Forschung und Entwicklung – theoretisch sowie praktisch
Unsere Arbeitsweise zeichnet sich nicht nur durch eine praktische Herangehensweise aus, sondern auch durch eine solide theoretische Basis. Dies wird durch unsere vielfältigen Publikationen deutlich, die unsere Hingabe zu Forschung und Entwicklung widerspiegeln.
Unsere Veröffentlichungen bieten Einblicke in unsere analytischen und wissenschaftlichen Ansätze, die wir bei der Lösung komplexer Herausforderungen im Bereich von strukturmechanischen und akustischen Fragen einsetzen.
Diese Publikationen sind das Ergebnis unserer engagierten Bemühungen, unsere Erkenntnisse und Expertise mit der Fachgemeinschaft zu teilen und gleichzeitig unsere Kunden über aktuelle Entwicklungen auf dem Laufenden zu halten.
Durch unsere theoretischen Arbeiten tragen wir nicht nur zur Weiterentwicklung unseres eigenen Wissens bei, sondern auch zur Weiterbildung und Wissenserweiterung in den Branchen, in denen wir tätig sind. Unsere Publikationen sind ein Indikator für unsere Leidenschaft für innovative Lösungen und unseren Einsatz, den höchsten Qualitätsstandards gerecht zu werden.
Tagungsband, ISMA 2024, Leuven, Belgien, 2024
This publication highlights typical pitfalls when using shaker excitation to test lightweight structures and illustrates the basic phenomena using a simple practical example. The main issues are mass loading and stinger interferences, which can lead to considerable distortions of the test data sought. The overall aim is to make the test engineer aware of the topic and to provide guidance for test planning of a shaker test on lightweight structures.
Tagungsband, ISMA 2022, Leuven, Belgien, 2022
In this paper an approach is presented to identify the frequency response function of a simple damped harmonic oscillator (one mass spring/damper system) under base excitation without the need for measuring the dynamic motion of the oscillating mass itself. The approach solely makes use of the measured base acceleration and the corresponding base force. The theoretical foundation of the procedure is outlined at first. Then, basic considerations are highlighted based on a Finite Element model of the damped harmonic oscillator and the relevant test bench parts. Finally results from real test data are presented to prove the applicability of the method.
In: Allemang R., Avitabile P. (eds) Handbook of Experimental Structural Dynamics, Springer, New York, NY., 2020
The term "model updating" describes the process of adjusting the parameters of a finite element model in order that its predictions, in terms of eigenvalues and eigenvectors, are in agreement with measurements obtained by modal testing. The sensitivity method described in this chapter has been implemented numerous times in commercial codes and applied successfully in industry. It has become a mature technology in regular use in the automotive and aerospace industries worldwide. However, there are various subtleties surrounding the application of model updating that are discussed here for the benefit of potential users. Firstly there must be an awareness of the frequency range in which the updated model is to be applied. The available data is generally insufficient to define the system parameters without the use of additional information provided by regularization. And the choice of parameters is of critical importance: it is not only a matter of choosing sensitive parameters; they should also be chosen as part of an engineering understanding of the dynamics of the system. Careful choice of parameters, together with regularization, will lead to validated models that predict the behavior of the system beyond the scope of the original test data.
Tagungsband, 2. VDI-Fachtagung Schwingungen 2019, Würzburg, Deutschland, 05.-06. November 2019 (VDI-Berichte 2366, S. 295-305.)
Die Carl Zeiss SMT GmbH ist bekannt für Präzisionsoptikkomponenten im Bereich der Halbleiterfertigung. Um die erforderliche hohe Produkttreue der Komponenten zu gewährleisten, werden verschiedene Qualitätssicherungsschritte im Rahmen der Fertigung durchlaufen.
