LS Strukturmechanik und Fahrzeugschwingungen
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Verbunden mit der Forderung nach immer leistungsfähigeren, umweltfreundlicheren und hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs effizienteren Triebwerken kommen in der jüngeren Vergangenheit mehr und mehr Verdichterlaufräder in Integralbauweise zum Einsatz.Wesentlicher Vorteil der integralen Bauteile ist eine, im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise von Laufrädern mit gesteckten Schaufeln, deutliche Gewichtsreduktion. Diese ergibt sich einerseits aus der für die Blisk-Bauweise nicht mehr notwendigen, aufwändigen und massiven Schaufel-Scheibe-Fußkonstruktion sowie andererseits aus einem günstigeren Kraftfluss, der die Fliehkräfte der Schaufeln direkt in die Scheibe leitet. Da hierbei im Scheibenrandbereich Material eingespart wird, ist es möglich die Scheibe insgesamt leichter zu gestalten. Somit sind höhere Drehzahlen der Hochdruckverdichterwelle möglich, was zu höheren Druckverhältnissen führt. Unter der Maßgabe eines gleichen Druckverhältnisses für den Verdichter insgesamt, kann die Anzahl der Schaufeln der Laufräder reduziert oder es können gar ganze Verdichterstufen eingespart werden.Demgegenüber treten jedoch Phänomene, die durch ein unterschiedliches strukturdynamisches Verhalten der Schaufeln untereinander verursacht werden, bei Blisks besonders hervor. Grund dafür ist die fehlende Reibung an den in der konventionellen Bauweise vorhandenen formschlüssigen Kontaktstellen zwischen den Schaufeln und der Scheibe. Daher ist die mechanische Dämpfung für Laufräder in Integralbauweise deutlich kleiner als für vergleichbare Laufräder mit gesteckten Schaufeln.Mit zahlreichen numerischen Berechnungen und Experimenten an einer Rotorstufe aus einem im heutigen Triebwerksbau üblichen Hochdruckverdichter wird das strukturdynamische Verhalten diskutiert, wobei neben den drei Grundmodenfamilien wie erster und zweiter Biegung sowie der ersten Torsion auch höhere Modenfamilien untersucht werden. Grundlage für die numerischen Untersuchungen des verstimmten Rechenmodells sind schaufelindividuelle Verstimmungsmessungen, aus denen Parameter für den Abgleich des unverstimmten FE-Modells hin zum verstimmten FEModell extrahiert werden. Dieser Abgleich führt zu einem verstimmten Rechenmodell, welches die dynamischen Eigenschaften des realen Systems widerspiegelt.Unter der Annahme, dass die Verstimmung maßgeblich von Geometrievariationen der Schaufeln untereinander geprägt ist, wird eine 3D-Geometrievermessung ebenfalls mit dem Ziel durchgeführt, ein verstimmtes Modell zu erzeugen, welches das gemessene, strukturdynamische Verhalten der realen Struktur wiedergibt. Jedoch ergeben sich bisher zwischen den Berechnungsergebnissen des geometrieangepassten Modells und Messungen an der realen Blisk deutliche Unterschiede.Mittels einer neuartigen Methodik zur Einteilung von Eigenfrequenzen in Modenfamilien werden in dieser Arbeit Größen vorgestellt, die Rückschlüsse über die Sensitivität einer Modenfamilie gegenüber einer möglichen Verstimmung zulassen. Die Einteilung der Eigenfrequenzen und dazugehöriger Eigenformen erfolgt anhand strukturdynamischer Gesichtspunkte wie z.B. der Verzerrungsenergieverteilung auf den Schaufel- und Scheibenanteil oder anhand des modalen Vergleichskriteriums (MAC).Kernpunkt dieser Arbeit bildet die experimentelle Erregung und Messung von Umlaufwellen. Hierbei werden im Frequenzbereich gesplitteter Eigenfrequenzen des verstimmten Systems stehende sowie mit der Erregung und gegen die Erregung umlaufende erzwungene Schwingformen nachgewiesen. In diesem Zusammenhang wird ein Kriterium eingeführt, welches stehende und drehende Schwingformen quantitativ unterscheidet. Der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit numerischen Berechnungen zeigt eine gute Übereinstimmung für die analysierten erzwungenen Schwingformen.Ein in der jüngeren Vergangenheit in Bezug auf zyklisch rotationssymmetrische Strukturen vermehrt untersuchtes Phänomen, das so genannte Frequency-Veering, wird in dieser Arbeit ausführlich experimentell untersucht. Zwei Frequency-Veering Bereiche zeigen sich an der untersuchten Blisk im Frequenzbereich höherer Modenfamilien. Hierbei ergibt sich keine größere Sensibilität der Struktur gegenüber ihrer Verstimmung.
