbahnausrüstung
Shaker Prüfstand – kvalitest.com
Je nach dem zu prüfenden Frequenzbereich und den Abmessungen des Prüflings wird das Bauteil bzw. die Baugruppe auf einem hydraulischen oder elektrodynamischen Schwingtisch befestigt. Die Prüfung kann sowohl im passiven als auch im aktiven Betrieb erfolgen; im letzteren Fall wird auch die Funktionssicherheit des Prüflings sichergestellt. So lässt sich beispielsweise überprüfen, ob das elektrische Steuersignal unterbrochen wird, ob es zu einem Neustart der Software kommt, ob sich der Ausgangssignalpegel ändert oder ob möglicherweise Funktionsfehler, Überhitzung usw. auftreten. Während der Messung werden sowohl der Prüfstand als auch das Prüfobjekt mit Sensoren ausgestattet; dabei handelt es sich im Wesentlichen um Messsensoren oder Kontrollsensoren. Die Aufgabe der ersteren besteht in der Überwachung der ausgegebenen Prüfsignalpegel (vor allem Beschleunigungsamplituden in Abhängigkeit von der Zeit) an verschiedenen Messpunkten, während die letzteren auch über eine Eingriffsfunktion verfügen: Sie werden typischerweise an den Bereichen der zu prüfenden Bauteile angebracht, die hinsichtlich Schwingungen und Versagen besonders anfällig sind, und ihre Messwerte werden von der Software des Schwingtisches zur Korrektur des auf den Schwingtisch ausgegebenen Anregungssignals verwendet. Das Ziel ist stets, dass das Bauteil an den Stellen der Messsensoren mit dem gewünschten und vorgeschriebenen Prüfprofil belastet wird.
Die Auswertung der Messungen kann durch eine einfache Sichtprüfung erfolgen, bei der die Bauteile auf physikalische Beschädigungen untersucht werden, oder durch die Durchführung vorgeschriebener Funktionstests und Parametertests, bei denen in der Regel die Erkennung unsichtbarer Fehler, z. B. elektrischer Unterbrechungen, das Ziel ist.
Schocktest – MIL-STD-810 „Method 516.8”
Dieses Prüfverfahren dient der Untersuchung mechanischer Stöße und weiterer stoßartiger Belastungen. Während das Produkt bei der Schwingungsprüfung über einen längeren, aber genau festgelegten Zeitraum einer kontinuierlichen Schwingung mit variierender Amplitude und Frequenz ausgesetzt ist – und zwar durch die zeitliche Umwandlung der spektralen Dichtefunktion als Anregungsprofil –, wird das Prüfobjekt beim Schocktest durch ein kurzzeitiges, transientes Ereignis mit hoher Amplitude belastet. Typische Beispiele hierfür sind:
– Herunterfallen
– Überfahren eines Schlaglochs
– Aufprall der Ladung
– Zusammenstoß eines Militärfahrzeugs
– Landung eines Flugzeugs
– Katapultstart usw.
Obwohl das mechanische Schock gemäß der Norm typischerweise ein Ereignis mit einer Dauer von höchstens 1 s und einem Frequenzgehalt von höchstens ca. 10 kHz ist, besteht die meisten wesentlichen strukturellen Reaktionen größtenteils aus Frequenzkomponenten unterhalb von 3–4 kHz und verläuft typischerweise in weniger als 0,1 s, in vielen Fällen sogar im Millisekundenbereich.
Es ist ersichtlich, dass wir das Prüfobjekt bei einem Shocktest mit hochenergetischen, aber sehr kurzen Impulsen belasten. Aus diesem Grund sind die bei Schwingungsprüfungen verwendeten Auto- und Kreuzspektral-Dichtefunktionen mit breitem Frequenzbereich, die in vielen Fällen sogar rauschartige Anteile enthalten,
Dichtefunktionen, die bei Vibrationsprüfungen verwendet werden und oft sogar rauschartige Anteile enthalten, sind im vorliegenden Fall für die Anregung nicht geeignet – das Profil von Schockprüfungen besteht aus einer dominanten Frequenzkomponente mit einer genau definierten Periode. Manchmal können zum Schutz der Vorrichtung auf dem Schwingungsprüfstand und zur Vermeidung unerwünschter Beschleunigungsüberschreitungen Vor- und Nachstöße mit geringerer
Vor- und Nachschocks mit geringerer Amplitude und längerer Periode vor und nach der Hauptschockbelastung eingesetzt werden. Je nach Anwendungszweck schreibt die Norm eine Halb-Sinus-, Sägezahn- oder Trapez-Anregung vor; gemeinsam ist ihnen jedoch, dass sie alle direkte Beschleunigungsamplituden-Zeit-Funktionen sind.