Bei einem dieser Qualitätssicherungsschritte werden mit Hilfe eines speziellen Prüfstands, Leistungsparameter bestimmter Produkte überprüft. Unter ungünstigen Umgebungsbe-dingungen kann dabei mitunter eine nicht erwartete Performance des Produkts bei den Leistungstests festgestellt werden. In diesen Fällen ergibt eine Wiederholung der Leistungstests zu einem späteren Zeitpunkt zu günstigeren Umgebungsbedingungen die erwartungsgemäße Performance und damit den Nachweis der Konformität des untersuchten Systems. Die bei den ersten Leistungstests beobachtete Nichtkonformität kann externen Störungen und nicht tatsächlichen Leistungsabweichungen des Produkts zugeschrieben werden. Da eine Wiederholung von Leistungstests sowohl zeit- als auch kostenaufwändig ist und darüber hinaus den Gesamtdurchsatz des Prüfstands verringert, wurden Vibrations- und Akustikmessungen als Grundlage zur Ermittlung der Störquellen für die Abweichungen der Testläufe durchgeführt. Insbesondere Betriebsdaten wurden dabei mit Hilfe von Spektral- und Transferpfadanalysen (TPA) untersucht, um schließlich geeignete Verbesserungsmaßnahmen entwickeln und umsetzen zu können.
In dieser Veröffentlichung werden die wichtigsten Ergebnisse und Erkenntnisse aus der Testkampagne selber vorgestellt sowie erste umgesetzte Maßnahmen gezeigt. Hieran wird aufgezeigt, wie eine intelligente Kombination moderner experimenteller Techniken dazu beitragen kann, die Leistung heutiger technischer Systeme zu optimieren.
Tagungsband, ISMA 2018, Leuven, Belgien, 2018
In this paper the application of operational test data analysis and transfer path analysis to a test bench for optical systems is presented. Especially data of vibration and acoustic measurements are investigated and spectral analysis is employed next to TPA in order to identify the driving sources of occasional failures of test runs.
Tagungsband, VDI-Fachtagung „Schwingungsanalyse & Identifikation 2016“, Fulda, Deutschland, 15.-16. März 2016 (VDI-Berichte 2259, S. 149-161.)
Die Qualität eines Finite-Element (FE)-Modells bestimmt maßgeblich die Güte und Aussagekraft der damit durchgeführten Analysen. Die Validierung von FE-Modellen für Dynamiksimulationen umfasst üblicherweise die Beurteilung der Güte anhand der Ergebnisse einer experimentellen Modalanalyse (EMA) mit Hilfe der MAC-Matrix sowie den relativen Frequenzabweichungen sowie gegebenenfalls die Optimierung von Masse bzw. Masseverteilung und Steifigkeiten des FE-Modells in einer computergestützten Modellanpassung (CMA) mit dem Ziel, eine bessere Übereinstimmung mit den gemessenen Eigenfrequenzen und Eigenformen zu erreichen.
In diesem Beitrag wird die schrittweise Validierung ausgehend von Einzelkomponenten über Zusammenbauten bis hin zum Gesamtsystem („Bottom-Up-Strategie“) am Beispiel einer Pkw-Abgasanalage (AGA) vorgestellt. Das bisherige Verfahren zur Optimierung von Masse und Steifigkeit wird dabei in jedem Schritt konsequent um die Anpassung der Strukturdämpfung des Modells erweitert, wobei als neu in das Verfahren integriertes Gütekriterium die Abweichung der berechneten von den gemessenen Übertragungsfunktionen über die Halbwertsbreite der einander zugeordneten Eigenfrequenzen genutzt wird. Es wird gezeigt, dass mit dieser erweiterten Bottom-Up-Strategie eine gute Abbildung der untersuchten Komponenten und Zusammenbauten unter Berücksichtigung einer realitätsnahen Strukturdämpfung erzielt werden kann.
Tagungsband, ISMA 2016, Leuven, Belgien, 2016
In this paper, different excitation methods for experimental modal analysis are assessed by example of a lightweight aluminum cover in conjunction with classical acceleration measurements and laser scanning vibrometry. It will particularly be shown that one of the greatest advantages of laser scanning vibrometry, namely the massless and practically interaction free automated response measurement of lightweight structures can be compromised significantly if shaker excitation is employed. Since these effects usually cannot be fully quantified and eliminated in the following they may especially jeopardize the successful outcome of subsequent model validation campaigns.