The present work presents the aeroelastic analyses of mistuned blisk forced response employing a surrogate lumped mass model with aerodynamic influence coefficients. Prior to these, the state of the art in mistuning analysis is summarised and the theoretical background of the structural as well as the aerodynamical model employed in this work is illustrated. Consequently, the validation of the aeroelastic methods is presented at the example of the compressor likeStandard Configuration 10, a standardised test case of an aerofoil vibrating in a cascade, and the aerodynamical model is validated against bidirectionally coupled fluid structure interaction simulations of a 2D compressor rotor model. Finally, the aeroelastic behaviour of a mistuned blisk is analysed featuring measured mistuning patterns and extensive probabilistic analyses of mistuned blisk forced response. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse erzwungener Schwingungen von verstimmten Verdichterlaufrädern unter Verwendung eines diskreten Ersatzmodells und aerodynamischen Einflusskoeffizienten. Zunächst werden der Stand der Technik bezogen auf die Untersuchung verstimmter Systeme zusammengefasst und die theoretischen Hintergründe des verwendeten Struktur- sowie aerodynamischen Modells dargestellt. Im Anschluss daran werden die aeroelastischen Methoden anhand der Standard Konfiguration 10, einem standardisierten Testfall schwingender Schaufeln in einer Kaskade, überprüft und das aerodynamische Modell mit Hilfe bidirektional gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen eines 2D Modells eines Verdichterrotors validiert. Schließlich wird das aeroelastische Verhalten einer verstimmten Verdichter-Blisk untersucht, wobei neben der Analyse experimentell ermittelter Verstimmungsverteilungen auch ausführliche, probabilistische Simulationen durchgeführt wurden.
Verstimmungsuntersuchungen am Laufrad (Blisk) eines modernenFlugtriebwerk-Hochdruckverdichters
(2011)
Grundlegende Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von Verdichterlaufrädern in Integralbauweise
(2009)
Simulation fluidgedämpfter Strukturschwingungen mittels partitioniertem Kopplungssatz via MpCCI
(2006)
Numerical simulation of localization phenomena in the frame of damage parameter identification
(2006)
Determination of ductile damage parameters by local deformation fields: Measurement and Simulation
(2006)
Secure Power for Jet Engines
(2006)
Theoretische und experimentelle Untersuchungen von Schaufelschwingungen bei Verdichterintegralrädern
(2006)
Experimentelle und theoretische Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Fernmeldetürmen
(2000)
Theoretical and experimental free vibrations of tall industrial chimney with flexibility of soil
(2005)
Simulation fluidgedämpfter Strukturschwingungen mittels partitionierter Fluid-Struktur-Kopplung
(2005)
Theoretical frequencies and mode shapes of the high multi-flue industrial chimney, which is located in the power station of Opole, interacting with soil have been evaluated through the application of the finite element method. The aim of the present paper is to study the free vibrations of this chimney applying dynamic testing in full scale to confirm a calculation model and to obtain important information on the effect of soil interacting with the chimney.
Auf Grund der im Rahmen eines Testfluges subjektiv durch den Piloten festgestellten hohen Schwingungsamplituden wird das dynamische Verhalten eines Ultraleichtflugzeugmotors inklusive der Motoraufhängung untersucht. Hierin wir der numerische Teil der Untersuchun-gen durch eine finite Elemente Simulation abgedeckt, in deren Rahmen die wesentlichen Ei-genschwingformen der Antriebseinheit samt Motorträger identifiziert wurden. Ergänzend mit den Ergebnissen einer experimentellen Modalanalyse und Betriebsschwingungsmessungen konnten wesentliche Informationen gewonnen werden, aus denen als Maßnahme zur Schwin-gungsreduzierung die Erhöhung der Schwungradmasse abgeleitet wurde.
Die Verbesserung von Kalibriermethoden für Hochdruckverdichterstufen in ausgeführter Integralbauweise verlangt von den Ingenieuren ein detaillierteres Verständnis der strukturdynamischen Zusammenhänge dieses komplexen Bauteils. Als Ausgangsbasis werden zunächst für das perfekte Normdesign bei Ausnutzung der vorliegenden zyklischen Rotationssymmetrie numerische Ergebnisse vorgestellt. Dabei stehen bezüglich des Schwingverhaltens die Kopplungseffekte zwischen Scheibe und Schaufeln im Mittelpunkt, wobei experimentelle Untersu-chungen am realen Bauteil ergänzend hinzugezogen werden. Zukünftig wird in einem weiteren Schritt im Rahmen erheblich aufwendigerer Berechnungen mit der Berücksichtigung von Imperfektionen hinsichtlich der filigranen Schaufeln die Rotationssymmetrie aufgegeben und somit die Basis für eine gezielte Beeinflussung des Schwingverhaltens infolge von Mistuning - Effekten geschaffen.
