Was versteht man unter einer Frequenzganganalyse?

Michael · 25 Aug. 2026

Die Frequenzganganalyse ist eine Methode der Strukturdynamik, mit der das Schwingungsverhalten eines Bauteils oder Systems über einen definierten Frequenzbereich berechnet wird. Sie zeigt, wie stark ein Bauteil auf eine harmonische Anregung bei einer bestimmten Frequenz reagiert, und macht Resonanzstellen sichtbar, bevor sie im realen Betrieb zum Problem werden. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen, die technische Projektleiter bei der Anwendung dieser Methode stellen.

Wie unterscheidet sich die Frequenzganganalyse von der modalen Analyse?

Die modale Analyse berechnet die Eigenfrequenzen und Eigenformen eines Bauteils ohne Berücksichtigung einer konkreten Last. Die Frequenzganganalyse geht einen Schritt weiter: Sie berechnet die tatsächliche Antwort des Systems auf eine definierte harmonische Anregung über einen Frequenzbereich und liefert damit quantifizierbare Ergebnisse wie Verschiebungen, Spannungen oder Beschleunigungen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz.

Die modale Analyse ist gewissermaßen eine Voraussetzung für die Frequenzganganalyse. In der gängigen Praxis werden die modalen Ergebnisse, also Eigenfrequenzen und modale Massen, als Basis verwendet, um die Frequenzgangantwort effizient zu berechnen. Dieses Vorgehen nennt sich modale Superposition. Alternativ kann die Frequenzganganalyse auch direkt, also ohne vorherige Modalanalyse, durchgeführt werden, was bei stark gedämpften Systemen oder bei Systemen mit frequenzabhängigen Materialeigenschaften sinnvoller sein kann.

Der wesentliche Unterschied liegt im Informationsgehalt: Die modale Analyse sagt, wo Resonanzen liegen könnten. Die Frequenzganganalyse sagt, wie stark das System bei einer gegebenen Anregung tatsächlich schwingt, und berücksichtigt dabei auch die Dämpfung des Systems.

Welche physikalischen Größen beschreibt der Frequenzgang?

Der Frequenzgang beschreibt das Verhältnis zwischen einer Ausgangsgröße und einer Eingangsgröße in Abhängigkeit von der Frequenz. Im Maschinenbau sind die relevanten Ausgangsgrößen typischerweise Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung an einem definierten Punkt des Bauteils, während die Eingangsgröße eine harmonische Kraft oder eine Basisanregung ist.

Je nach gewählter Ausgangsgröße trägt der Frequenzgang unterschiedliche Bezeichnungen. Wird die Verschiebung ins Verhältnis zur Kraft gesetzt, spricht man von der Nachgiebigkeit (Compliance). Das Verhältnis von Beschleunigung zu Kraft wird als Inertanz bezeichnet. In der Praxis wird häufig der Amplitudengang dargestellt, der zeigt, um welchen Faktor die Amplitude der Ausgangsgröße gegenüber der Eingangsgröße verstärkt oder gedämpft wird. Ergänzend dazu liefert der Phasengang Informationen darüber, mit welcher zeitlichen Verzögerung das System auf die Anregung reagiert.

Für die Bewertung von Schwingungsproblemen ist besonders der Bereich um die Eigenfrequenzen interessant, da dort die Amplitude des Frequenzgangs stark ansteigt. Die Höhe dieses Anstiegs hängt direkt von der Systemdämpfung ab, weshalb eine realistische Dämpfungsmodellierung für aussagekräftige Ergebnisse unerlässlich ist.

Wie wird eine Frequenzganganalyse in der FEM-Simulation durchgeführt?

In der FEM-Simulation wird die Frequenzganganalyse in der Regel als harmonische Antwortanalyse (Harmonic Response Analysis) bezeichnet und folgt einem strukturierten Ablauf. Das Ziel ist es, die stationäre Systemantwort auf eine sinusförmige Anregung für jeden Frequenzpunkt innerhalb eines definierten Bereichs zu berechnen.

Der typische Ablauf umfasst folgende Schritte:

Aufbau oder Import des FE-Modells mit realistischen Materialdaten und Randbedingungen
Durchführung einer vorgelagerten modalen Analyse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen (bei Verwendung der modalen Superpositionsmethode)
Definition der Anregung, zum Beispiel als harmonische Kraft, Druck oder Basisanregung, mit Angabe von Amplitude und Phasenlage
Festlegung des Frequenzbereichs und der Frequenzauflösung, wobei der Bereich die relevanten Eigenfrequenzen abdecken sollte
Vorgabe von Dämpfungsparametern, häufig als Rayleigh-Dämpfung oder als modales Dämpfungsmaß
Auswertung der Ergebnisse als Frequenzgangkurven für ausgewählte Knoten oder als Spannungsverteilung bei kritischen Frequenzen

In ANSYS Workbench lässt sich dieser Prozess direkt in einer verketteten Analyse abbilden. Die FEM-Berechnung dynamischer Systeme profitiert dabei von der Möglichkeit, Parameterstudien durchzuführen und verschiedene Dämpfungsannahmen systematisch zu vergleichen.

