Dynamic Substructures, Vol. 4
Proceedings of the 42nd IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics 2024
- 2025
- Buch
- Herausgegeben von
- Walter D'Ambrogio
- Dan Roettgen
- Maarten van der Seijs
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dynamics of Coupled Structures, Volume 4: Proceedings of the 42nd IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics, 2024, der vierte von zehn Bänden der Konferenz versammelt Beiträge zu diesem wichtigen Bereich der Forschung und Technik. Die Sammlung präsentiert frühe Ergebnisse und Fallstudien zu grundlegenden und angewandten Aspekten der Dynamik gekoppelter Strukturen, darunter Aufsätze zu: Lineargelenke, nichtlineare Gelenke und koppelnde modale und frequenzbasierte Substrukturierung Round Robin Testbeet on Dynamic Substructuring Transfer Path Analysis and Force Estimation Interface Dynamics
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Über dieses Buch
Dynamics of Coupled Structures, Volume 4: Proceedings of the 42nd IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics, 2024, the fourth volume of ten from the Conference brings together contributions to this important area of research and engineering. The collection presents early findings and case studies on fundamental and applied aspects of the Dynamics of Coupled Structures, including papers on:
Linear Joints, Nonlinear Joints and Coupling Modal and Frequency Based Substructuring Round Robin Test Bed on Dynamic Substructuring Transfer Path Analysis and Force Estimation Interface Dynamics
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Validated Finite Element Models Representing Components Building Up the Technical Division’s Substructuring Benchmark Structure
Andreas LinderholtDas Kapitel konzentriert sich auf die Entwicklung und Validierung von Finite-Elemente-Modellen für eine Benchmark-Struktur, die von der Society of Experimental Mechanics entwickelt wurde. Die Benchmark-Struktur, bestehend aus einem Rahmen mit Gewindeeinsätzen und Platten unterschiedlicher Dicke und Materialien, repräsentiert Strukturen aus verschiedenen Bereichen wie Automobilrahmen, Rumpfstrukturen und Fußböden. Das Kapitel beschreibt die Erstellung von Finite-Elemente-Modellen mit Matlab und MSC SimXpert, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Modellierung des Rahmens mit unterschiedlichen Maschenweiten und Materialeigenschaften liegt. Die Modelle werden durch Vergleiche mit experimentellen Daten validiert, was die Bedeutung einer genauen Modellierung und der Verwendung virtueller Punkte bei der experimentellen Unterstrukturierung unterstreicht. Das Kapitel enthält auch Einzelheiten über die Montage und Prüfung der Struktur mittels berührungsloser Messungen und modaler Hammeranregung. Die Ergebnisse zeigen eine enge Korrelation zwischen den Finite-Elemente-Modellen und den experimentellen Daten, wobei einige Diskrepanzen dem Bereich zugeschrieben werden, der an den virtuellen Punkten und vollständigen Verbindungen beteiligt ist. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über das Potenzial, die Modelle mit der Untergliederungsgemeinschaft zu teilen, und den Wert der Übung bei der Förderung kollaborativen Lernens und vergleichenden Studien.KI-Generiert
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AbstractThe Society of Experimental Mechanics’ (SEM’s) Technical Division (TD) on Dynamic Substructuring recognized a need for a simpler yet challenging benchmark structure for experimental-numerical substructuring exercises. Some years ago, representatives from several research institutes formed a group that defined several desirable properties for the new benchmark structure. The outcome is a frame structure together with different plates. Together, they can represent various structures such as automotive frames, wing-fuselage structures, and building floors. The frame is made as a one-piece structure with many 10/32 tapped holes that can be used to attach other components, sensors, or excitation devices.Sandia National Labs has manufactured the benchmark structure’s components, an aluminum frame together with two rectangular aluminum wings. An exercise/challenge has been formulated. The components have been shipped to the ones that have shown interest in participating in the exercise. The idea of the exercise is to compare different strategies to tackle an experimental substructuring task, containing both decoupling and coupling, thereby learning from each other.In the exercise, the participants start with an assembly built up by the frame and the thinner of the rectangular wings. That wing should then be numerically decoupled from the fuselage. To that numerical representation of the fuselage, the thicker wing should be coupled numerically. These decoupling and coupling operations render in a numerical representation of the thicker wing attached to the fuselage—a representation which output should be compared with test data stemming from the real structure counterpart.The success of the decoupling and coupling exercises is dependent on the quality of the models of the components that are subtracted and added. Here, models of finite element representing components building up the Technical Division’s Substructuring Benchmark structure are developed. Their convergences are studied, and they are validated by test data stemming from vibration tests of the models’ hardware counterparts. -
