TY - THES A1 - Zacharias, Christin T1 - Numerical Simulation Models for Thermoelastic Damping Effects N2 - Finite Element Simulations of dynamically excited structures are mainly influenced by the mass, stiffness, and damping properties of the system, as well as external loads. The prediction quality of dynamic simulations of vibration-sensitive components depends significantly on the use of appropriate damping models. Damping phenomena have a decisive influence on the vibration amplitude and the frequencies of the vibrating structure. However, developing realistic damping models is challenging due to the multiple sources that cause energy dissipation, such as material damping, different types of friction, or various interactions with the environment. This thesis focuses on thermoelastic damping, which is the main cause of material damping in homogeneous materials. The effect is caused by temperature changes due to mechanical strains. In vibrating structures, temperature gradients arise in adjacent tension and compression areas. Depending on the vibration frequency, they result in heat flows, leading to increased entropy and the irreversible transformation of mechanical energy into thermal energy. The central objective of this thesis is the development of efficient simulation methods to incorporate thermoelastic damping in finite element analyses based on modal superposition. The thermoelastic loss factor is derived from the structure's mechanical mode shapes and eigenfrequencies. In subsequent analyses that are performed in the time and frequency domain, it is applied as modal damping. Two approaches are developed to determine the thermoelastic loss in thin-walled plate structures, as well as three-dimensional solid structures. The realistic representation of the dissipation effects is verified by comparing the simulation results with experimentally determined data. Therefore, an experimental setup is developed to measure material damping, excluding other sources of energy dissipation. The three-dimensional solid approach is based on the determination of the generated entropy and therefore the generated heat per vibration cycle, which is a measure for thermoelastic loss in relation to the total strain energy. For thin plate structures, the amount of bending energy in a modal deformation is calculated and summarized in the so-called Modal Bending Factor (MBF). The highest amount of thermoelastic loss occurs in the state of pure bending. Therefore, the MBF enables a quantitative classification of the mode shapes concerning the thermoelastic damping potential. The results of the developed simulations are in good agreement with the experimental results and are appropriate to predict thermoelastic loss factors. Both approaches are based on modal superposition with the advantage of a high computational efficiency. Overall, the modeling of thermoelastic damping represents an important component in a comprehensive damping model, which is necessary to perform realistic simulations of vibration processes. N2 - Die Finite-Elemente Simulation von dynamisch angeregten Strukturen wird im Wesentlich durch die Steifigkeits-, Massen- und Dämpfungseigenschaften des Systems sowie durch die äußere Belastung bestimmt. Die Vorhersagequalität von dynamischen Simulationen schwingungsanfälliger Bauteile hängt wesentlich von der Verwendung geeigneter Dämpfungsmodelle ab. Dämpfungsphänomene haben einen wesentlichen Einfluss auf die Schwingungsamplitude, die Frequenz und teilweise sogar die Existenz von Vibrationen. Allerdings ist die Entwicklung von realitätsnahen Dämpfungsmodellen oft schwierig, da eine Vielzahl von physikalischen Effekten zur Energiedissipation während eines Schwingungsvorgangs führt. Beispiele hierfür sind die Materialdämpfung, verschiedene Formen der Reibung sowie vielfältige Wechselwirkungen mit dem umgebenden Medium. Diese Dissertation befasst sich mit thermoelastischer Dämpfung, die in homogenen Materialien die dominante Ursache der Materialdämpfung darstellt. Der thermoelastische Effekt wird ausgelöst durch eine Temperaturänderung aufgrund mechanischer Spannungen. In der schwingenden Struktur entstehen während der Deformation Temperaturgradienten zwischen benachbarten Regionen unter Zug- und Druckbelastung. In Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz führen diese zu Wärmeströmen und irreversibler Umwandlung mechanischer in thermische Energie. