Adaptives Randsystem zur Erzeugung dynamischer Randbedingungen an Flugzeugpaneelen

Adative boundary system to generate dynamic boundary conditions at aircraft panels

Adaptives Randsystem zur Erzeugung dynamischer Randbedingungen an Flugzeugpaneelen

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31718
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Sachau, Delf
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.07.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Strukturdynamik, Randbedingungen, adaptive Filter
Freie Schlagwörter (Deutsch): Strukturdynamik, dynamische Randbedingungen, adaptive Filter
Freie Schlagwörter (Englisch): structural dynamics, dynamic boundary conditions, adaptive filters
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird das Konzept des adaptiven Randsystems vorgestellt und dessen Funktionsfähigkeit an zwei Versuchsständen nachgewiesen. Das Konzept ermöglicht durch Erzeugung dynamischer Randbedingungen eine aktive Lagerung von Flugzeugpaneelen oder Nachbauten dieser im tiefen Frequenzbereich. Dadurch kann an Transmissionsprüfständen ein realistischeres Schwingungsverhalten verwirklicht werden. Die dynamischen Randbedingungen werden dabei durch Schwingungserreger zusammen mit Beschleunigungsaufnehmern, einem adaptiven Algorithmus sowie Signalverarbeitungseinheiten erzeugt. Diese Komponenten ersetzen die dynamischen Einflüsse der weggeschnittenen Teile einer mechanischen Struktur, bei einem Transmissionsprüfstand folglich die übrige Flugzeugstruktur. Die Funktionsfähigkeit des Konzeptes wird zunächst an einem Balkenversuchsstand getestet. Die Wahl eines Balkenversuchsstandes geschieht aus drei Gründen: Die Versteifungselemente eines Paneels können als Balken modelliert werden. Bei Untersuchungen an einem Balkenversuchsstand benötigt man lediglich eine relativ geringe Anzahl an Sensoren und Aktoren. Der letzte Grund ist, dass für den Balkenversuchsstand analytische Lösungen für das Schwingungsverhalten bestimmt werden können. Es treten während der experimentellen Untersuchungen des Konzeptes Abweichungen auf, deren Ursache analytisch begründet werden kann. Anschließend wird das Konzept an einem Plattenversuchsstand angewendet. Die verwendeten Platten verfügen über Versteifungselemente ähnlich denen im Flugzeugbau und sind so konzipiert, dass sie ein ähnliches Schwingungsverhalten wie eine Flugzeugstruktur aufweisen. Bei Anregungsfrequenzen von bis zu 300 Hz treten an dem Versuchsstand hauptsächlich globale Schwingformen auf. Es werden mit dem Konzept des adaptiven Randsystems in einer Substruktur sehr ähnliche Schwingformen (MAC-Werte > 85 %) wie in dem baugleichen Ausschnitt einer größeren Referenzstruktur erzeugt. Diese Werte werden bei gleicher Anregung beider Strukturen mit den ersten Eigenfrequenzen der Referenzstruktur erzielt. Die guten bis sehr guten Korrelationswerte der Schwingformen der Strukturen belegen, dass das vorgestellte Konzept des adaptiven Randsystems funktionsfähig ist. Im Rahmen der Dissertation wird eine Fehlerbetrachtung durchgeführt und mögliche Verbesserungen des Konzeptes aufgezeigt. Das Konzept des adaptiven Randsystems bietet neben dem Einsatz an Transmissionsprüfständen zudem das Potential bei „Real time hybrid substructuring“-Untersuchungen eingesetzt zu werden. Die „Real time hybrid substructuring“-Methode wird bisher fast ausschließlich im Bereich des Bauingenieurwesens und bei Frequenzen von bis zu 30 Hz eingesetzt. Durch das hier vorgestellte Konzept kann, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Regelungen, eine Steuerung bei derlei Untersuchungen genutzt werden. Somit könnten die unweigerlich auftretenden Zeitverzögerungen signifikant reduziert werden und die Methode somit bei deutlich höheren Frequenzen zum Einsatz kommen.

Kurzfassung auf Englisch:

The concept of adaptive boundary system will be introduced in the present work. Additionally the functionality will be proven at two test rigs. The concepts enables the generation of dynamic boundary conditions which can be used to realize an active bearing of aircraft panels or reproductions of them in the low frequency range. A more realistic dynamic behavior can be achieved at transmission test rigs with this concept. The dynamic boundary conditions are created by shakers, accelerometers, an adaptive algorithm and signal processing units. These components replace the dynamic influences of the cut away parts of a mechanical structure, at a transmission test rig the remaining aircraft structure. The functionality of the concept is tested at a beam test rig first. A beam test rig is chosen for three reasons: The stiffening elements of an aircraft panel can be modelled as beams. The number of necessary sensors and actors is low for investigations at a beam test rig. The last reason to test the concept at a beam test rig first is the fact, that the dynamic behavior of a beam can be calculated analytically. During the experimental investigations deviations occur whose cause can be explained by the analytical interpretations. Furthermore, the concept is applied at a plate test rig. The used plates have stiffening elements which are similar to the stiffening elements of aircraft panels. Moreover, the plates are designed in the way that their dynamic is similar to the one of an aircraft structure. In the frequency range up to 300 Hz mainly global modes occur. Very similar modes (MAC-values > 85 %) can be realized in a substructure which is structurally identical with a section of a larger reference structure. These MAC-values are obtained with an equal excitation of both structures with the first natural frequencies of the reference structure. The good correlation values prove that the concept of adaptive boundary system is functional. Additionally, within the dissertation an error analysis is conducted and possible improvements of the concept are pointed out. Furthermore, the concept of adaptive boundary system offers the technical potential to be used in real time hybrid substructuring investigations. The real time hybrid substructuring method has been used till today almost exclusively in the branch of civil engineering and in the frequency range up to 30 Hz. With the concept of adaptive boundary system a feedforward control can be implemented at real time hybrid substructuring investigations in contrast to the currently used feedback control. Thus the inevitable occurring time delays can be reduced significantly and the method of real time hybrid substructuring can be used in a wider frequency range.

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