A Characterization of the Uncertainty in Force-Controlled Testing for Aerospace Applications
Katie E. Hart, Edwina P. Lewis, Shanell J. Sinclair, Keegan J. Moore, Garrison S. Flynn, Colin HaynesDas Kapitel befasst sich mit den Fortschritten bei den Schwingungsprüfungsmethoden für Luft- und Raumfahrtanwendungen, wobei der Schwerpunkt auf kraftgesteuerten Prüfungen liegt. Es werden verschiedene Prüftechniken eingeführt, wie Multi-Input-Multi-Output-Tests, kraftbegrenzte Vibrationstests und impedanzabgestimmte Mehrachsentests. Kernstück des Kapitels ist die Charakterisierung der Unsicherheit, die durch numerische Modelle bei der kraftkontrollierten Prüfung eingeführt wird. Mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen quantifizieren die Autoren den Einfluss der Parameterunsicherheit auf die abgeleitete Kraft-Spektraldichte-Eingabe (FSD). Bei dem experimentellen Verfahren werden die Reaktionen einer Flugstruktur in einer Serviceumgebung mit denen einer Teststruktur in einer Laborumgebung verglichen, und zwar sowohl bei kraft- als auch bei beschleunigungskontrollierten Tests. Das Kapitel schließt mit einem Vergleich der Ergebnisse, in dem die Herausforderungen und potenziellen Verbesserungen bei gewaltkontrollierten Tests hervorgehoben werden. Die detaillierte Analyse der Ausbreitung der Unsicherheit und der Vergleich mit herkömmlichen Testmethoden machen dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractIn many aerospace applications, it is impossible to measure the forces, both aerodynamic and structure-borne, applied to a structure in its service environment. Furthermore, collecting service environment data requires a modified flight structure which accommodates telemetry equipment. Due to the different mechanical impedances of the shaker table and payload, the test structure experiences different loads in the test environment which can lead to over- and undertesting of the structure. Consequently, force-controlled testing may be a more desirable testing procedure as it more accurately reflects the service environment and eliminates the adverse effects caused by the differences in mechanical impedance. As part of this procedure, a numerical model is required to derive the test forces to replace the acceleration control. Determining these test forces from the model will introduce uncertainty into the flight structure’s response profile. This paper aims to quantify the uncertainty in the determination of the test forces used in the force-controlled test and the uncertainty in the test structure’s response. -
Thoughts on Using Sparse Inverse Solutions in Transfer Path Analysis
Steven CarterDas Kapitel geht den Herausforderungen der Kraftschätzung in der Transferpfad-Analyse (TPA) nach und schlägt den Einsatz spärlicher inverser Lösungen vor, um Überpassungsfehler zu mildern. Er vergleicht mehrere Regulierungstechniken, darunter den gekürzten Einzelwertabbau (TSVD), die Tichonow-Regulierung und das elastische Netz. Das elastische Netz zeichnet sich durch sein Potenzial aus, die Genauigkeit durch gleichzeitige Regulierung und variable Auswahl zu verbessern. Das Kapitel diskutiert auch die offensichtliche Nichtphysikalität der Kraftschätzungen, die sich aus der Regulierung ergeben, und betrachtet die Auswirkungen dieser Schätzungen auf die TPA-Aktivitäten. Das Beispielproblem und die Ergebnisse werden präsentiert, um die Wirksamkeit der verschiedenen Regulierungstechniken zu veranschaulichen, wobei der Schwerpunkt auf der Leistung des elastischen Netzes liegt. Die Diskussion schließt mit dem Vorschlag weiterer Forschungen zu den Ursachen der Überanpassung und dem potenziellen Einsatz regulierter Schätzungen von Streitkräften für traditionelle TPA-Aktivitäten.KI-Generiert
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AbstractOverfitting appears to be a common problem in inverse force estimation, which leads to forces that have erroneously high amplitudes. As such, overfitting negatively impacts the predictive capability of the transfer path analysis (TPA) model, especially in component-based TPA. Sparse inverse solutions have recently been shown as a potential method for mitigating these overfitting errors when traditional methods (i.e., Tikhonov regularization and singular value truncation) fail. Overfitting is reduced via the variable selection feature of the sparse solution, where “inappropriate” inputs (which contribute to overfitting) are identified and eliminated from the inverse problem. However, sparse solutions come at the cost of apparent nonphysicality in the estimated forces (where forces are activated/deactivated on a frequency-by-frequency basis), leading to suspicions about the applicability of the methods. This paper will discuss the apparent nonphysicality inherent to sparse inverse solutions while making comparisons to how the traditional methods also modify the inverse source-estimation problem in potentially nonphysical ways. Further, the advantages and disadvantages of the different inverse methods will be discussed to help understand the applicability of sparse inverse solutions in TPA. -
Estimating Linear Joint Stiffness and Damping Using a Frequency-Based Optimization Framework and the Emerging Concept of DyDis
