Multi-Harmonische-Balance-Methoden zur Untersuchung des Übertragungsverhaltens von Strukturen mit Fügestellen

Multiharmonic Balance Methods for Investigating the Transfer Behavior of Jointed Structures

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71931
  • Fügestellen spielen in nahezu jeder technischen Anwendung eine wichtige Rolle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zum Verständnis, zur Messung und zur Berechnung des dynamischen Verhaltens mechanischer Systeme geleistet werden, die mittels Schraubverbindungen zusammengefügt werden. Das Einbringen von Fügestellen äußert sich durch verschiedene Effekte, wobei Änderungen im Dämpfungsverhalten und den Resonanzfrequenzen im Bereich der Strukturdynamik die wichtigsten Aspekte sind. Um die Dämpfungseffekte einer Fügestelle zu verstehen, müssen auch die in der Fügefläche auftretenden Reibeffekte verstanden werden, die hier durch rheologische Ersatzmodelle abgebildet werden sollen.Fügestellen spielen in nahezu jeder technischen Anwendung eine wichtige Rolle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zum Verständnis, zur Messung und zur Berechnung des dynamischen Verhaltens mechanischer Systeme geleistet werden, die mittels Schraubverbindungen zusammengefügt werden. Das Einbringen von Fügestellen äußert sich durch verschiedene Effekte, wobei Änderungen im Dämpfungsverhalten und den Resonanzfrequenzen im Bereich der Strukturdynamik die wichtigsten Aspekte sind. Um die Dämpfungseffekte einer Fügestelle zu verstehen, müssen auch die in der Fügefläche auftretenden Reibeffekte verstanden werden, die hier durch rheologische Ersatzmodelle abgebildet werden sollen. Diese werden im Rahmen der Finite-Elemente-Methode auf sogenannte Zero-Thickness-Elemente angewandt. Dabei handelt es sich um spezielle Kontaktelemente, die eine flächige Beschreibung beliebig gekrümmter Kontaktbereiche und eine verteilte Betrachtung der rheologischen Beziehungen möglich machen. Die dynamische Berechnung des aus obiger Methodik resultierenden nichtlinearen Gleichungssystems wird hier im Frequenzbereich unter Verwendung der (Multi)-Harmonische-Balance-Methode durchgeführt. Da in der Literatur keine einheitliche Übersicht zu verschiedenen Implementierungen dieser Methode existiert, soll deshalb ein Fokus auf die detaillierte Erklärung und Validierung verschiedener Varianten gelegt werden. Außerdem erfolgt die Einführung einer neuen Adaptive-Harmonische-Balance-Methode, die zu einer Effizienzsteigerung von Berechnungen im Frequenzbereich beiträgt. Die obige Modellierungs-Strategie wird anschließend mit der Berechnungs-Routine verknüpft, um das Verhalten zweier Beispielsysteme zu untersuchen. Das Erste ist dabei ein akademischer Reibschwinger und das Zweite eine industrienahe Anwendung. Beide Systeme werden zunächst experimentell untersucht, bevor für das akademische Beispielsystem eine Identifikation der Modellparameter erfolgt. Diese werden als Basis für die Parameter des industrienahen Beispiels verwendet, um prädiktive Berechnungen durchzuführen. Damit soll letztlich gezeigt werden, dass die vorgestellten Modelle in der Lage sind, das Verhalten eines realen Systems vorherzusagen.show moreshow less
  • Mechanical joints play an important role in nearly any technical application. This thesis is a contribution to the progress in understanding, measuring and calculating the dynamic behaviour of mechanical systems assembled by bolted joints. Their inclusion leads to various effects, with modifications of the damping behaviour and the resonance frequencies of a structure being the most important aspects in the framework of structural dynamics. Understanding the damping phenomena of a joint also means understanding the frictional effects occurring within the contact plane between the joined parts. Here rheological friction models shall be implemented within the framework of a finite elementMechanical joints play an important role in nearly any technical application. This thesis is a contribution to the progress in understanding, measuring and calculating the dynamic behaviour of mechanical systems assembled by bolted joints. Their inclusion leads to various effects, with modifications of the damping behaviour and the resonance frequencies of a structure being the most important aspects in the framework of structural dynamics. Understanding the damping phenomena of a joint also means understanding the frictional effects occurring within the contact plane between the joined parts. Here rheological friction models shall be implemented within the framework of a finite element routine using so called zero-thickness elements. These are special contact elements leading to a surface-to-surface description of arbitrarily shaped contact planes and a continuous distribution of the discrete rheological relations. The dynamic calculation of the resulting nonlinear system of equations is performed in the frequency domain utilizing different (multi)harmonic balance methods. Since there is no satisfying survey of existing approaches for implementation in the literature, this thesis focuses on the detailed introduction, explanation and validation of different variants. Furthermore a new adaptive harmonic balance algorithm shall be presented which increases the efficiency of calculations in the frequency domain. The modelling strategy is then combined with the calculation procedure in order to reproduce and predict the behaviour of two different example systems, with the first one being an academic friction resonator and the second one being a system close to industrial applications. Both structures are first investigated experimentally performing dynamic measurements. Secondly the model parameters for the academic demonstrator are identified using a model updating routine, hence giving a basis for the parameters used for industrial application example. Finally predictive calculations are performed in order to check the ability of the proposed models and methods for giving a forecast of the expected system behaviour.show moreshow less

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Metadaten
Author:Dominik Süß
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71931
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (21)
Referee:Kai Willner, Daniel Rixen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/06/11
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/04/26
Release Date:2016/06/22
Tag:Adaptive-Harmonische-Balance-Methode; Multi-Harmonische-Balance-Methode; Zero-Thickness-Elemente
SWD-Keyword:Harmonische Balance; Strukturdynamik; Fügestelle; Reibung; Kontaktelement; Finite-Elemente-Methode
Length/size:292
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
CCS-Classification:J. Computer Applications / J.2 PHYSICAL SCIENCES AND ENGINEERING / Engineering
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
MSC-Classification:74-XX MECHANICS OF DEFORMABLE SOLIDS / 74Hxx Dynamical problems / 74H15 Numerical approximation of solutions
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 46.00.00 Continuum mechanics of solids (see also 83.10.Ff in rheology; 91.60.Ba Elasticity, fracture, and flow; 91.45.Ga Dynamics and mechanics of tectonics; 91.55.Ln Kinematics of crustal and mantle deformation in geophysics) / 46.15.-x Computational methods in continuum mechanics (see also 02.70.-c Computational techniques; simulations, in mathematical methods in physics) / 46.15.Cc Variational and optimizational methods
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0
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