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The development of computer technologies allows using numerical simulations in the early stages of aircraft design more and more often. The role of both wind tunnels and initial test flights used to validate of solutions seems to be diminishing. Big systems for three-dimensional simulations of Fluid-Structure Interactions (FSI) constitute highly specialized and costly software. Most of the codes are based on many simplifications. One of them is the assumption of linearity of the structural model being in contradiction with real-life situations. The postdoctoral dissertation presents the results of simulations for complex, multi-scale objects and non-linear structure models and extended structure testing in relation to damage in macroscale analysis. What is crucial for carrying out the assumed analyses is to extend a numerical tool comprising a flow and a structural program and a space grid deformation model for a system allowing to take into consideration the non-linearity of the structure. The point of reference for testing the suggested approaches are the existing solutions of the aeroelastic linear problems. Results of the recent research might be applied for the construction of increasingly common unmanned aerial vehicle (UAV). Modern structure is a key element that affects the basic parameters as mass or range of these vehicles. Until now the research and development of the aeroelastic calculation algorithm for commonly used materials in the framework of linear geometry and linear-elastic material behavior was used. The current developments of materials for light-weight design common use of 3D printing technology causes the increasingly widespread use of new alternative materials in the aviation industry. This is particularly true for the design and construction of UAV, where the basic requirements are the lightness of the structure and the maximum range. Unfortunately, the fulfillment of the above criteria means that the materials used are often loaded not only in a elastic range but also more often above this limit. In case of analyzing aeroelastic phenomena for a loaded structure we should take a closer look at the behavior of the material outside the elastic range in which the damage occurs. The process of destroying in the face of such dangerous phenomena as flutter in aircraft constructions requires a deeper analysis of the mechanics of materials, in particular for new materials and their manufacturing techniques. As part of joint experiments and numerical simulations, detailed research was carried out to describe the behavior of printed materials, which will be increasingly used in the design of aircraft structures. Extending the postdoctoral dissertation with the research carried out at BTU will allow further development of the existing FSI algorithm, taking into account the structural behavior more accurately and the possibility of predicting damage processes.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Auswirkungen von Fremdkörperschädigungen und Blending Reparaturen auf das aeroelastische Systemverhalten einer modernen Hochdruckverdichter Blisk. Mittels einer vollautomatisierten Prozesskette zur Untersuchung parametrisch definierter Schadensfälle erfolgt eine detaillierte Analyse der Korrelationsbeziehungen zwischen den Schädigungsparametern und deren Einfluss auf die hochzyklische Ermüdungsfestigkeit der Komponente. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse fließen in ein Regressionsmodell zur Erstellung von Sensitivitätsplots ein, um eine schnelle Beurteilung der Kritikalität von Schadensfällen im Flottenbetrieb zu ermöglichen. Im Rahmen der aeroelastischen Analysen sind vor allem die Auswirkungen von Blending Reparaturen auf typische Kenngrößen wie die aerodynamische Dämpfung und Anregung von Interesse. Am Beispiel einer im Betrieb hoch ausgelasteten Schwingform wird eine potentielle Überlagerung mehrerer, für die Betriebssicherheit der Komponente kritischer, Effekte dargestellt. Um die Rechenzeiten für derartige Vorhersagen künftig zu verringern, werden zudem unterschiedliche Ansätze zur Reduktion der Simulationsaufwände verglichen.
Die vorliegende Bachelorarbeit analysiert systematisch die Einflüsse zweier Verstimmungseffekte auf das lineare Schwingungsverhalten von Turbinenlaufstufen am Beispiel zweier FE-Modelle. Zum einen wird der Einfluss der geometrischen Verstimmung anhand der probabilistischen Modellierung der Elastizitätsmodule pro Schaufel analysiert. Zum anderen wird der Einfluss einer linearen Approximation der Kontaktverstimmung analysiert. Dazu wird die modale Dämpfung pro Mode probabilistisch modelliert. Zur probabilistischen Modellierung kommen mehrere ausgewählte Wahrscheinlichkeitsverteilungen zum Einsatz.
Bei der Auswertung der FE-Simulationen wird zwischen geometrischer Verstimmung und gleichbleibender modaler Dämpfung sowie geometrischer Verstimmung und gleichzeitiger Variation der Dämpfung unterschieden. Im ersten Fall ergeben sich bis zu doppelte Amplituden im Vergleich zum unverstimmten Modell. Der Einfluss der zusätzlichen Dämpfungsverstimmung ist in den durchgeführten Simulationen deutlich größer als bei realen Messungen und führt bis zu einer 3,3-fachen maximalen Amplitude. Aufgrund dessen zeigt sich, dass der verwendete Ansatz der linearen Modellierung der Dämpfung nur bedingt anwendbar ist.
Darüber hinaus wird eine Methode zur Ermittlung der äquivalenten linearen Dämpfung anhand transienter Analysen für verstimmte Turbinenlaufstufen numerisch validiert. Die Grundidee ist die Bestimmung der linearen Dämpfung aus dem Verhältnis der Mittelwerte der Amplituden bei einer niedrigen und einer hohen Beschleunigungsrate. Die anhand der Methode bestimmte Dämpfung zeigt eine Abweichung im Bereich von maximal 10% im Vergleich zur tatsächlichen Dämpfung.
Ergänzend findet ein Vergleich der Ergebnisse der Finite Elemente Analyse und eines Reduced Order Codes auf Grundlage der Craig-Bampton Methode statt sowie der Vergleich zwischen zwei Sampling-Methoden, dem Simple Random Sampling und dem Latin Hypercube Sampling.
