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Damping identification methods from complex modes for dynamic substructuring = Methoden zur Ermittlung von Dämpfungsmatrixen aus komplexen Eigenmoden zur Verwendung in der Substrukturtechnik
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-23
Online
DOI: 10.2370/9783844081923
URL: https://www.shaker.de/de/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-8192-3&search=yes
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Craig-Bampton (frei) ; component mode synthesis (frei) ; coupled dynamic analysis (frei) ; damping (frei) ; equivalent structural damping (frei) ; hysteretic (frei) ; viscous (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Dämpfungseigenschaften von Strukturen werden in der Regel in der Form von modalen Dämpfungsmaßen oder Verlustfaktoren auf der Systemebene ermittelt. Solche Größen werden im Rahmen von experimentellen Modalanalysen (EMA) gewonnen und dienen der Aufstellung modaler Dämpfungsmatrizen in Finite-Elemente-Modellen. Dabei ist es üblich, von einer diagonalen Form der modalen Dämpfungsmatrizen auszugehen. Dennoch besteht kein physikalischer Grund, warum das Dämpfungsverhalten einer beliebigen Struktur gerade dieses mathematische Konstrukt erfüllen muss. In Wirklichkeit sind die modalen Dämpfungsmatrizen realer Strukturen keine Diagonalmatrizen. Zudem können die Matrixelemente außerhalb der Hauptdiagonale in der gleichen Größenordnung liegen wie die in der Hauptdiagonale. Während die Annahme diagonaler modaler Dämpfungsmatrizen in der Strukturdynamik meistens keine Konsequenzen mit sich bringt, ist dies in der Substrukturtechnik anders. Die Fähigkeit, eine voll besetzte modale Dämpfungsmatrix auf Komponentenebene zu bestimmen, ist für die richtige Verknüpfung der experimentell ermittelten Dämpfungsgrößen der einzelnen Komponenten zu einer globalen Matrix entscheidend. Wird dies nicht eingehalten, so kann die Zusammenlegung der Substrukturmodelle zu einem einzigen Modell zu willkürlichen globalen modalen Dämpfungswerten führen. Dies bedeutet wiederum eine unzulängliche Vorhersage der dynamischen Antwort der Gesamtstruktur. Darüber hinaus existiert eine wesentliche Problematik in der allgemeinen Vorgehensweise bei der Ermittlung von Dämpfungsgrößen in EMA sowie in der darauffolgenden Aufstellung von Dämpfungsmatrizen. Diese entsteht durch die Divergenz zwischen der Forderung nach einer vollständigen, das Verhalten der freien Substruktur charakterisierenden Dämpfungsmatrix und der Tatsache, dass die Substruktur während einer EMA oft gelagert oder eingespannt ist. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den oben beschriebenen Sachverhalten und bietet eine alternative Vorgehensweise zur allgemeinen Praxis, die auf reellen Eigenvektoren und auf einer einzigen Art von Randbedingungen basiert. Dafür wird der kombinierte ESD Bajrić Ansatz vorgestellt, der auf komplexen Eigenpaaren beruht und die Nachgiebigkeit der Einspannung miteinschließt. Der Ansatz ermöglicht die Berechnung diagonaler und nicht diagonaler Elemente in Dämpfungsmatrizen von Substrukturmodellen. Damit können Substrukturmodelle mit einer Methode kondensiert werden, deren Basisvektoren dem Einbauzustand der Substruktur im Gesamtsystem entsprechen. Zudem werden die Auswirkung der Annahme proportional dämpfender Systeme in der Substrukturtechnik untersucht und die Bestimmung nicht-diagonaler Elemente mit den Methoden nach Adhikari (2001) und nach Bajrić (2018) durchleuchtet.In engineering, damping properties of structures are generally obtained at a system level only and in the form of modal damping ratios or loss factors. These are gained in the context of experimental modal analysis (EMA) and are used to generate modal damping matrices in finite element models. In this process, it is a common practice to assume that modal damping matrices are diagonal in shape. However, there is no physical reason why the damping behaviour of a structure should fall into this category. In fact, for most real structures, modal damping matrices are not diagonal in shape, and the off-diagonal entries or coupling terms may be the same order of magnitude as the diagonal ones. While ignoring the off-diagonal entries in modal damping matrices does not pose a problem in most cases, in dynamic substructuring or coupled dynamic analysis (CDA), the ability to compute a fully-populated modal damping matrix is essential for the correct synthesis of damping information from substructure tests. Otherwise, arbitrary modal damping ratios may be computed for the overall structural model, resulting in a poor prediction of the global dynamic behaviour. In addition, there is a fundamental problem in the general identification of damping from EMA and in the subsequent formulation of damping matrices. This is related to the gap between the requirement of a damping matrix which fully characterises the dissipative behaviour of an unconstrained component and obtaining the dissipative behaviour from the component under a restricted set of boundary conditions. The present work addresses the above-mentioned issues and offers an alternative procedure to the conventional damping identification practice based on real-valued eigenvectors – i.e. on proportional damping – and on a single set of boundary conditions. In particular, a procedure called Combined ESD-Bajrić approach is suggested. Using complex-valued eigenpairs, this approach allows the computation of both diagonal and off-diagonal entries within the ‘unconstrained’ fully-populated hysteretic damping matrix of a component. This is fundamental to be able to condense component models using a component mode synthesis method with associated component modes that reflect the in-built configuration of the substructure rather than the test configuration. In addition to this, the effect of the assumption of proportional damping in the context of CDA is assessed and Adhikari's (2001) and Bajrić's (2018) method for the computation of coupling terms are compared between each other.
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021123183
Interne Identnummern
RWTH-2021-09475
Datensatz-ID: 833823
Beteiligte Länder
Germany
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