VDI 3830 Blatt 5-2005 Damping of materials and members - Experimental techniques for the determination of damping characteristics.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREWerkstoff- und BauteildmpfungVersuchstechniken zur Ermittlung von DmpfungskenngrenDamping of materials and membersExperimental techniques for the determination of damping characteristicsVDI 3830Blatt 5 / Part 5Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch Schwingun

2、gstechnikVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure,Dsseldorf 2005Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deuts

3、che Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 17.160 November 2005The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Bemerkungen zu Versuchstec

4、hniken . . . . . 21.1 Prinzipielle Vorgehensweiseninzipielle V . . . . . . . 21.2 Fremddmpfung . . . . . . . . . . . . . . 21.33 bertragbarkeit von MessergebnissenMesser . . . 22 Versuchstechniken und apparative Mglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1 berblick ber die Versuchstechniken

5、k ber die V . . . 222.2 Quasi-statische Methoden zur Ermittlung n zur Ermittlung von Werkstoff-Kennwertenkstoff-Kennwerten . . . . . . . . 42.3 Experimentelles Ermitteln der Dmpfung fung in Festkrpern mit niedrigem Schubmoduldrigem Schubmodul 42.4 Experimentelles Ermitteln der Dmpfung Dmpfung in Fes

6、tkrpern mit hohem Schubmodulkrpern mit hohem Schubmodulbmodul . . 52.5 Experimentelles Ermitteln der Dmpfung ntelles Ermitteln der Dmpfung ung in zhen Flssigkeiten . . . . . . . . . . . 62.6 Dmpfungsermittlung an gleichfrmig ttlung an gleichfrmig rotierenden Probenden Proben . . . . . . . . . . . .

7、. 72.7 Dmpfungsermittlung bei freien pfungsermittlung bei freien Schwingungen mit einem Freiheitsgradhwingungen mit einem Freiheitsgrad . . 102.8 Dmpfungsermittlung mittels Vorgabe rmittlung mittels Vharmonischer Verformungencher V . . . . . . . . 132.99 Messung der Schwingungsamplitudeningungsampli

8、tudenin Resonanznhe (Halbwertsbreiten-he (Halbwertsbreiten-ermittlung)mittlung) . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10 Messung von Amplituden und ssung vPhasenwinkeln . . . . . . . . . . . . . . . 162.11 Dmpfungsermittlung mittels mpfungsermittlung mittels thermischer EnergiebilanzenEner . . . . .

9、 . . . 172.12 Energiebilanzen an den Teilsystem-Tgrenzen mehrgliedriger SystemeSysteme. . . . . . 172.13 Kraft- und Wegmessungen an Teil-und Wsystemgrenzentemgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . 18Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Experimental techniques. . . . .

10、. . . . . . . 21.1 Basic procedures. . . . . . . . . . . . . . 21.2 External dampingternal damping . . . . . . . . . . . . . 21.3 Applicability of measurement resultsrement results . . . 22 Experimental techniques and types of apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1 Survey of experime

11、ntal techniquesperimental techniques . . . . 22.2 Quasi-static methods for the determinationnationof material properties . . . . . . . . . . . 42.3 Experimental determination of dampingin solid bodies with a low shear modulussolid bodies with a lo . 42.4 Experimental determination of damping f dampi

12、ng in solid bodies with a high shear modulush a high shear modulus. 52.5 Experimental determination of dampingxperimental determination of dampingin viscous liquidscous liquids . . . . . . . . . . . . . 62.6 Determination of damping in uniformly nation of damping in uniformly rotating specimensecime

13、ns . . . . . . . . . . . . . 72.7 Determination of damping in the case of ping in the case of free vibrations with one degree of freedomwith one de 102.8 Determination of damping via specificationg via specifof harmonic deformationsdeformations . . . . . . . . . 132.9 Measurement of the oscillation

14、amplitudeMeasurement of the oscillation amplitudeplitudein vicinity of resonance (determination mination of half-width value) . . . . . . . . . . . . 142.10 Measurement of amplitudes and f amplitudes and phase angles . . . . . . . . . . . . . . . . 1662.11 Determination of damping via thermal ping v

15、ia thermal energy balancess . . . . . . . . . . . . . . 172.12 Energy balances at the subsystem he subsystem boundaries of multicomponent systemslticomponent systems . . 172.13 Force and displacement measurements at subsystem boundariesystem boundaries . . . . . . . . . . . 18VDI-Gesellschaft Entwic

16、klung Konstruktion VertriebAusschuss Werkstoff- und BauteildmpfungFrhere Ausgabe: 06.04 Entwurf,deutschFormer edition: 06/04 Draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20052 VDI 3830 Blatt 5 / Pa

17、rt 5Part 5VorbemerkungDie vorliegende Richtlinie VDI 3830 Blatt 5 gilt nurin Verbindung mit der Richtlinie VDI 3830 Blatt 1.Die Richtlinienreihe VDI 3830 Werkstoff- und Bau-teildmpfung“ besteht aus folgenden Blttern: 1 Bemerkungen zu Versuchstechniken1.1 Prinzipielle VorgehensweisenDie mathematische