Ähnlich wie beim Vibrationstest müssen je nach Anwendungsbereich Schockprüfungen in unterschiedlichen Testumgebungen durchgeführt werden, die auch das Profil selbst bestimmen:
– Funktionsschock: Prüfung der maximalen mechanischen Impulsbelastung, die während des vorgesehenen Betriebs der Konstruktion auftritt, zusätzlich zu Funktionstests
– Transportschock: Eine Testart, bei der die während des Transports auftretenden Belastungen im Wesentlichen anhand von Sägezahnkurven untersucht werden. Je nach Art der Nutzung wird deutlich zwischen Offroad- und Onroad-Belastungen unterschieden.
– Bruchfestigkeitsprüfung: Eine Prüfform zur Ermittlung der maximal zulässigen Belastungsgrenze, z. B. bei elektronischen Bauteilen
– Falltest: Ein Zerstörungstest, bei dem das Gerät aus einer bestimmten Höhe auf eine Beton- oder Stahloberfläche fallen gelassen wird. Für das Testergebnis ist es von entscheidender Bedeutung, auf welche Oberfläche der Fall erfolgt; aufgrund der sich aus dem Anregungsprofil ergebenden Abweichungen wird dies in der Norm gesondert behandelt.
Ähnlich wie bei der Auswertung des Vibrationstests ist auch hier die Sichtprüfung die primäre Prüfmethode; zur Untersuchung von elektronischen Ausfällen und Brüchen, die in vielen Fällen weniger sichtbar oder schwerer zu erkennen sind, sind jedoch häufiger Parametertests erforderlich.
Darüber hinaus kann häufig auch die vergleichende Untersuchung der von den Sensoren erfassten Ausgangssignale und Zeitverläufe (z. B. die Erstellung eines Antwortamplitudenspektrums, die Untersuchung der SRS (Shock Response Function)) sowie die Erkennung von Abweichungen als indirekter Hinweis auf ein verändertes strukturelles Verhalten des Prüfobjekts dienen.
Warum ist es vorteilhaft, diese Tests zu virtualisieren?
Die Tests auf dem Shaker lassen sich mit modernen virtuellen Methoden und Finite-Elemente-Analysen mit hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit abbilden, wodurch ein digitales Zwilling des realen Prüfprozesses entsteht. Hervorzuheben ist, dass bei der Erstellung des virtuellen Prozesses nicht das Bauteil selbst im Mittelpunkt steht oder eine bestimmte Eigenschaft davon, sondern eine modulare, gut parametrierbare und erweiterbare virtuelle Struktur, die praktisch jedes nach der MIL-STD-Norm prüfbare Produkt analysieren kann. Diese Eigenschaft ist von enormer Bedeutung und birgt bei bestimmten Prototyp-Bauteilen im Vergleich zu physikalischen Prüfungen ein Zeit- und Kosteneinsparpotenzial von bis zu 7- bis 10-fach. Die virtuellen Vibrations- und Schockprüfungen lassen sich unter denselben Randbedingungen jederzeit wiederholen, wobei die Einflüsse des physikalischen Prüfstands ausgeschlossen werden können. Mit demselben Testobjekt lassen sich zahlreiche verschiedene oder vergleichende Untersuchungen durchführen (z. B. Auswirkungen von Materialauswahl und Toleranzketten, „Best-Case“- und „Worst-Case“-Untersuchungen mit Bauteilen in Minimal- und Maximalgröße sowie unter verschiedenen Randbedingungen, Schnelltests geometrischer Varianten usw.). Virtuelle Tests lassen sich zeitlich „anhalten“; neben dem tatsächlichen Versagen oder dessen Indikatoren lassen sich auch die dazu führenden Ursachen gut analysieren und darstellen, was in vielen Fällen eine sofortige Lösung des Problems ermöglicht.
Zu einer angemessenen Analyse mit objektiver Aussagekraft gehört natürlich auch die Kenntnis der Grenzen: die Untersuchung der modalbasierten, linearisierten Systemantwort, oder die Untersuchung der Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner, z. B. der Rissausbreitung, oder die Analyse nichtlinearer Phänomene (z. B. die mit fortschreitendem Versagensprozess sich ändernde strukturelle Steifigkeit) nicht, doch überwiegen die zuvor aufgeführten Vorteile bei weitem die Nachteile, die sich aus den gelegentlich notwendigen Näherungen ergeben.
Wenden Sie sich vertrauensvoll an Virtualitica, und lassen Sie uns gemeinsam mithilfe von Simulationen die Produktentwicklung digitalisieren.