Marie Brons, Francesco Trainotti, Daniel J. RixenDieses Kapitel stellt eine bahnbrechende Methode zur Schätzung der linearen Fugensteifigkeit und -dämpfung in dynamischen Systemen unter Verwendung eines frequenzbasierten Optimierungsrahmens vor. Die wichtigste Innovation ist die Integration von Dynamic Disturbance (DyDis) Frequenzreaktionsfunktionen (FRFs) mit original ungestörten FRFs. Durch Zugabe einer kleinen Masse am Gelenk verursacht DyDis eine Verschiebung der Resonanz und liefert so unabhängige Informationen über das System. Der Optimierungsrahmen, der auf einem nichtlinearen Maximum a posteriori basiert, minimiert die Diskrepanz zwischen gemessenen und vorhergesagten Reaktionen und reguliert das Verfahren, um unphysikalische Werte zu vermeiden. Die Neuheit liegt im DyDis-Konzept, das die Identifizierung gemeinsamer Parameter durch die Gewichtung von Frequenzlinien verbessert, in denen die größten Unterschiede zwischen den Datensätzen gefunden werden. Der Ansatz wird durch eine Studie über ein System mit mehreren Freiheitsgraden validiert, die verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden aufzeigt. Dieses Kapitel bietet einen umfassenden Leitfaden zur Nutzung von DyDis für eine genauere und robustere Schätzung von Verbindungsparametern in komplexen dynamischen Systemen.KI-Generiert
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AbstractAccurate estimation of stiffness and damping of linear bolted joints is a challenge. Commonly employed approaches using frequency-based substructuring techniques can fail if the measurement quality is not good enough. Even a minimal noise level can significantly impact the accuracy of estimations due to matrix inversions. This study proposes a novel approach that combines an optimization framework utilizing frequency-based substructuring with the emerging concept of Dynamic Disturbance (DyDis) to enhance the robustness of linear bolted joint parameter estimation. -
Linear Joint Identification for Frictional Rotor Shaft-to-Hub Connections Using Frequency-Based Substructuring
Michael Kreutz, Daniel J. RixenDas Kapitel konzentriert sich auf die experimentelle Bestimmung der Steifigkeit von reibenden Rotor-Welle-Nabe-Verbindungen mittels frequenzbasierter Unterstrukturierung. Es wird das Konzept der linearen Gelenkidentifikation eingeführt, bei dem die Gelenkdynamik von Messungen getrennt und ein einfaches physikalisches Modell parametrisiert wird. Die Methodik umfasst den Entwurf einer Teststruktur und eines Versuchsaufbaus, die Anwendung virtueller Punkttransformation für die Projektion von Messungen und den Einsatz sowohl ursprünglicher Entkopplungs- als auch inverser Substrukturtechniken. Die Ergebnisse werden durch die Rekonstruktion der Dynamik der Testgruppe und den Vergleich mit gemessenen FRFs validiert. Das Kapitel beleuchtet die Herausforderungen und Grenzen der Methode, insbesondere die hohe Steifigkeit der Kegelspannelemente, und schlägt zukünftige Forschungsrichtungen vor, darunter die Anwendung des identifizierten Gelenkmodells auf ganze Rotorsysteme und die Berücksichtigung von Dämpfungseffekten.KI-Generiert
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AbstractHubs, bearings, and other rotor components can be connected to rotor shafts with connections that are mechanically locked, friction-based, bonded, or a combination of these. In order to create accurate, predictive models of rotor systems, the stiffness and damping or the dynamics of these connections must be known in advance.Substructuring techniques provide methods for the identification of linear joints. Linear joint identification techniques have been presented for some engineering connections like bolted joints or rubbers.This contribution presents a workflow to identify shaft-to-hub connection dynamics on the example of a friction-based connection via cone clamping elements. A system with two parts connected by the clamping element is designed, and frequency response functions (FRFs) are measured on the assembly and on the individual parts. Using a virtual point transformation, the dynamics are projected in a collocated connection point in 6 degrees of freedom, and quasistatic and dynamic substructuring is used to isolate the connection element. Stiffness is identified from the isolated joint. The methodology is validated by comparing resynthesized FRFs on the test structure, giving good agreement for some directions. -
Investigation of Isolated Branches in Nonlinear Oscillators Using Real-Time Hybrid Testing
A. Mario Puhwein, Markus J. HochrainerDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung von Echtzeit-Hybridtests (RTHT) zur Untersuchung isolierter Zweige nichtlinearer Oszillatoren. Er diskutiert die Grundlagen der RTHT, ihre Vorteile und die entscheidenden Aspekte wie die Qualität des Simulationsmodells und die Schnittstelle zwischen virtuellen und physischen Modellen. Die Studie konzentriert sich auf eine Struktur-Absorber-Konfiguration und modelliert das System als modifizierten Duffing-Oszillator. Die Bewegungsgleichungen werden mit der Methode des harmonischen Gleichgewichts gelöst, und die Frequenzantwortfunktionen werden mit Pfadfolgealgorithmen bestimmt. Die experimentelle Verifizierung isolierter Zweige wird in einem RTHT-Setup durchgeführt, das die praktischen Implementierungs- und Kontrollstrategien aufzeigt, die für erfolgreiche Tests notwendig sind. Das Kapitel bietet auch Einblicke in den Design- und Implementierungsprozess von RTHT, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die an fortschrittlichen Prüfmethoden für nichtlineare Systeme interessiert sind.KI-Generiert