Tagungsband, 3. VDI-Fachtagung "Schwingungsdämpfung 2015", Leonberg, Deutschland, 22.-23. September, 2015
Zur Erzielung der hohen Positionsgenauigkeit von Komponenten, wie etwa optischen Elementen in der Halbleiterindustrie, ist eine Positionsregelung mit hoher Bandbreite erforderlich. Bei beschränkter Steifigkeit solcher Elemente führt dies zur Anregung elastischer Eigenmoden und gefährdet die Stabilität der Regelkreise. Die Hypothese der proportionalen Dämpfung führt bei der Modellierung lokaler Dämpfer mit dem Ziel der Abschwächung der Resonanzpeaks zu falschen Berechnungsergebnissen. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine genauere Systembeschreibung. Dies wird durch Erweiterung auf nichtproportionale Dämpfung mittels folgender Schritte erreicht: Einsatz speziell entwickelter Softwareroutinen im Rahmen des jeweiligen FE-Programms zur Normierung der komplexen Eigenvektoren, deren Import in MATLAB und Aufbau des modalreduzierten Zustandsraummodells.
Proceedings, ISMA 2014, Leuven, Belgium, 2014
Today, Optomechanical systems are very sensitive to external dynamic excitations, which may occur during operation or in the out-of-operation state. Vibration excitations are characterized by a relatively long duration and a small magnitude as well as randomness, whereas shock excitations have a relatively short duration and large magnitude. Both excitation types should be considered while designing robust optomechanical systems that can withstand the resulting loads. In this work, we focus on excitations occurring in the out-of-operation state. First, we discuss different shock and vibration excitations in time and frequency domains and specify realistic profiles that reflect handling and transport conditions. We also show that simplified optomechanical multi-body models are more adequate to specify the stiffness and damping values for hard stops required to prevent collision between system parts. Hard stops lead to a non-linear system since they exert forces once a predefined range is exceeded. However, we show that, to a certain extent, a linear model can be relied upon at an early stage of the design process to derive design specifications. We then address the modelling of one single hard stop based on measurements. The obtained model can be used to verify whether the real dynamic characteristics of the hard stops help prevent large relative displacements and forces between all optical elements.
Tagungsband, ISMA 2014, Leuven, Belgien, 2014
Today, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are frequently used for light weight structure components of modern aero engines. In order to obtain reliable simulation results e.g. from Finite Element analyses, model validation of the related component models is mandatory and demands for highly accurate experimental data. Now, in this paper, different measurement scenarios for experimental modal analysis of CFRP aero engine structures will be applied to a typical CFRP structure. From the experiences made and the test results obtained the individual test scenarios will be evaluated and classified with respect to time, cost, and accuracy issues in order to provide guidance for choosing the optimal test setup for testing CFRP structures of aero engines especially with respect to the demands of subsequent model validation.
Tagungsband, VPC.plus 2014, Hanau, Deutschland, 2014
Um den heutzutage hohen Anforderungen an die Reduktion von unerwünschten Schwingungen sowie von Lärm- und Schadstoffemissionen - bei gleichzeitig hoher Gebrauchstauglichkeit - zeit- und kostengünstig begegnen zu können, ist der umfangreiche Einsatz von CAE-Techniken erforderlich.
Speziell im Bereich der Finite-Elemente-Analysen (FEM) ist dabei für eine zielsichere und aussagekräftige Analyse eine ausreichende Qualität der verwendeten FE-Modelle unabdingbar. Um diese Qualität prozesssicher zu gewährleisten, ist die Anwendung einer systematischen Validierungsstrategie von entscheidendem Vorteil gegenüber dem auch heute noch weit verbreiteten Trial-and-Error-Vorgehen.