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung recheneffizienter Simulationsmethoden, um thermoelastische Dämpfung in zeitabhängigen Finite-Elemente Analysen, die auf modaler Superposition beruhen, zu integrieren. Der thermoelastische Verlustfaktor wird auf der Grundlage der mechanischen Eigenformen und -frequenzen bestimmt. In nachfolgenden Analysen im Zeit- und Frequenzbereich wird er als modaler Dämpfungsgrad verwendet. Zwei Ansätze werden entwickelt, um den thermoelastischen Verlustfaktor in dünn-wandigen Plattenstrukturen, sowie in dreidimensionalen Volumenbauteilen zu simulieren. Die realitätsnahe Vorhersage der Energiedissipation wird durch die Verifizierung an experimentellen Daten bestätigt. Dafür wird ein Versuchsaufbau entwickelt, der eine Messung von Materialdämpfung unter Ausschluss anderer Dissipationsquellen ermöglicht. Für den Fall der Volumenbauteile wird ein Ansatz verwendet, der auf der Berechnung der Entropieänderung und damit der erzeugte Wärmeenergie während eines Schwingungszyklus beruht. Im Verhältnis zur Formänderungsenergie ist dies ein Maß für die thermoelastische Dämpfung. Für dünne Plattenstrukturen wird der Anteil an Biegeenergie in der Eigenform bestimmt und im sogenannten modalen Biegefaktor (MBF) zusammengefasst. Der maximale Grad an thermoelastischer Dämpfung kann im Zustand reiner Biegung auftreten, sodass der MBF eine quantitative Klassifikation der Eigenformen hinsichtlich ihres thermoelastischen Dämpfungspotentials zulässt. Die Ergebnisse der entwickelten Simulationsmethoden stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten überein und sind geeignet, um thermoelastische Dämpfungsgrade vorherzusagen. Beide Ansätze basieren auf modaler Superposition und ermöglichen damit zeitabhängige Simulationen mit einer hohen Recheneffizienz. Insgesamt stellt die Modellierung der thermoelastischen Dämpfung einen Baustein in einem umfassenden Dämpfungsmodell dar, welches zur realitätsnahen Simulation von Schwingungsvorgängen notwendig ist. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2022,8 KW - Werkstoffdämpfung KW - Finite-Elemente-Methode KW - Strukturdynamik KW - Thermoelastic damping KW - modal damping KW - decay experiments KW - energy dissipation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20221116-47352 ER - TY - THES A1 - Zabel, Volkmar T1 - Anwendungen der Wavelet-Transformation in der Systemidentifikation T1 - Applications of Wavelet Analysis in System Identification N2 - Die meisten traditionellen Methoden der Systemidentifikation beruhen auf der Abbildung der Meßwerte entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich. In jüngerer Zeit wurden im Zusammenhang mit der Systemidentifikation Verfahren entwicklet, die auf der Anwendung der Wavelet-Transformation beruhen. Das Ziel dieser Arbeit war, einen Algorithmus zu entwickeln, der die Identifikation von Parametern eines Finite-Elemente-Modells, das ein experimentell untersuchtes mechanisches System beschreibt, ermöglicht. Es wurde eine Methode erarbeitet, mit deren Hilfe die gesuchten Parameter durch Lösen eines Systems von Bewegungsgleichungen im Zeit-Skalen-Bereich ermittelt werden. Durch die Anwendung dieser Darstellung können Probleme, die durch Rauschanteile in den Meßdaten entstehen, reduziert werden. Die Ergebnisse numerischer Simulation und einer experimentellen Studie bestätigen die Vorteile einer Anwendung der Wavelet-Transformation in der vorgeschlagenen Weise. ... N2 - Most traditional methods in system identification are based on the analysis of measured data in either the time or frequency domain. In recent years some procedures were developed that apply wavelet analysis in the context of system identification. The purpose of this study was to develop an algorithm that allows for identifying the parameters of a finite element model that describes a tested mechanical system. A method has been derived that determines the desired parameters by solving a system of equations of motion in the time-scale domain. ... KW - Wavelet KW - Systemidentifikation KW - Verbindungskoeffizienten KW - Schädigungsindikator KW - Dynamik KW - Strukturdynamik KW - wavelet KW - system identification KW - connection coefficients KW - damage indicator KW - dynamics Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040202-66 ER - TY - THES A1 - Zabel, Volkmar ED - Könke, Carsten ED - Lahmer, Tom ED - Rabczuk, Timon T1 - Operational modal analysis - Theory and aspects of application in civil engineering N2 - In recent years the demand on dynamic analyses of existing structures in civil engineering has remarkably increased. These analyses are mainly based on numerical models. Accordingly, the generated results depend on the quality of the used models. Therefore it is very important that the models describe the considered systems such that the behaviour of the physical structure is realistically represented. As any model is based on assumptions, there is always a certain degree of uncertainty present in the results of a simulation based on the respective numerical model. To minimise these uncertainties in the prediction of the response of a structure to a certain loading, it has become common practice to update or calibrate the parameters of a numerical model based on observations of the structural behaviour of the respective existing system. The determination of the behaviour of an existing structure requires experimental investigations. If the numerical analyses concern the dynamic response of a structure it is sensible to direct the experimental investigations towards the identification of the dynamic structural behaviour which is determined by the modal parameters of the system. In consequence, several methods for the experimental identification of modal parameters have been developed since the 1980ies. Due