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AbstractComplex interactions of nonlinear structures often lead to diverse and unexpected effects. Phenomena like isolated branches typically occur at moderate to high vibration amplitudes. Even in numerical simulations, they are difficult to detect, and commonly path following strategies are used to determine a bifurcation point on the isolated branch. The majority of numerical investigations assume steady state conditions, and modifications in the system or excitation parameters are carried out carefully. However, many common concepts for numerical simulations are not available in experimental dynamic testing. Even for single degree of freedom systems, laboratory experiments of nonlinear structures are rather demanding because clearly defined nonlinearities are difficult to provide and identify. In this work, a Duffing type absorber is constructed and the required nonlinear forces are provided by permanent magnets. It is coupled to a host structure, which is also modeled as single degree of freedom Duffing oscillator. However, the model of the host structure is purely virtual, and realistic testing of the absorbing effects is obtained by a real-time hybrid testing approach. Assuming proper coupling, the absorber can be tested under very realistic conditions, and the concepts known from numerical investigations can be adapted to the proposed experimental setup. It is important that the coupled systems remain in steady state and therefore adjustments in the excitation are made slowly. Once a desired configuration is reached, neighboring points can be studied by adapting either the excitation amplitude or the excitation frequency. However, the physical system must remain on stable branches; thus, only the stable part of an isolated region can be reached. The experimental results indicate a very high sensitivity with respect to changes in amplitude, forcing, and nonlinear parameters, and therefore clearly defined laboratory conditions are essential. So far, the real-time hybrid testing results agree well with theoretical predictions and confirm that stable branches of nonlinear dynamic systems can be investigated using the proposed method. -
Effects of Rarefied Atmosphere on Radiation Damping in an Aluminum Euler Beam
Joshua T. Mills, Peter K. Jensen, Micah R. ShepherdDas Kapitel geht den komplizierten Auswirkungen der verdünnten Atmosphäre auf die Strahlungsdämpfung in einem Aluminium-Euler-Strahl nach. Es stellt einen innovativen Versuchsaufbau vor, der darauf ausgelegt ist, die Dämpfung von Randbedingungen und die Dämpfung akustischer Strahlung zu minimieren. Die Studie misst die Dämpfung eines 6061-Aluminiumstrahls bei verschiedenen Vakuumdrücken und vergleicht die Ergebnisse mit theoretischen Modellen wie der Zener-Gleichung für Thermoelastizität. Die Ergebnisse zeigen Dämpfungsverhältnisse mit einer Genauigkeit von 10%, die deutlich niedriger sind als die bisher gemeldeten Werte. Hervorgehoben wird auch die nichtlineare Beziehung zwischen Dämpfung und Vakuumdruck im Gegensatz zu der von Edberg beobachteten linearen Beziehung. Dieses Kapitel ist ein bedeutender Beitrag auf diesem Gebiet und bietet eine vereinfachte und effektive Methode für hochpräzise Dämpfungsmessungen, die den Weg für zukünftige Studien über verschiedene Materialien und externe Faktoren ebnet.KI-Generiert
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AbstractVehicles in the upper atmosphere travel through increasingly rarefied media. As acoustic radiation is dependent upon its media, acoustic radiation losses of vibrating structures in lower density air are investigated. An aluminum Euler beam is placed in a vacuum chamber, supported by thin nylon wires at known nodal positions, according to the excited mode. These strings are laced across a large cavity in a small steel table, effectively minimizing losses due to boundary supports. An impulse hammer excites the beam into its flexural state, while a laser vibrometer measures the velocity response. Extraction of mechanical loss factors occurs as the vacuum pressure increases (atmospheric pressure decreases) in experimental increments, thus determining the dependence of acoustic radiation losses on the rarefied media. Analysis of experimental results is presented as a topic of discussion for vibrations of launch vehicles and satellites. Other inferences and inductions are also considered. -
Different Displacement Reduction Spaces for the Use in Admittance-Based TPA Methods
Domen Ocepek, Francesco Trainotti, Gregor Čepon, Daniel J. Rixen, Miha BoltežarDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung zulassungsbasierter TPA-Methoden zur Charakterisierung des Schwingungstransfers in zusammengesetzten Bauteilen. Sie führt das Konzept der allgemeinen Verschiebungen ein, die durch die Projektion gemessener Verschiebungen in verschiedene repräsentative Teilräume erzielt werden. Dieser Ansatz hilft, redundante und fehleranfällige dynamische Informationen herauszufiltern und damit die Genauigkeit und Übertragbarkeit äquivalenter Kräfte zu verbessern. Das Kapitel vergleicht drei etablierte Reduktionsgrundlagen - Singular-Modi, Physical-Modes und Interface-Deflection-Modes - und demonstriert ihre Wirksamkeit anhand einer experimentellen Fallstudie. Die Ergebnisse unterstreichen die Vorteile des projektionsbasierten Ansatzes bei der Verringerung der Fehlerverstärkung und der Verbesserung der Konsistenz der vorhergesagten Reaktionen, was ihn zu einem wertvollen Beitrag im Bereich der Schwingungsanalyse und der TPA macht.KI-Generiert