In diesem Vortrag wird eine systematische Validierungsstrategie vorgestellt, wie sie heutzutage bereits in Bereichen der Luftfahrt erfolgreich eingesetzt wird. Die Validierungsstrategie nutzt dabei Daten experimenteller Modalanalysen (Frequenzgänge, Eigenwerte und Eigenvektoren), um die Güte von FE-Modellen gezielt zu beurteilen und, sofern erforderlich, effektiv mit Hilfe einer computerunterstützten Modellanpassung (computational model updating), kurz CMA, zu verbessern.
Im Anschluss an die FE-Modellerstellung ergeben sich dabei im Rahmen der Validierung vielfältige Herausforderungen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Generierung der Versuchsdaten selber, welche als Basis für die nachfolgenden Korrelations- und Validierungsprozesse dienen. Es wird deshalb zunächst ein Überblick über die wesentlichen Punkte gegeben, die es dem mit der Validierung betrauten Ingenieur erlauben, die Validierung optimal zu planen sowie die Eignung der experimentellen und analytischen Daten abzuschätzen.
Schließlich wird an Beispielen aus der Praxis aufgezeigt, wie die Methodik in den Automobilbau übertragen und dort eingesetzt werden kann, wo aufgrund der Serienfertigung mit hohen Stückzahlen andere Rahmenbedingungen als in der Luftfahrt zu berücksichtigen sind.
Tagungsband, 14th International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB14), Linz, Österreich, 11.-14. August, 2014, Seiten 645-650
In this overview, it is presented how Active Magnetic Bearings (AMBs) can successfully be used for the measurement of equilibrium positions and the identification of stiffness and damping coefficients of journal bearings. Therefore, the theory of force measurements in AMBs by using either a theoretical or an experimentally derived relation is provided. Different operation modes of AMBs are considered, including the operation as a magnetic actuator. The successful parameter identification of journal bearing properties using AMBs is demonstrated by measurements.
VDI-Fachtagung "Schwingungsanalyse und Identifikation 2013", Leonberg, Germany, 06.-07. March 2013
In diesem Beitrag werden anhand von vereinfachten optomechanischen Ersatzsystemen die Vorzüge der aus der Mehrkörperdynamik bekannten Verfahren aufgezeigt. Zuerst wird gezeigt, wie eine Dynamikarchitektur vorteilhaft geändert werden kann, um höhere Schwingungsunterdrückungen zu erreichen. Die für die Auslegung eines gedämpften Tilgers notwendige Identifikation von Modellparametern wird dann angegangen. Anschließend werden experimentelle Ergebnisse vorgestellt, um die Auslegung zu validieren. Im dritten Kapitel werden die aus der Fachliteratur bekannten Gleichungen für die modale Berechnung aufgegriffen, um die Herangehensweise bei der Analyse von elastischen optomechanischen Mehrkörpersystemen zu erläutern.
VDI-Fachtagung "Schwingungsanalyse und Identifikation 2013", Leonberg, Germany, 06.-07. March 2013
Ein neuer, weltweit einzigartiger Prüfstand für große rotierende Systeme wurde im Jahr 2010 in Deutschland errichtet. Um sein Leistungsvermögen abschätzen zu können, wird ein validiertes FE-Modell benötigt. Dies wurde mittels einer zweistufigen Strategie entwickelt: Im ersten Schritt wurden umfangreiche Schwingungstests durchgeführt, um die wesentlichen dynamische Eigenschaften zu ermitteln. Im zweiten Schritt wurde das FE-Modell zunächst generiert und anschließend mit Hilfe der Testdaten validiert. Diese Veröffentlichung stellt die Testdurchführung sowie die Ergebnisse der computergestützten Modellanpassung vor. Insgesamt wurden durch die zweistufige Strategie wertvolle Einblicke in die Dynamik der Anlage sowie ein validiertes FE-Modell hoher Güte gewonnen.
Proceedings, ISMA 2012, Leuven, Belgium, 2012
A new large spinning facility has been built in Germany representing a world class unique test facility for testing large rotating systems. In order to assess the capabilities of the system a validated Finite Element model is required. To obtain such a model a two-step procedure was applied:
In a first step, vibration tests were conducted focusing on the rigid body frequencies of the resiliently mounted system as well as on its basic elastic behavior (natural frequencies, modal damping, and mode shapes). In a second step, a Finite Element model was created and subsequently validated with the help of the obtained vibration test data.