An advanced design of sandwichstructures does not only require the knowledge of the global stress- and deformation behavior, but also the knowledge of the local effects, such as load singularities and the loss of stability caused by the short wave wrinkling of one (bending) or both (pressure) sandwich skins.Based on the nonlinear theory for sandwich shells with seven kinematic degrees of freedom, introduced from Kühhorn and Schoop an improved theory for plane sandwich shells with eight degrees of freedom will be presented, enabling a much better representation of the sandwich core behavior.Due to consideration of quadratic core thickness and linear core shear strain as well as longitudinal core deformation an improved prediction of the wrinkling behavior is succeeded even for thick cores and thin skins.The kinematic quantities as well as the nonlinear-differential equations and the simplified equations of first order theory resulting from them are given.Finally applying the well known classical problems of stability loaded by pressure and bending, the efficiency of this 8 DOF-theory ist demonstrated. A comparison with a detailed finite element (plain strain) calculation shows the high quality of these results.The presented sandwich theory characterized by eight degrees of freedom enables the calculation of nearly all essential sandwich phenomena even for thick cores.
An advanced design of sandwichstructures does not only require the knowledge of the global stress- and deformation behavior, but also the knowledge of the local effects, such as load singularities and the loss of stability caused by the short wave wrinkling of one (bending) or both (pressure) sandwich skins.Based on the nonlinear theory for sandwich shells with seven kinematic degrees of freedom, introduced from Kühhorn and Schoop an improved theory for plane sandwich shells with eight degrees of freedom (position vector r, director d, and intensity factors az1, az2 for including core flexibility) will be presented, enabling a much better representation of the sandwich core behavior.Due to consideration of quadratic core thickness and linear core shear strain as well as longitudinal core deformation an improved prediction of the wrinkling behavior is succeeded even for thick cores and thin skins.The kinematic quantities as well as the nonlinear-differential equations achieved from the principle of virtual work and the simplified equations of first order theory resulting from them are given.Finally applying the well known classical problems of stability loaded by pressure and bending, the efficiency of this 8 DOF-theory is demonstrated. A comparison with a detailed finite element (plain strain) calculation shows the high quality of these results.The presented sandwich theory characterized by eight kinematic degrees of freedom is valid for arbitrary displacements, rotations and moderat strains enables the calculation of nearly all essential sandwich phenomena even for thick cores.
Ökonomische und ökologische Bedürfnisse verlangen von modernen Konstruktionen sowohl eine hochintegrative Bauweise als auch eine massive Gewichtseinsparung. Dies führt zu neuen Leichtbaukonstruktionen mit einem stetig zunehmenden Anteil an Faserverbundlösungen. Die hierbei eröffnete Möglichkeit, kraftfluß- und beanspruchungsgerecht auszulegen, erschließt sich erst vollständig durch die sichere Anwendung moderner FE-Programme wie beispielsweise ABAQUS. Nutzt man darüber hinaus die Möglichkeit der flexiblen Script-Programmierung, so lassen sich wirkungsvolle Effizienzsteigerungen durch die gezielte Erstellung spezifischer Eingabemenüs und Ausgaberoutinen erreichen. Dieser Beitrag veranschaulicht an Hand eines ausgeführten und getesteten CFK-Modellflügels unter Biegebeanspruchung, die Vorgehensweise bei Verwendung von ABAQUS und der Script-Sprache Python.
Initiiert durch die im Rahmen eines Testfluges subjektiv durch den Piloten festgestellten hohen Schwingungsamplituden wird das dynamische Verhalten eines Ultraleichtflugzeugmotors inklusive der Motoraufhängung untersucht. Hierin wir der numerische Teil der Untersuchungen durch eine finite Elemente Simulation abgedeckt, in deren Rahmen die wesentlichen Eigenschwingformen der Antriebseinheit samt Motorträger identifiziert wurden. Ergänzend mit den Ergebnissen einer experimentellen Modalanalyse und Betriebsschwingungsmessungen konnten wesentliche Informationen gewonnen werden, aus denen als Maßnahme zur Schwin-gungsreduzierung die Erhöhung der Schwungradmasse abgeleitet wurde.