to various technical restraints in civil engineering which limit the possibilities to excitate a structure with economically reasonable effort, several methods have been developed that allow a modal identification form tests with an ambient excitation. The approach of identifying modal parameters only from measurements of the structural response without precise knowledge of the excitation is known as output-only or operational modal analysis. Since operational modal analysis (OMA) can be considered as a link between numerical modelling and simulation on the one hand and the dynamic behaviour of an existing structure on the other hand, the respective algorithms connect both the concepts of structural dynamics and mathematical tools applied within the processing of experimental data. Accordingly, the related theoretical topics are revised after an introduction into the topic. Several OMA methods have been developed over the last decades. The most established algorithms are presented here and their application is illustrated by means of both a small numerical and an experimental example. Since experimentally obtained results always underly manifold influences, an appropriate postprocessing of the results is necessary for a respective quality assessment. This quality assessment does not only require respective indicators but should also include the quantification of uncertainties. One special feature in modal testing is that it is common to instrument the structure in different sensor setups to improve the spacial resolution of identified mode shapes. The modal information identified from tests in several setups needs to be merged a posteriori. Algorithms to cope with this problem are also presented. Due to the fact that the amount of data generated in modal tests can become very large, manual processing can become extremely expensive or even impossible, for example in the case of a long-term continuous structural monitoring. In these situations an automated analysis and postprocessing are essential. Descriptions of respective methodologies are therefore also included in this work. Every structural system in civil engineering is unique and so also every identification of modal parameters has its specific challenges. Some aspects that can be faced in practical applications of operational modal analysis are presented and discussed in a chapter that is dedicated specific problems that an analyst may have to overcome. Case studies of systems with very close modes, with limited accessibility as well as the application of different OMA methods are described and discussed. In this context the focus is put on several types of uncertainty that may occur in the multiple stages of an operational modal analysis. In literature only very specific uncertainties at certain stages of the analysis are addressed. Here, the topic of uncertainties has been considered in a broader sense and approaches for treating respective problems are suggested. Eventually, it is concluded that the methodologies of operatinal modal analysis and related technical solutions have been well-engineered already. However, as in any discipline that includes experiments, a certain degree of uncertainty always remains in the results. From these conclusions has been derived a demand for further research and development that should be directed towards the minimisation of these uncertainties and to a respective optimisation of the steps and corresponding parameters included in an operational modal analysis. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2019,5 KW - Modalanalyse KW - Strukturdynamik KW - Operational modal analysis KW - modal analysis KW - structural dynamics Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20191030-40061 ER - TY - THES A1 - Huth, Olaf T1 - Ein adaptiertes Polyreferenz-Verfahren und seine Anwendung in der Systemidentifikation T1 - An adapted Polyreferenz procedure and its application in the system identification N2 - Die vorliegende Arbeit gliedert sich in das Gebiet der Systemidentifikation ein. Besonderes Augenmerk wird auf die Detektion, die Lokalisierung und die Quantifizierung von Systemveränderungen gerichtet. Für diese Ziele werden -basierend auf Schwingungsmessungen- modale Parameter sowie Ein- und Ausgangsgrößen im Frequenzbereich extrahiert. Die in dieser Arbeit entwickelte Adaption des Polyreferenz-Verfahrens beruht auf einer veränderten Bestimmung der Fundamentalmatrix mit Hilfe der verallgemeinerten Singulärwertzerlegung. Eine Vorfilterung, die eine Reduktion der Frequenzanteile im Signal bewirkt, ist dabei Voraussetzung. Diese basiert auf dem Einsatz rekursiver Filtertechiken und der einfachen Singulärwertzerlegung. Als Resultat können modale Parameter auch im Falle, wenn eng benachbarte und verrauschte Signalanteile vorliegen oder nur wenige Mess- und Anregungspunkte zur Verfügung stehen, präzise bestimmt und damit auch sehr geringe Syemveränderungen detektiert werden. Die mit dem adaptierten Polyreferenz-Verfahren extrahierten modalen Parameter werden in der Lokalisierung von Systemveränderungen eingesetzt. Zur Bestimmung modaler