The paper will present the testing approach and the model validation results obtained by application of computational model updating techniques. All in one the employed two-step procedure provided valuable insight into the dynamics of the facility next to a validated Finite Element model of high fidelity.
DAGA Conference 2011, Düsseldorf, Germany, 21.-24. March 2011
Um treffsichere Aussagen über das akustische Verhalten im Innenraum von Kraftfahrzeugen zu erhalten, ist, neben der genauen Kenntnis der Massen, Dämpfungen und Steifig-keiten des Systems, auch eine ausreichende Kenntnis des Absorptionsverhaltens erforderlich.
In dieser Veröffentlichung werden verschiedene Anwen-dungsbereiche für numerische Optimierungs¬methoden vorgestellt, die sowohl eine Verbesserung der struktur-mechanischen Eigenschaften, als auch der akustischen Absorptionseigenschaften ermöglichen.
Die Anwendung wird anhand einer Rohkarosserie mit Anbauteilen demonstriert, welche im Rahmen eines Arbeitskreises der deutschen Automobilindustrie untersucht wurde. Ziel war die Entwicklung von Strategien zur generellen Verbesserung der Prognosegüte der eingesetzten FE-Berechnungsmodelle für akustische Anwendungen.
VDI-Tagung "Schwingungsanalyse und Identifikation", Leonberg, Germany, 23.-24. March 2010
Mikrolithographie ist ein optisches Verfahren zur Herstellung von Computerchips. Da die Strukturdimensionen der Chips im Nanometerbereich liegen, darf das Objektiv, das die Abbildung ermöglicht, Bildschwingungen nur im Subnanometerbereich verursachen. Im Folgenden wird dargestellt, wie Bildschwingungen berechnet und optimiert werden. Dabei sind gedämpfte Tilger eine Möglichkeit optimale Schwingungseigenschaften des Objektivs zu erreichen. Abschließend wird ein Ausblick auf die Besonderheiten des dynamischen Verhaltens von Systemen der EUV-Lithographie, der Lithographietechnik für die Zukunft, gegeben.
VDI-Tagung "Schwingungsanalyse und Identifikation", Leonberg, Germany, 23.-24. March 2010
Die zielsichere Validierung von FE-Modellen hoher Komplexität bereitet auch heute noch vielfach Schwierigkeiten. In dieser Veröffentlichung wird daher eine systematische Strategie basierend auf experimenteller Modalanalyse und computerunterstützter Modellanpassung vorgestellt, die es ermöglicht, diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Zur Illustration wird die konsequente Anwendung auf das Gesamtmodell eines modernen Flugzeugtriebwerks gezeigt.
VDI-Tagung "Schwingungsanalyse und Identifikation", Leonberg, Germany, 23.-24. March 2010
Um treffsichere Aussagen über das akustische Verhalten im Innenraum von Kraftfahrzeugen zu erhalten, ist eine ausreichende Kenntnis des Absorptionsverhaltens erforderlich. In dieser Veröffentlichung werden Möglichkeiten vorgestellt, die einen vergleichsweise einfachen Weg zur lokalen Erfassung von Absorption bei Gesamtkraftfahrzeugmodellen aufzeigen. Die Anwendung wird am Beispiel einer Rohkarosserie mit Anbauteilen demonstriert.
Proceedings, ISMA 2010, Leuven, Belgium, 2010
In this paper a three step strategy for experimental investigation of machine tool dynamics is presented that is based on dynamic flexibility measurements, experimental modal analysis, and output only modal analysis. By example of a large scale combined outer diameter milling/turning machine it will be shown that valuable insight into the dynamics of the machine can be obtained which can subsequently be used for machine performance optimization.
Proceedings of the Noise and Vibration Engineering Conference, ISMA 2008, Leuven, Belgium, 2008
To validate structural Finite Element models, test data, e. g. from an experimental modal analysis, may be utilized in order to update mass and stiffness parameters. For frequency response calculations, however, proper modeling of structural damping mechanisms must be achieved as well to obtain acceptable estimates of the overall response levels. Going even further towards fluid-structure-analyses, the absorption behavior of the cavity boundary and of interior components (seats etc.) need to be respected.