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AbstractWhen determining critical paths for transmission of sound and vibration in assembled products, transfer path analysis (TPA) is a reliable and effective tool. TPA represents a source with a set of forces that replicate the operational responses. The indirect determination of the forces at the interface is commonly performed using an inverse procedure; however, admittance-based TPA methods are often strongly influenced by imperfect measurements. Given that the condition number of the transfer path admittance is high, this can lead to severe error amplification in the equivalent (also known as blocked) forces. In order to overcome this problem, regularization techniques such as singular value truncation or Tikhonov regularization are usually suggested. These techniques generally improve the accuracy of the determined interface forces but provide little insight into what is the actual source of errors.In this chapter, we investigate the benefits of projecting measured displacements into various representative subspaces in the scope of admittance-based TPA methods. In particular, a comparative investigation of three established reduction bases using singular, physical, and interface deflection modes is conducted. The definition of the reduced subspace using different sets of modes assures only dynamic information, which is relevant and dominant for the measured configuration, is retained after the reduction. Hence, badly observed dynamic, commonly dominated by measurement errors, is effectively filtered out. The main point of interest of this study is the effect of projecting measured displacements to the reduced domain on the transferability of the equivalent forces. The feasibility of all approaches is supported by an experimental case study, which can guide the reader in selecting a suitable approach for their specific needs. -
Expansion Techniques in the Modal Domain: Practical Implementation of M-SEMM and Comparative Study with SEREP
Miha Pogačar, Gregor Čepon, Miha BoltežarDieses Kapitel vertieft die Implementierung von M-SEMM, einer modalen Formulierung von SEMM, und vergleicht ihre Leistung mit der traditionellen SEREP-Methode. Der Schwerpunkt liegt auf der Erweiterung von Modellen, die räumlich spärlich sind, aber eine hohe Modaldichte aufweisen. Eine Fallstudie zeigt die Effizienz und überlegene Leistung von M-SEMM in Szenarien mit begrenzten experimentellen Daten. Das Kapitel bietet einen detaillierten Überblick über äquivalente Modelle, mathematische Formulierungen und Python-Code für die Implementierung, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die ihr Verständnis hybrider dynamischer Modellierung im modalen Bereich verbessern wollen.KI-Generiert
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AbstractSystem equivalent model mixing (SEMM) is a substructuring-based dynamic expansion method that has recently undergone reformulation for its application in the modal domain, resulting in M-SEMM. This chapter aims to present the practical aspect of the method, beginning with a concise overview of the implementation-relevant equations. Subsequently, we introduce a substructuring laboratory testbench, for which a full-field response is obtained by laser scanning vibrometer. Different expansion case studies are examined, showcasing the capabilities of M-SEMM. Additionally, the performance of the method is compared to one of the most established expansion methods in the modal domain, system equivalent reduction/expansion process (SEREP). The results highlight the practicality and potential of M-SEMM as a novel modal expansion method. -
Comparing Frequency-Based and Modal-Based Substructuring on the Dynamic Substructuring Round Robin Benchmark
Francesco Trainotti, J. Qi, D. J. RixenDas Kapitel "Comparing Frequency-Based and Modal-Based Substructuring on the Dynamic Substructuring Round Robin Benchmark" untersucht den Vergleich zweier prominenter Substrukturierungsmethoden: frequenzbasierte Substrukturierung (LM-FBS) und modale Substrukturierung (p-CMS). Beide Methoden werden anhand eines dynamischen Round Robin Benchmarks für die Unterstrukturierung bewertet, der eine flexible Schnittstellenverbindung vorsieht. Die Studie beleuchtet die kritische Phase der Behandlung von Grenzflächendynamiken und betont den Einsatz von kompatibilitätsschwächenden Strategien wie Singular Vector Transformation (SVT) und physikalischen Modi. Das Kapitel stellt eine detaillierte theoretische Ableitung der Strategien zur Unterstrukturierung vor, gefolgt von numerischen und experimentellen Anwendungen. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden zufriedenstellende Vorhersagen liefern, wobei LM-FBS bei niedrigen Frequenzen eine gewisse Fehlerhaftigkeit aufweist. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der Äquivalenz der Methoden und der Bedeutung der Abschwächung der Kompatibilität für eine erfolgreiche experimentelle Kopplung und Entkopplung.KI-Generiert
