Strukturdynamik

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung

In den letzten Dekaden hat die Bedeutung der Strukturdynamik im industriellen Bereich stetig zugenommen. Strukturdynamische Anwendungen erstrecken sich heutzutage über viele Sektoren, ausgehend vom Luft- und Raumfahrtbereich über den Fahrzeugbau, den Anlagen- und Werkzeugmaschinenbau sowie die Fördertechnik bis hin zum allgemeinen Ingenieurbau. Das Spektrum von strukturdynamischen Effekten ist sehr breit, es umfasst den Bereich der niederfrequenten Schwingungen ebenso wie den Bereich der hochfrequenten Vibrationen von mechanischen Systemen.

Raymond Freymann

Kapitel 2. Beschreibung von Schwingungen

Zusammenfassung

Unter Schwingung versteht man einen Vorgang, bei dem sich eine “Größe” mit der Zeit verändert. Dabei handelt es sich in der Technik meistens um eine physikalische Größe, wie z.B. eine Verschiebung, Kraft, elektrische Spannung oder Temperatur. Je nach Merkmalen der zeitlichen Veränderungen werden die Schwingungen als harmonisch, periodisch, fast periodisch, transient oder stochastisch bezeichnet (Bild 2.1). Im Folgenden werden wir uns weitestgehend mit harmonischen Schwingungen befassen.

Raymond Freymann

Kapitel 3. Der Einmassenschwinger

Zusammenfassung

Der Einmassenschwinger (EMS) ist das einfachste schwingungsfähige mechanische System. Es besteht aus einer trägen Masse m, einer Feder mit der Steifigkeit c und einem geschwindigkeitsproportionalem Dämpferelement mit dem Kennwert d (Bild 3.1). Die schwingungsanalytische Behandlung des EMS ist von Bedeutung, weil viele kompliziertere Schwingungsprobleme auf dieses einfache Beispiel zurückgeführt werden können.

Raymond Freymann

Kapitel 4. Zwei- und Mehrmassenschwinger

Zusammenfassung

Die Praxis zeigt, dass viele Konstruktionen, wegen ihres komplexeren Aufbaus, dynamisch nicht auf den Einmassenschwinger als Ersatzsystem zurückgeführt werden können. Vielfach bedarf es eines Mehrmassenschwingersystems zur Beschreibung des komplizierteren dynamischen Verhaltens.

Raymond Freymann

Kapitel 5. Finite-Elemente-Beschreibung von strukturdynamischen Systemen

Zusammenfassung

Im vorhergehenden Kapitel wurde gezeigt, wie durch zunehmende Verfeinerung des mathematischen Modells eine immer genauere Beschreibung des Schwingungsverhaltens eines Flugzeug-Fahrwerk-Systems erreicht wurde. Bei der Behandlung dieses Beispiels wurde bisher davon ausgegangen, dass es sich bei der Flugzeugzelle um einen starren Körper handelt. In Realität ist das aber nicht der Fall.

Raymond Freymann

Kapitel 6. Balkentheorie

Zusammenfassung

Viele strukturdynamische Systeme haben die Eigenschaft, dass eine ihrer Abmessungen (Länge, Höhe) sehr groß ist gegenüber den anderen Dimensionen (Breite, Tiefe). Aus diesem Grunde werden sie auch als “eindimensionale Systeme” bezeichnet. Solche Strukturen weisen ein Schwingungsverhalten auf, das mit dem von langgestreckten Balken vergleichbar ist. Als Beispiel dafür seien hier die strukturellen Systeme Hochhäuser, Schornsteine, Fernsehtürme und Hängebrücken aufgeführt.

Raymond Freymann

Kapitel 7. Generalisierte Koordinaten und dynamische Antwortrechnung

Zusammenfassung

In Kap. 4 wurden am Beispiel von Zwei- und Mehrmassenschwingern dynamische Antwortrechnungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass bei Berücksichtigung einer größeren Anzahl von physikalischen Freiheitsgraden der Rechenaufwand schnell anstieg. Zur Vereinfachung der dort aufgeführten Untersuchungen blieben außerdem die Dämpfungseigenschaften der strukturellen Systeme unberücksichtigt.