In this paper a modeling strategy for damping and absorption is presented that is based on computational optimization and model updating techniques. For the structural part, individual structural damping is assigned to the individual components and subsequently updated utilizing test data obtained from classical modal analysis testing (force excitation). For the acoustic absorption the approach is extended such that individual absorption coefficients can be addressed. The test data utilized here come from acoustic tests with volume source excitation.
By means of a real car body the single steps of the strategy will be highlighted, and it will be shown that very encouraging results can be obtained even for very complex systems.
Proceedings VDI-Konferenz Schwingungsdämpfung 2007, VDI-Berichte Nr. 2003, 2007
Diese Veröffentlichung behandelt die Modellierung von Zusammenbauten von Gehäusebauteilen eines Verbrennungsmotors. Bei diesen Zusammenbauten findet man eine Vielzahl an Flanschverbindungen, die zum Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten des Gesamtverbandes beitragen. Am Beispiel eines Vierzylinderverbrennungsmotors wird eine Finite Elemente Modellierungstechnik vorgestellt, die auf eine korrekte Abbildung der Flanschregion zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Kurbelwellengrundlagerdeckel zielt. Speziell wird eine numerische Methode gezeigt und angewendet, die die nichtlinearen Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften des Systems berücksichtigt. Die Ergebnisse der numerischen Analyse werden ferner mit experimentellen Daten verglichen, um die Wirksamkeit der Methode zu demonstrieren.
Proceedings VDI-Konferenz Schwingungsdämpfung 2007, VDI-Berichte Nr. 2003, 2007
In dieser Veröffentlichung wird eine Methode zur computerunterstützten Identifikation von Dämpfungsparametern auf Basis gemessener Frequenzgänge vorgestellt. Dabei wird die Leistungsfähigkeit der Methode am Beispiel einer Rohkarosserie mit Anbauteilen gezeigt, welche im Rahmen des Arbeitskreises 6.1.19 "Strukturoptimierung Akustik" der deutschen Automobilindustrie untersucht wird.
Proceedings of the Noise and Vibration Engineering Conference, ISMA 2006, Leuven, Belgium, 2006
This paper addresses the modeling of assembled combustion engine parts. Here multiple flange connections are found that contribute to the stiffness and damping characteristics. By example of a four cylinder combustion engine a finite element modeling technique will be introduced which focuses on a suitable and proper representation of the flange regions between crankcase and crankshaft main bearing cap. Especially, a numerical method will be presented and applied that accounts for the nonlinear damping and stiffness characteristics of the system. The numerical analysis results will be compared to experimental data in order to prove the effectiveness of the method.
IFASD 2005, Munich, Germany, 28. June-01. July 2005
In this paper, an overview and some selected details are given on a general procedure to improve large order structural dynamic models of aero-engines. Because of the complexity of typical whole engine models (WEM) a special model validation strategy is required to account for the large number of finite element (FE) model parameters which may be uncertain in a WEM. A three-step strategy is proposed which is based on three subsequent levels of model validation. In the first step, model validation is carried out on component model level, whereas in the second step, sub-assembly models are validated with emphasis on updating joint parameters, and in the final step, model validation is carried out on the whole engine assembly level where only a few uncertain joint parameters need to be adjusted. Typical problems encountered during computational model updating are addressed, among those, the selection of effective updating parameters. An extension of the classical model updating techniques is presented which aims at extending the prediction capability of the model into the large vibration amplitude regime where non-linear behavior is likely to occur. This is achieved by identifying non-linear joint stiffness and damping parameters by application of a non-linear model updating approach based on measured non-linear frequency response data.