18、 Beschreibung des mechanischenVerhaltens von Stoffen, Bauteilen oder Systemen ent-hlt Gren, die im Experiment ermittelt werdenmssen. Die Messung der Dmpfungskenngren er-fordert immer dynamische Versuche, die im Ausnah-Blatt 1 Einteilung und bersichtBlatt 2 Dmpfung in festen WerkstoffenBlatt 3 Dmpfun

19、g von BaugruppenBlatt 4 Modelle fr gedmpfte StrukturenBlatt 5 Versuchstechniken zur Ermittlung von Dmpfungs-kenngren Preliminary noteThe present guideline VDI 3830 Part 5 applies onlyin conjunction with guidelinie VDI 3830 Part 1.The guideline series VDI 3830 “Damping of materi-als and members” cons

20、ists of the following parts: 1 Experimental techniques1.1 Basic proceduresThe mathematical description of the mechanical be-haviour of materials, components or systems containsvariables which need to be determined by experi-ment. Any measurement of damping characteristicswill require dynamic experim

21、ents which in excep-Part 1 Classification and surveyPart 2 Damping in solid materialsPart 3 Damping of assembliesPart 4 Models for damped structuresPart 5 Experimental techniques for the determination of damping characteristics Seite3 Spezielle Versuchstechniken zur Dmpfungsermittlung unter erschwer

22、endenBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1 Systeme mit starker Dmpfungung . . . . . . 203.2 Biegeschwingungen streifenfrmigerfenfrmigerProbekrper . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Longitudinalwellen in StbenStben . . . . . . . 244 Experimentelle Modalanalyse . . . . . . . . . 244

23、.1 Diskretes ErsatzmodellErsatzmodell . . . . . . . . . . 244.2 Grundlagen der Messung komplexerundlagen der Messung k xeFrequenzgnge. . . . . . . . . . . . . . . 254.3 Auswertung gemessener Frequenzgnge an einer isolierten Resonanzstelle . . . . . 274.4 Approximation gemessener Frequenz-pproximatio

24、n gemessener Frequenz-gnge in einem Intervall mitmehreren Resonanzstellenonanzstellen . . . . . . . . . 305 Versuchstechniken zur Messung der Baugrunddmpfung. . . . . . . . . . . . . . . 32Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Anhang Zusammenhang zwischen Dmpfungskenngrenpfungsk .

25、 . . . . . . . . Page3 Special experimental techniques for determining damping under difficult conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1 Systems with heavy dampingh hea . . . . . . . 203.2 Flexural vibrations of lamellar test f lamellar test pieces . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26、. 213.3 Longitudinal waves in barsngitudinal w . . . . . . . . 2444 Experimental modal analysis . . . . . . . . . 244.1 Discrete equivalent modelodel . . . . . . . . 244.2 Basic principles in the measurement of he measurement of complex frequency responses . . . . . . . 254.3 Evaluation of measured

27、frequency uation of measured frequencresponses at an isolated resonance pointponses at an isolated resonance point . 274.4 Approximation of measured frequencyquencresponses in an interval with severalh seresonance points. . . . . . . . . . . . . . 305 Experimental techniques for measuring soil dampi

28、ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Bibliographybliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Annex Overview of damping characteristic ng characteristic variables. . . . . . . . . . . . . . . . . B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbeh

29、alten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2005 VDI 3830 Blatt 5 / Part 5latt 5 / P 3mefall sehr langsam (quasi-statisch) ablaufen kn-nen. An einem System (Probe, Bauteil, Flssigkeits-volumen, Schwinger) werden entweder Eingangs-und Ausgangssignale (Anregung und Antwort) ge-messen und miteinander

30、verknpft (z.B. bei der Mes-sung von bertragungsfrequenzgngen) oder es wirddie Energiebilanz fr das System gebildet. Werkstoffkennwerte werden immer aus Bauteil- oderSystemkenngren ermittelt. Dazu wird die Ortsab-hngigkeit der Verschiebungen oder quivalenterGren bentigt. Es bestehen die Alternativen,

31、 geeig-nete, das heit fr die Ermittlung der Werkstoffkenn-gren aus den Bauteil- oder Systemkenngren be-queme, Verformungen zu erzeugen oder die Verfor-mungen zu berechnen. Die Verformungszustnde anund in Lasteinleitungen sowie in Einspannungen sindam wenigsten bekannt. Die Schwierigkeiten hufen sich

32、 bei Systemen mitnichtlinearem Werkstoffgesetz. Sind die Nichtlinea-ritten und Dmpfungen sehr klein, so gengt fr dieBerechnung meistens der Verformungszustand deszugeordneten linear-elastischen Systems als Nhe-rung. Beim Berechnen der Werkstoffkenngren ausden Bauteil- oder Systemkenngren mit vereinf

33、a-chenden Annahmen (z.B. Linearitt, Vernachlssi-gung von strenden Einflssen) summieren sich dieMngel der Annahmen im Ergebnis. Hinzu kommendie Messfehler. Deswegen verwundert es nicht, dassdie Ergebnisse von Dmpfungsmessungen starkstreuen.1.2 FremddmpfungDer Verlust an mechanischer Energie, der die