Parameter auch an realen Bauwerken wird die Konstruktion eines Impulshammers vorgestellt. Besonderes Gewicht wird dabei auf die Gestaltung des Erregerkraftspektrums gelegt. Die Arbeit enthält eine mögliche Vorgehensweise zum Abgleich von Finite-Elemente Modellen. In vielen praxisnahen Fällen sind weit weniger modale Parameter vorhanden, als freie, zum Abgleich bestimmte Parameter gesucht werden. Das Gleichungssystem ist schlechtgestellt und benötigt eine Regularisierung. Eine andere Möglichkeit zur Korrektur von Rechenmodellen bietet das Projektive Eingangsgrößenverfahren, das auf der Basis unvollständig gemessener Ein- und Ausgangsgrößen arbeitet. In einer Versagenswahrscheinlichkeitsstudie wird die Robustheit des Verfahrens gegenüber! Rauscheinflüssen untersucht N2 - This PhD thesis is related to the field of system identificaton focusing on detection of occurence, localisation and amount assessment of damage. This is done as well by extraction of modal parameters as input- and output residuals from vibration measurements. The presented work describes a developed adaption of the polyreference-procedure. It is based on a determination of the fundamental matrix by using the generalized singular value decomposition. A pre-filtering of the time series which kept the signals in a narrow frequenvy band higly supports this application. Two kinds of filter techniques can be combined: The classical way of recursive filter technique and the tool of the singular value decomposition. Therefore, modal parameters can be determined precisley in different cases if the data are strongly corrupted by noise, only few measuring- and excitation points are available, close-spa! ced frequency parts appear in the signal. This facts allow the detection of small structural changes in dynamic systems. The modal parameters extracted by the adapted polyreference-procedure are applied to localise the damage. For the extraction of modal parameters on real structures the construction of an impact hammer is presented with particular respect to the configuration of the excitation spectra. This work contains a possible way for a finite element model updating. In many relevant cases, if much more free parameters are searched than modal parameters are available, this problem is ill-posed and needs regularisation. The Projective Input Residual Method (PIRM) follows another way to correct computational models. It is operational on the extraction of input- and output residuals. Within a reliability study the robustness of the PIRM against noise influences is investigated. KW - Systemidentifikation KW - Bauwerk KW - Dynamische Belastung KW - Technische Überwachung KW - Langzeitverhalten KW - Modale Parameter KW - Schadensdiagnose KW - Schadensanalyse KW - Strukturdynamik KW - structural dynamics KW - system identification KW - modal parameters KW - fault diagnosis Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040202-34 ER - TY - THES A1 - Abeltshauser, Rainer T1 - Identification and separation of physical effects of coupled systems by using defined model abstractions N2 - The thesis investigates at the computer aided simulation process for operational vibration analysis of complex coupled systems. As part of the internal methods project “Absolute Values” of the BMW Group, the thesis deals with the analysis of the structural dynamic interactions and excitation interactions. The overarching aim of the methods project is to predict the operational vibrations of engines. Simulations are usually used to analyze technical aspects (e. g. operational vibrations, strength, ...) of single components in the industrial development. The boundary conditions of submodels are mostly based on experiences. So the interactions with neighboring components and systems are neglected. To get physically more realistic results but still efficient simulations, this work wants to support the engineer during the preprocessing phase by useful criteria. At first suitable abstraction levels based on the existing literature are defined to identify structural dynamic interactions and excitation interactions of coupled systems. So it is possible to separate different effects of the coupled subsystems. On this basis, criteria are derived to assess the influence of interactions between the considered systems. These criteria can be used during the preprocessing phase and help the engineer to build up efficient models with respect to the interactions with neighboring systems. The method was developed by using several models with different complexity levels. Furthermore, the method is proved for the application in the industrial environment by using the example of a current combustion engine. T2 - Identifikation und Separation physikalischer Effekte von gekoppelten Systemen mittels definierter Modellabstraktionen T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2017,1 KW - Strukturdynamik KW - Wechselwirkung KW - Schwingung KW - Berechnung KW - Numerische Berechnung KW - Modellbildung KW - Schwingungsanalyse KW - Simulationsprozess Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170314-28600 ER -