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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-17031
URL: http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2010/1703/
Numerische und experimentelle Untersuchungen zum dynamischen Verhalten von Strukturen mit Fügestellen
Numerical and experimental investigations on the dynamic behaviour of jointed structures
Geisler, Johannes
| SWD-Schlagwörter: |
| Fügestelle , Dämpfung , Reibung |
| Freie Schlagwörter (Englisch): |
| Zero-Thickness-Element |
| Fakultät: |
| Technische Fakultät |
| DDC-Sachgruppe: |
| Ingenieurwissenschaften |
| Dokumentart: |
| Dissertation |
| Schriftenreihe: |
| Schriftenreihe Technische Mechanik |
| Bandnummer: |
| 1 |
| Hauptberichter: |
| Willner, Kai (Prof. Dr.-Ing.) |
| Sprache: |
| Deutsch |
| Tag der mündlichen Prüfung: |
| 29.01.2010 |
| Erstellungsjahr: |
| 2010 |
| Publikationsdatum: |
| 13.04.2010 |
| Kurzfassung in Deutsch: |
| Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur numerischen und
experimentellen Untersuchung dynamischer Eigenschaften von
Strukturen mit Fügestellen dar. Es erfolgt dabei hauptsächlich eine
Betrachtung von flächig ausgedehnten Kontaktstellen, die relativ zur
Gesamtstruktur nicht als klein anzusehen sind.
Neben dem Steifigkeits-, ist insbesondere das Dämpfungsverhalten eine
wichtige Systemeigenschaft, die möglichst realistisch erfasst werden
soll. Dafür wird ein ausführlicher Überblick zu Dämpfungsmechanismen
und deren Modellierung gegeben, der die gewählte Modellbildung motiviert.
Die Materialdämpfung der betrachteten Strukturen ist als schwach
anzusehen und kann daher über einen
einfachen viskosen Dämpfungsansatz berücksichtigt werden, für den
realistische Parameter durch eine experimentelle Modalanalyse bestimmt
werden. Die Strukturdämpfung, die aus trockener Reibung in der
Fügestelle resultiert, kann dagegen sehr hoch sein und wird durch eine
direkte Modellierung des mechanischen Kontakts im Rahmen der
Finite-Elemente-Methode erfasst. Hierfür werden
Zero-Thickness-Kontaktelemente eingesetzt, in die beliebiges
konstitutives Kontaktverhalten implementiert werden kann. Die Lösung
des entstehenden nichtlinearen Gleichungssystems kann zu
Konvergenzschwierigkeiten führen, weshalb verschiedene Line-Search-
und Trust-Region-Algorithmen zum Einsatz kommen. Mit Hilfe einer
zusätzlichen Zeitschrittintegration sind
Analysen im Zeitbereich für beliebige Belastungen
möglich. Für die sehr wichtigen harmonischen Anregungen wird die
Harmonische-Balance-Methode angewandt, um für die betrachteten
Strukturen die stationäre Lösung im Frequenzbereich zu berechnen.
Einen tieferen Einblick in das dynamische Verhalten vorliegender Systeme
geben Detektionsmethoden für Nichtlinearitäten, wie z.B. die
Betrachtung von Übertragungsfrequenzgängen bei unterschiedlichen
Anregungsamplituden oder die Anwendung der
Hilbert-Transformation. Anhand dieser Methoden kann für vorliegende
Problemstellungen demonstriert werden, dass die Berücksichtigung der
Kontaktnichtlinearitäten nötig ist, um realistisches Verhalten
abzubilden.
Im numerischen Modell werden konstitutive Kontaktparameter verwendet,
die anhand von Messungen identifiziert werden müssen, um
aussagekräftige Resultate zu erhalten. Hierfür wird ein
Modellkorrekturverfahren im Frequenzbereich anhand berechneter und
gemessener Übertragungsfrequenzgänge umgesetzt.
Die Funktionsfähigkeit des vorgeschlagenen Vorgehens wird schließlich
an einer Beispielstruktur unter verschiedenen Belastungen durch
Untersuchungen im Zeit- und Frequenzbereich demonstriert. |
| Kurzfassung in Englisch: |
| This thesis contributes to the numerical and experimental
investigation of dynamic properties of jointed structures. It is
specially focussed on extended joint patches that cannot be regarded as small
in relation to the whole structure.
The main structural dynamic properties are stiffness and damping.
In particular, the consideration of realistic damping behaviour is
difficult. For that purpose a detailed survey of damping
mechanisms and their modelling is presented that
also motivates the utilized model. Material damping of the regarded
structures is weak. Therefore the common
viscous damping approach is applied, for which realistic parameters are
determined by Experimental Modal Analysis. In contrast, structural
damping resulting from dry friction in the joint interface can be very
high. This damping mechanism is considered by a direct modelling of the mechanical
contact phenomena in the framework of the Finite Element Method.
Zero-thickness contact elements - in which arbitrary
constitutive contact behaviour can be implemented - are applied for the
discretization of the contact interface. Since the solution of the resulting
nonlinear system of equations can lead to difficulties concerning
convergence, different line-search and trust-region
algorithms are applied. By the utilization of an additional time stepping
scheme, analyses in the time domain are possible for arbitrary
excitations, including transient effects.
For the very important harmonic excitations, the Harmonic Balance
Method is applied in order to compute the steady state solution in the
frequency domain.
Methods for the detection of nonlinearities, for
example the examination of frequency response functions at different excitation
levels or the application of the Hilbert-transform, provide a better
understanding of the dynamic behaviour of the regarded systems.
Therewith it is shown that contact nonlinearities have to be
considered in the modelling in order to capture realistic behaviour.
In the numerical model,
constitutive contact parameters are used, which have to be identified
by measurements in order to obtain reliable results. For that purpose,
a model update procedure is realized in the frequency domain by means
of the comparison of computed and measured frequency response functions.
Finally, the capability of the proposed approach is demonstrated
by investigations in time and frequency domain on a test structure for
different types of excitation. |
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