34、Mes-sung der betrachteten Dmpfungskenngren ver-flscht, heit Fremddmpfung. Diese entsteht z.B.durch umgebende LuftEnergietransport ber zustzliche LagerEnergiedissipation in Einspannungen (mit Kon-taktflchendmpfung) Energieentzug durch MessgerteEs empfiehlt sich, schon bei der Planung vonVersuchseinri

35、chtungen vor allem bei sehr kleinenDmpfungen die Fremddmpfungen durch eine ge-eignete Konzeption zu vermeiden, sie quantitativ zukennen oder ihren Einfluss auf das Messergebnis zuverringern. tional cases may run very slowly (quasi-statically). Ina system (sample, component, volume of liquid, os-cill

36、ator) either the input and output signals (excitationand response) are measured and linked together (forexample, when measuring transmission frequency re-sponses) or the energy balance is drawn up for thesystem. Material properties are always obtained from compo-nent or system characteristics. For t

37、his to be possible,the locus-dependency of the displacements or ofequivalent variables is required. There are also the al-ternative approaches either of generating suitable de-formations (by suitable we mean convenient for de-termining material properties from the component orsystem characteristics)

38、 or of calculating the deforma-tions. Deformation states at and in applications ofload and in cases of mechanical restraint (chucking,gripping) are the least known. Difficulties accumulate in the case of systems withnon-linear constitutive equations. If the non-lineari-ties and damping values are ve

39、ry small, in most casesthe deformation state of the associated linear-elasticsystem will suffice as an approximation for the calcu-lation. If material characteristics are calculated fromthe component or system characteristics on the basisof simplifying assumptions (such as linearity, omis-sion of di

40、sturbing influences, for example) the short-comings of such assumptions will have a cumulativeinfluence on the result. Nor should measurement er-rors be ignored here. It cannot therefore be any won-der when there is a great deal of scatter in the resultsof damping measurements. 1.2 External dampingT

41、he loss of mechanical energy which falsifies measu-rement of the damping characteristics under conside-ration is termed external damping. It occurs, for ex-ample, on account of: Ambient airEnergy transportation via additional bearingpointsEnergy dissipation in instances of clamping (withcontact-face

42、 damping) Energy extraction on the part of the measuring in-strumentsIt is recommended, even at the stage of planning ex-perimental equipment especially in cases of verylow levels of damping to take suitable steps to en-sure there is no external damping in the test rig, or topick them up quantitativ

43、ely, or to reduce their influ-ence on the measurement result. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 20054 VDI 3830 Blatt 5 / Part 5Blatt 5 / P1.3 bertragbarkeit von MessergebnissenDie Dmpfungskenngren von Werkst

44、offen undBauteilen hngen von einer Vielzahl von Parameternund Einflssen ab, die sich in drei Gruppen einteilenlassen: Materialparameter und Herstellungsverfahren,z.B. chemische Zusammensetzung, Fllstoffge-halt von Polymeren, Verzweigungs- und Vernet-zungsgrad von Moleklketten, durch die Herstel-lung

45、 bedingte Eigenspannungen und Anisotro-pien, WrmebehandlungMechanische Belastungen und Verformungen,z.B. Gre der Verformungen, Art und Ortsabhn-gigkeit des Spannungszustandes, Zeitverlauf derVerformungen, Vorgeschichte des Werkstoffs(Schadensakkumulation)Umgebungseinflsse und Versuchsbedingungen,z.B

46、. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Probengeo-metrieGemessene Dmpfungskenngren beziehen sichstreng genommen auf die untersuchte Probe und diespeziellen Versuchsbedingungen. Die bertragungder Ergebnisse auf gleichartige Bauteile, Belastungs-flle und Zeitverlufe ist mglich. Eine Verallgemei-nerung ist weg

47、en der groen Anzahl von Einflssen vor allem im Bereich der nichtlinearen Dmpfung allerdings problematisch. 2 Versuchstechniken und apparative Mglichkeiten2.1 berblick ber die VersuchstechnikenDie rasante Entwicklung der Rechnertechnologie er-mglicht den Einsatz komplexer numerischer Identi-fikations

48、algorithmen. Auf diese wird in dieser Richt-linie nicht eingegangen. Vielmehr werden grundle-gende Auswertemethoden erlutert, die eine schnelleAbschtzung von Parametern und die Kontrolle dernumerischen Ergebnisse ermglichen. Die Bereiche der Technik, in denen Dmpfung er-wnscht oder unerwnscht zur Wi

49、rkung kommt, sindmannigfaltig. Ebenso vielfltig sind auch die Kenn-gren, die zum quantitativen Erfassen der Dmpfungherangezogen werden. Sie lassen sich aber prinzipiellineinander umrechnen. Dennoch erleichtert es dieAuswertung von Messergebnissen zur Ermittlung vonDmpfungskennwerten, wenn Versuchstechniken he-rangezogen werden, die den jeweils vorliegenden Be-triebsbedingungen beim Einsatz nahe kommen.