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AbstractDynamic substructuring enables to analyze the dynamics of complex systems on a substructure level. In experimental context, a successful substructuring prediction relies on reliable and accurate measurement acquisitions, as well as proper design of experiments and description of the interface dynamics. Depending on the quality and quantity of information stored, system dynamics, frequency range of interest, and interface connection, several strategies based on directly estimated transfer functions or identified modal properties may be adopted. In this chapter, a frequency-based substructuring and a modal-based substructuring approach are compared on a coupling prediction of a continuous/flexible-like connection on the SEM dynamic substructuring round robin testbed. The focus is on measurement setup (e.g., design of experiments, etc.), experimental modeling of the interface (e.g., discretization, reduction basis, additional fixtures, etc.), and data processing (e.g., filtering, selection, reconstruction\(\ldots \)) to ensure a robust substructuring prediction given the assembly configuration and dynamics. Benefits and drawbacks of the applied strategies, as well as key assumptions and methodological differences, are highlighted. Both a numerical and an experimental application are presented. -
Nonlinear Subcomponent Attachments for the Technical Division on Dynamic Substructuring Benchmark Structure
Andreas Linderholt, Daniel R. Roettgen, Benjamin MoldenhauerDas Kapitel befasst sich mit der Einbindung nichtlinearer Subkomponenten in dynamische Unterkonstruktionsbenchmark-Strukturen, wobei der Schwerpunkt auf Gummischwingungsdämpfungslagern und modularen Flügelkonstruktionen liegt. Er skizziert Testmethoden wie Schlaghammer und Modal Shaker Tests, um erzwungene Antwortdaten aufzuzeichnen. Der Einsatz nichtlinearer Systemidentifikationstechniken wie der Methode zur Wiederherstellung der Kraftoberfläche (RFS) und quasi-linearer kleinster Quadrate (QL-LSQ) wird hervorgehoben, um beobachtete Nichtlinearitäten zu quantifizieren. In diesem Kapitel werden auch die Herausforderungen und die Bedeutung einer präzisen Vorhersage nichtlinearen Verhaltens in substrukturierten Systemen diskutiert und die Zusammenarbeit und der Austausch von Ideen innerhalb der technischen Gemeinschaft gefördert.KI-Generiert
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AbstractResearch focus on experimental dynamic substructuring has grown in recent years in both academic and industrial interests. Progress continues for both component mode synthesis and frequency based substructuring methods with a heightened interest around the nonlinearities that come about in interfaces often found in dynamic substructuring examples. Many examples of substructuring decouple structures at the interface where sources of nonlinear damping and stiffness may occur, and some, like the transmission simulator method, instead mass-load the interface. A clear path to incorporate these interface nonlinearities is a true challenge for the substructuring community.In recent years, the Society of Experimental Mechanics’ (SEM’s) Technical Division on Dynamic Substructuring recognized a need for a simple yet challenging benchmark structure for experimental-analytical substructuring collaborations as compared to previous benchmark structures (Mayes, An introduction to the SEM substructures focus group test bed – The Ampair 600 Wind Turbine. In topics in experimental dynamics substructuring & wind turbine dynamics, Jacksonville, FL, 2012; Harvie and Avitable, Comparison of some wind turbine blade tests in various configurations. In Proceedings from the 30th International Modal Analysis Conference, Orlando, FL, 2012; Roettgen and Mayes, Ampair 600 wind turbine 3-bladed assembly substructuring using the transmission simulator method. In Proceedings from the XXXIII IMAC Conference, Orlando, FL, 2015). A team with members from many research institutes set out from several desirable properties and a unit-frame structure was designed as a benchmark for current collaborative efforts detailed in (Roettgen and Linderholt, Planning of a black-box benchmark structure for dynamic substructuring. In International Modal Analysis Conference 37, 2019). The benchmark structure is built up by a frame with threaded inserts that is bolted to plates of varying thickness and materials. When assembled, this structure can span a diverse application space of substructuring techniques. Previous endeavors with this benchmark have been focused on testing different methods of linear substructuring as well as collaborating in the development of different methods. The next steps in this challenge aim to direct the community at different nonlinear substructuring challenges that can be studied using the four-unit frame from the benchmark structure. This abstract highlights three potential nonlinear adaptations of the benchmark structure, where drawings and data for these options will be made available on the dynamic substructuring Wiki prior to the IMAC conference. -
pyFBS: A Python Package for Frequency-Based Substructuring