Raymond Freymann

Kapitel 8. Modale Korrekturverfahren

Zusammenfassung

Viele strukturdynamische Systeme weisen ein sich zeitlich veränderndes (Eigen-) Schwingungsverhalten auf. Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass sich die Trägheitsund|oder Steifigkeitskenndaten des strukturellen Systems als eine Funktion der Zeit verändern. Beispielhaft aufgeführt sei in diesem Zusammenhang ein Flugzeug in seinen Startund Landekonfigurationen, wobei beide Zustände sich im Allgemeinen erheblich in der Massenverteilung - aufgrund des verbrauchten Treibstoffs – unterscheiden. Nicht zu vernachlässigen sind weiterhin Untersuchungen im Bereich des Ingenieurbaus zu diesem Thema, so z.B. die Bestimmung des Eigenschwingungsverhaltens von (Hänge-) Brücken und Wolkenkratzern bei unterschiedlichen Beladungszuständen. Frage ist nun, wie das dynamische Verhalten dieser Vielfalt von strukturell modifizierten Systemkonfigurationen effizient ermittelt werden kann.

Raymond Freymann

Kapitel 9. Strukturelle Optimierung

Zusammenfassung

Früher war es üblich, dass Konstrukteure eine technische Neuentwicklung vom Entwurf bis zur Fertigstellung auf dem Zeichenbrett vollzogen. Dabei wurden viele Entscheidungen zur Konstruktionsauslegung “aus der Erfahrung” getroffen. Auch wenn die auf diese Weise entworfenen technischen Produkte ihre Funktion erfüllten, so würden sie heutzutage in vielen Fällen nicht mehr als eine “optimale Auslegung” angesehen werden. Denn neben der eigentlichen Funktion sind in zunehmenden Maße auch andere Randbedingungen zu berücksichtigen.

Raymond Freymann

Kapitel 10. Aeroelastische Stabilität

Zusammenfassung

Das Fachgebiet der Aeroelastik befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen strukturellen Verformungen elastischer Systeme und den dadurch hervorgerufenen aerodynamischenKräften (Bild 10.1). Frage dabei ist vor allem, ob sich infolge von aeroelastischen Kopplungseffekten ein vorteilhaftes oder ungüngstiges Deformationsverhalten an elastischen Systemen einstellt. Grundsätzlich gilt, dass wenn die aus den strukturellen Auslenkungen resultierenden aerodynamischen Kräfte den Verformungen entgegenwirken, dann ist das System aeroelastisch stabil.

Raymond Freymann

Kapitel 11. Aktive Erhöhung des Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen

Zusammenfassung

In den Abschn. 10.4.2 und 10.4.3 wurde im Detail auf das Flatterstabilitätsverhalten von Flugkonstruktionen eingegangen. Gezeigt wurde dabei, wie durch die bewegungsinduzierten instationären Luftkräfte Kopplungen zwischen den einzelnen generalisierten Freiheitsgraden hervorgerufen werden können, die sich ungünstig auf das Schwingungsverhalten des Flugzeugs auswirken. Gezeigt wurde weiterhin, wie durch Modifikationen an der Flugzeugstruktur die Stabilität bis in einen höheren Geschwindigkeitsbereich hergestellt werden konnte.

Raymond Freymann

Kapitel 12. Aktive Dämpfung von Leichtbaustrukturen durch Einsatz piezoelektrischer Sensoren und Aktoren

Zusammenfassung

Große Raumfahrtstrukturen weisen eine Reihe von sehr speziellen Schwingungsphänomenen auf. Infolge der realisierten Massen- und Steifigkeitsverhältnisse können solche Systeme Eigenfrequenzen ihrer fundamentalen Eigenschwingungsformen (weit) unterhalb von 1 Hz aufweisen. Auch besitzen solche Strukturen - aus Leichtbaugründen - nur eine sehr geringe Masse mit entsprechend geringen Steifigkeiten und Dämpfungen. Daraus resultiert, dass sich beim Einleiten von Störkräften, z.B. durch das Zünden von Triebwerken zur Lagepositionierung, große Schwingungsamplituden am strukturellen System einstellen, die zeitlich nur sehr langsam abklingen.

Raymond Freymann

Kapitel 13. Aktive Lastabminderung an Flugzeugfahrwerken beim Rollvorgang

Zusammenfassung

Das wichtigste Kriterium bei der Auslegung eines Flugzeugfahrwerks ist die Aufnahme der beim Landestoß auftretenden Belastung. Da der Landevorgang mit einer Sinkgeschwindigkeit v_s stattfindet, muss das Fahrwerk - zur Vermeidung einer Bruchlandung - in der Lage sein, die im Zusammenhang mit der Vertikalbewegung des Flugzeugs stehende kinetische Energie

Raymond Freymann

Backmatter