In welchen Maschinenbau-Anwendungen ist die Frequenzganganalyse unverzichtbar?

Die Frequenzganganalyse kommt immer dann zum Einsatz, wenn Bauteile oder Systeme periodischen Belastungen ausgesetzt sind und Resonanzerscheinungen vermieden oder gezielt bewertet werden müssen. Im Maschinenbau betrifft das eine breite Palette von Anwendungen.

Besonders relevant ist die Methode in folgenden Bereichen:

Rotierender Maschinenbau: Elektromotoren, Pumpen, Getriebe und Verdichter erzeugen drehzahlabhängige Anregungen. Die Frequenzganganalyse zeigt, ob Betriebsdrehzahlen in der Nähe von Eigenfrequenzen des Gehäuses oder der Lagerstruktur liegen.
Anlagenbau und Rohrleitungssysteme: Druckpulsationen aus Pumpen oder Kompressoren können Rohrleitungen zu Resonanzschwingungen anregen, was zu Ermüdungsschäden führt. Die dynamische Berechnung macht solche Risiken quantifizierbar.
Fahrzeug- und Schienenfahrzeugtechnik: Karosserie- und Fahrwerkskomponenten werden auf harmonische Straßen- oder Gleisanregungen hin untersucht.
Elektronik und Leiterplattendesign: Baugruppen in Industrieumgebungen müssen Vibrationstests standhalten, die nach Norm definierte Frequenzspektren abdecken.
Werkzeugmaschinen: Spindelgehäuse und Maschinengestelle werden auf Anregungen durch den Zerspanungsprozess hin analysiert, um Ratterschwingungen zu vermeiden.

In der Anlagenplanung ist die Methode besonders wertvoll, weil sie Aussagen über das Schwingungsverhalten bereits in der Konstruktionsphase erlaubt, lange bevor ein physischer Prototyp existiert.

Wie werden Frequenzgangergebnisse korrekt interpretiert und bewertet?

Frequenzgangergebnisse werden primär als Amplitudengang über der Frequenz dargestellt. Peaks in dieser Kurve markieren Resonanzstellen, an denen das System auf Anregungen besonders empfindlich reagiert. Die Bewertung erfordert sowohl technisches Verständnis des Systemverhaltens als auch Kenntnis der tatsächlichen Betriebsbedingungen.

Resonanzstellen identifizieren und einordnen

Ein Peak im Amplitudengang ist nicht automatisch ein Problem. Entscheidend ist, ob die zugehörige Eigenfrequenz im tatsächlichen Betriebsfrequenzbereich liegt und ob die Anregungsamplitude bei dieser Frequenz signifikant ist. Liegt eine Resonanzfrequenz weit außerhalb des Betriebsbereichs, besteht in der Regel kein Handlungsbedarf. Liegt sie dagegen innerhalb, muss die maximale Amplitude mit zulässigen Grenzwerten verglichen werden, etwa mit Spannungsamplituden, die für den Ermüdungsnachweis relevant sind.

Dämpfung und Phasengang richtig lesen

Die Breite eines Resonanzpeaks gibt Auskunft über die Systemdämpfung. Ein schmaler, hoher Peak weist auf geringe Dämpfung hin und bedeutet, dass das System bei kleinen Frequenzabweichungen stark reagiert. Der Phasengang wechselt an einer Resonanzstelle charakteristisch um 180 Grad, was bei der Identifikation von Eigenfrequenzen hilfreich ist, besonders wenn mehrere Moden nah beieinander liegen.

Für eine belastbare Bewertung sollten die Ergebnisse immer im Kontext des Lastpfads betrachtet werden. Eine hohe Verschiebungsamplitude an einem bestimmten Knoten bedeutet nur dann ein Risiko, wenn an dieser Stelle auch hohe Spannungen auftreten oder funktionale Anforderungen verletzt werden. Die Kombination aus Frequenzgangkurve und räumlicher Spannungsverteilung bei der kritischen Frequenz liefert das vollständige Bild für eine fundierte Konstruktionsentscheidung.

Frequenzganganalyse mit CE-SYS Engineering

CE-SYS Engineering unterstützt technische Projektleiter bei der Durchführung und Bewertung von Frequenzganganalysen im Rahmen der Strukturdynamik und dynamischen FEM-Berechnung. Das Leistungsangebot umfasst konkret:

Aufbau und Validierung von FE-Modellen für harmonische Antwortanalysen in ANSYS Workbench
Auswahl geeigneter Lösungsverfahren (modale Superposition oder direkte Methode) abhängig von Systemcharakteristik und Dämpfungsverhalten
Parameterstudien zur Bewertung konstruktiver Änderungen des Resonanzverhaltens
Interpretation der Ergebnisse und Ableitung konkreter Optimierungsmaßnahmen
Nachweisführung nach europäischen Regelwerken, wo normative Anforderungen an die Schwingungsanalyse bestehen

Wenn Sie ein Bauteil oder eine Anlage auf dynamische Belastungen hin untersuchen lassen möchten, nehmen Sie Kontakt mit uns auf und schildern Sie Ihre Aufgabenstellung.