Miha Kodrič, Domen Ocepek, Miha Pogačar, Francesco Trainotti, Tomaž Bregar, Ahmed El Mahmoudi, Gregor Čepon, Miha Boltežar, Daniel RixenDas Kapitel stellt pyFBS vor, ein Open-Source-Python-Paket, das für frequenzbasierte Unterstrukturierungen entwickelt wurde. Es geht auf die jüngsten Fortschritte des Pakets ein, einschließlich modellbasierter Erweiterungstechniken wie SEREP und M-SEMM, die die dynamischen Eigenschaften unermesslicher Freiheitsgrade verbessern. Das Kapitel hebt auch die Hinzufügung eines multireferenziellen Modalidentifikationswerkzeugs und von Tutorials zur linearen Identifizierung von Gelenken mittels Substrukturierungstechniken hervor. Diese Entwicklungen erweitern den Anwendungsbereich von pyFBS und machen es zu einem vielseitigen Werkzeug für Ingenieure und Forscher im Bereich der Strukturdynamik. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die laufende Entwicklung und zukünftige Anwendungen von pyFBS, wobei das Potenzial für Forschung und praktische Anwendung betont wird.KI-Generiert
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AbstractpyFBS is a Python package for frequency-based substructuring, transfer path analysis, and also, as new additions, multi-reference modal identification and a variety of different expansion techniques. It enables the user to use state-of-the-art dynamic substructuring methodologies in an intuitive manner. With the package also basic and application examples are provided, together with real datasets, so you can directly try out the capabilities of the pyFBS. It is not only currently being used by several undergraduate students and postgraduate researchers but also offers great potential in various industrial projects. Within this chapter, a short recap of pyFBS capabilities is presented, and plans for the future goals are set. The pyFBS team plans to share the most advanced tools and methods in the field of dynamic substructuring and transfer path analysis. The goal is to create a common working base for scientists interested in this topic. -
Inverse Source Estimation Tools in SDynPy, an Open-Source Python Package
Steven Carter, Daniel RoheDas Kapitel behandelt signifikante Verbesserungen der Werkzeuge zur inversen Quellenschätzung (ISE) in SDynPy, einem Open-Source-Python-Paket für strukturelle Dynamik. Es konzentriert sich auf die Einführung neuer inverser Methoden sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich sowie auf Visualisierungstools, um die Auswirkungen von Matrixkonditionierungsschemata auf Frequenzantwortfunktionen (FRFs) zu verstehen. Das Kapitel enthält auch ein hochrangiges Theoriedokument für die Codes und ein grundlegendes Beispiel, um den Benutzern zu helfen, mit dem Paket zu beginnen. Die Verbesserungen zielen darauf ab, den Anwendern mehr Flexibilität und Kontrolle bei der Durchführung von ISE zu geben, was das Paket für erfahrene Anwender und Einsteiger gleichermaßen zugänglicher und leistungsfähiger macht.KI-Generiert
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AbstractSDynPy is an open-source Python package that was introduced to the community at IMAC XLI. To help mature the package for transfer path analysis and MIMO test simulation, several additions have been made to the inverse source estimation tools. Another goal was to make inverse methods more approachable for less experienced engineers. The main additions to the package include a more complete suite of inverse methods, time domain methods, and visualization tools to understand the effects of matrix conditioning schemes on the frequency response functions. This paper will go over the available methods and provide a brief tutorial for using the tools. -
A Genetic Algorithm-Based Approach for Designing a Fixture That Preserves the Desired Dynamics of a Connecting Part
Janette J. Meyer, Ray Joshua, Pranav M. Karve, Sankaran Mahadevan, Douglas E. AdamsIn diesem Kapitel wird ein auf genetischen Algorithmen basierender Optimierungsansatz für die Entwicklung von Testvorrichtungen vorgestellt, die die gewünschte Dynamik eines Bauteils in Luft- und Raumfahrtsystemen erhalten. Die Methode adressiert die Herausforderungen der Dauerhaltbarkeitsprüfung auf Systemebene, indem sie Randbedingungen auf Systemebene während der Prüfung auf Komponentenebene simuliert. Der Ansatz wird anhand der Box Assembly with Removable Component (BARC) demonstriert, bei der das Ziel darin besteht, eine Halterung zu konstruieren, die die Dynamik des herausnehmbaren Bauteils wiedergibt, wenn es Teil der Gesamtmontage ist. Der Optimierungsprozess umfasst die Unterteilung eines generischen Designvolumens in kleinere Teilvolumina und die Zuordnung von Materialeigenschaften zu jedem Teilvolumen. Der genetische Algorithmus iteriert auf diesen Materialeigenschaften, um ein optimales Design zu finden, das der Zieldynamik entspricht. Das Kapitel stellt den Aufbau, die Analyse und die Ergebnisse des Problems vor und zeigt, dass das optimierte Vorrichtungsdesign eng mit den Eigenfrequenzen und Modus-Formen der Zielkomponente übereinstimmt. Die Ergebnisse deuten auf das Potenzial des auf genetischen Algorithmen basierenden Optimierungsansatzes für die Entwicklung effektiver Testvorrichtungen hin und unterstreichen die Bedeutung dieser Methode für die Verbesserung der Haltbarkeitstests in Luft- und Raumfahrtsystemen.KI-Generiert
