Untersuchungen zur modalen Superposition für die a priori Detektion versagenskritischer Regionen dynamisch beanspruchter Strukturen

Autor: Strzalka, Carsten
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2023
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-17539
Popis: The reliable design of structures and components under dynamic loading is increasingly becoming the focus of daily industrial application. The often thin-walled structures of modern lightweight design, resulting from optimisation processes, tend to be more sensitive to dynamic stress and failure. As the fatigue failure of dynamically loaded structures is mostly a localised phenomenon, the structural regions relevant for detailed stress analysis and experimental validation are often unknown in advance and need to be estimated by expensive numerical investigations. Great potential for reducing the numerical effort emerges, if the classical strength verification process is extended not to the evaluation of whether a structure can withstand the applied loading but to the evaluation of which structural regions require a more detailed consideration and if these statements can be made qualitatively, but in advance, i.e., a priori. The a priori identification of these structural areas thus represents the main objective of the present work. The basis of the presented investigations is the approximation of the dynamic stress state of discretised structures using mode superposition techniques. As fundamental dynamic properties, the elastic eigenmodes of a structure are determined in the early stages of product development. Based on the modal stress derived from the system’s eigenvectors and the frequency domain solution of the equations of motion in modal space, the present work documents comprehensive investigations on the approximation of the modal contributions to dynamic stress fields. By detailed consideration of the influences of load configuration and frequency content as well as the normalisation of eigenvectors and modal stress quantities, weighting coefficients for the a priori superposition of modal stress fields are developed for force- and base-excited systems. Parameters from classical fatigue analysis are applied for automated detection of failure-critical structural regions. Validation is performed on complex industrial models as well as by extensive experimental investigations. Both the dynamic stress field and potential failure locations are estimated reliably and conservatively. The required input is limited to the system’s eigenvectors and basic loading information, that is, statements about failure-critical structural regions can be made before complex numerical calculations are performed. The detailed analysis of the dynamic strength as well as possible experimental validations can thus be reduced to only fractions of the global system
Die zuverlässige Auslegung von Strukturen und Bauteilen vor dem Hintergrund dynamischer Beanspruchungen rückt zunehmend in den Fokus der täglichen industriellen Anwendung. Die aus Optimierungsprozessen resultierenden, häufig dünnwandigen Strukturen des modernen Leichtbaus zeigen dabei oft eine höhere Empfindlichkeit gegenüber dynamischer Belastung und Versagen. Stellt das Ermüdungsversagen dynamisch beanspruchter Strukturen i. d. R. ein lokal begrenztes Phänomen dar, sind die für detailliertere Analysen und experimentelle Validierung relevanten Strukturbereiche im Voraus oft unbekannt und müssen durch aufwendige numerische Untersuchungen abgeschätzt werden. Es zeigt sich hierbei ein großes Potenzial zur Reduktion des numerischen Aufwandes, wenn die klassische Problemstellung, ob eine Struktur den vorgesehenen Belastungen standhält, um die Fragestellung erweitert wird, welche Strukturbereiche einer detaillierteren Betrachtung bedürfen und Aussagen hierzu zwar qualitativ, jedoch im Vorfeld, d. h. a priori getroffen werden können. Die a priori Detektion dieser, im Folgenden als versagenskritisch bezeichneten Strukturregionen, stellt damit das Kernziel der vorliegenden Arbeit dar. Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet die Approximation des dynamischen Beanspruchungszustandes diskretisierter Strukturen auf Basis modaler Superpositionsprinzipien. Als grundlegende dynamische Eigenschaften werden die elastischen Eigenformen einer Struktur bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung bestimmt. Auf Grundlage der aus den Eigenvektoren abgeleiteten modalen Beanspruchungsgrößen sowie der Frequenzbereichslösung der Bewegungsgleichung im Modalraum dokumentiert die vorliegende Arbeit umfassende Untersuchungen zur Approximation der modalen Anteile dynamischer Beanspruchungsfelder. Durch die detaillierte Betrachtung der Einflüsse von Lastkonfiguration und Anregungsspektrum sowie der Normierung von Eigenvektoren und modalen Beanspruchungsgrößen erfolgt die Entwicklung von Wichtungskoeffizienten für die a priori Überlagerung modaler Beanspruchungsfelder für kraft- und fußpunkterregte Systeme. Zur automatisierten Detektion versagenskritischer Strukturregionen werden Kenngrößen der klassischen Lebensdaueranalyse herangezogen. Die Validierung der getroffenen Annahmen erfolgt an komplexen Simulationsmodellen aus dem industriellen Umfeld sowie durch ausführliche experimentelle Untersuchungen. Sowohl dynamisches Beanspruchungsfeld als auch potenzielle Versagensorte werden dabei zuverlässig und konservativ abgeschätzt. Die erforderlichen Eingangsgrößen beschränken sich auf die Eigenformen des Systems und grundlegende Lastinformationen, was Aussagen zu versagenskritischen Strukturregionen vor der Durchführung aufwendiger numerischer Berechnungen, d. h. a priori, ermöglicht. Die detaillierte Analyse der dynamischen Festigkeit sowie etwaige experimentelle Validierungen können damit auf wenige Teilbereiche des Gesamtsystems reduziert werden.
Databáze: OpenAIRE
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