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AbstractComplex aerospace systems are often more than just the sum of their parts. When tested individually, each component of the system has a certain dynamic response characterized by natural frequencies, mode shapes, and, for durability testing, failure modes. However, when assembled, this response often changes due to the added boundary conditions and interfaces. This change makes durability testing at the component level difficult because the failure modes observed may not be representative of those that will occur at the system level. Performing durability testing at the system level can be an even greater challenge due to difficulties accessing the connecting components, inaccessible proprietary design specifications, and different design timelines for the various components of the system. To overcome these challenges and perform meaningful, accurate durability testing, there is a need to simulate system-level boundary conditions during component-level testing. In this chapter, a genetic algorithm-based optimization approach is proposed to design a fixture for a component-level test that preserves the dynamics of the component determined while it is in the full assembly. It is assumed that the system-level dynamics of the component are known, but the boundary conditions and dynamics of the connecting parts are unknown.To demonstrate the potential of this approach, the Box Assembly with Removable Component (BARC) is used to represent a system, where the top component is the component of interest. The dynamics of the top component were determined while it was installed in the full BARC using modal analysis. These natural frequencies and mode shapes were the target values used to evaluate an optimized fixture design. A finite element model of the BARC was developed, where the large box component was replaced with a “fixture,” represented by a generic design volume. The properties (density and modulus values) throughout the design volume were the parameters of the optimization problem, where the goal was to match the dynamics of the top component when attached to the optimized fixture to the target values, determined while the top component was installed in the BARC. The result of this approach produced a fixture design in which the first five natural frequencies of the top component were all within \(11\%\) of the target values, and three of the first five modal assurance criterion (MAC) values were greater than 0.8. -
Modeling Bolted Joints in the S4 Beam at Various Preloads with Discrete Iwan Elements
Suzanna Gilbert, Carson Wynn, Cameron Stoker, Jacob Capito, Samuel Clawson, Matthew S. AllenDas Kapitel befasst sich mit der Modellierung von Schraubverbindungen im S4-Träger unter Verwendung diskreter Iwan-Elemente, wobei die nichtlinearen Dämpfungs- und Frequenzcharakteristika bei verschiedenen Vorspannungen erfasst werden. Es präsentiert eine gründliche Studie mit Messungen, die bei verschiedenen Vorbelastungen von 30 Pfund bis 1500 Pfund durchgeführt wurden. Die Forschung konzentriert sich auf die Evolution von Iwan-Parametern mit zunehmender Vorspannung, wobei die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Parametern und ihre Auswirkungen auf die Genauigkeit des Modells hervorgehoben werden. Die Studie diskutiert auch die Herausforderungen bei der Modellierung von Makroslippenregimen und die Notwendigkeit weiterer Forschung, um die Auswirkungen der Vorbelastung auf das gemeinsame Verhalten vollständig zu verstehen. Die Ergebnisse bieten vielversprechende Einblicke in die Entwicklung eines vorspannungsabhängigen Iwan-Modells für technische Anwendungen.KI-Generiert
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AbstractPrior works [i.e., Lacayo and Allen, MSSP, 2019] have used discrete four-parameter Iwan elements to capture the localized energy dissipation and loss of stiffness that is experienced near bolted interfaces. Those works have validated that approach by inserting these joint models into a structural model and then verifying that it accurately captures how the natural frequency and damping of one mode of the structure vary with vibration amplitude. Those studies were limited to only a single level of preload in the joint. If this were to be used as an empirical means of modeling structures, one would need to know how the Iwan parameters of the joints vary with preload and to verify that the method is effective in a wider range of scenarios. This work explores this issue in more detail, seeking to ascertain whether a library of Iwan elements can be identified that capture a structure with two bolts when those bolts have a range of different preloads. Measurements were acquired from the S4 beam [Singh et al., IMAC, 2018] at various preloads and with a few permutations of the preloads. A finite-element model was then created with rigid-bar spiders that reduce the joint to a single pair of nodes, and Iwan elements were inserted between those to model the slip in the joint. The model was tuned to capture each set of measurements, to understand how the Iwan elements vary with bolt preload. The results presented show how the Iwan parameters evolve as preload is increased and also how the frequency and damping versus amplitude evolve over a wide range of preload and response amplitude.
- Titel
- Dynamic Substructures, Vol. 4
- Herausgegeben von
-
Walter D'Ambrogio
Dan Roettgen
Maarten van der Seijs
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-68897-3
- Print ISBN
- 978-3-031-68896-6
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-68897-3
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