Sound and Vibration, Volume 39/Number 9, September 2005
To validate finite-element models, test data from experimental modal analyses may be utilized. The model data must be highly accurate since they form the basis for subsequent validation efforts. An integrated validation strategy is presented that takes into account the complete process chain from model-based test design through modal testing, data evaluation, test/analysis correlation to computational model updating. By means of a real car body in white, the single steps of the validation strategy are highlighted, and it is shown that very encouraging results can be obtained even for very complex systems.
Tagung Wiesloch bei Heidelberg, 25.-26. May 2004/VDI-Schwingungstagung 2004, VDI-Gesellschaft Entwicklung, Konstruktion, Vertrieb, VDI Verlag, Düsseldorf, Germany, 2004
In dieser Veröffentlichung wird auf die Verwendung der computerunterstützten Modellanpassung (computational model updating) bei rotationssymmetrischen Systemen, wie sie etwa in der Luftfahrtindustrie bei Triebwerken auftreten, eingegangen. Bei diesen Systemen treten im allgemeinen doppelte (in Realität nahezu doppelte) Eigenfrequenzen auf. Die zugehörigen Eigenvektoren besitzen dabei visuell dieselbe Form - sie sind jedoch bezüglich der Symmetrieachse um einen bestimmten Winkel zueinander verdreht.
Die absolute Orientierung der analytischen Eigenvektoren bezüglich der Symmetrieachse ist beliebig wählbar und wird durch das gewählte Berechnungsverfahren festgelegt. Aus diesem Grund tritt eine gleiche Orientierung der Eigenvektoren aus Versuch und Analyse nicht notwendigerweise auf, was insbesondere die automatische Zuordnung von Eigenvektoren und damit die Nutzung der wichtigen Eigenvektorinformation für die computerunterstützte Modellanpassung erschwert. An Hand eines realen Beispiels werden verschiedene Möglichkeiten zur Verwendung der Eigenvektoren bei der computerunterstützten Modellanpassung von rotationssymmetrischen Systemen vorgestellt.
Tagung Wiesloch bei Heidelberg, 25.-26. May 2004/VDI-Schwingungstagung 2004, VDI-Gesellschaft Entwicklung, Konstruktion, Vertrieb, VDI Verlag, Düsseldorf, Germany, 2004
In dieser Veröffentlichung wird die Anwendung der computerunterstützten Modellanpassung (computational model updating) am Beispiel einer Rohkarosserie vorgestellt, welche im Rahmen des Arbeitskreises 6.1.19 "Strukturoptimierung Akustik" der deutschen Automobilindustrie analysiert wird. Nach einer kurzen Vorstellung der theoretischen Grundlagen wird insbesondere auf die experimentelle Untersuchung der Rohkarosserie eingegangen, welche die Datenbasis für die anschliessende Modellanpassung bildet.
5th International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes, Noordwijk, The Netherlands, 2004
With the purpose to further investigate and improve a method for the identification of inertia parameters, tests with flexible test structures have been carried out. Reference data for the inertia parameters were obtained from a Finite Element model and from conventional weighing and pendulum measurements.
For the realization of the base excitation a six-axis vibration simulator was utilized. The base forces were recorded with a special Force Measurement Device (FMD), and the base accelerations of the test structures were measured by accelerometers. Each of the 3 translational and 3 rotational axes of the multi-axial test facility was driven by a sine sweep signal with an appropriate base acceleration input.
The application of the identification algorithm to the measured data showed that an acceptable identification of mass and mass moments of inertia is possible. However, a highly accurate identification of the center of gravity location could not be achieved. The results of the analyses are discussed and the advantages and limits of the present method are pointed out. Recommendations for the practical application and improved center of gravity identification are given.
Proceedings of the Third European Conference on Structural Control, 3ECSC, Technische Universität, Wien, Austria, 12.-15. July 2004
This lecture gives a brief overview of procedures for validating analytical models using experimental data including some exemplary results. The presentation is restricted to current procedures established by experience with large order industrial applications. The basic numerical techniques for updating the parameters of Finite Element (FE) models are described. Sources of modeling and test data uncertainties are addressed together with related requirements concerning the quality of the initial analytical model and the test data. Obstacles to ensure the prediction capability of the updated models to untested situations are discussed. The described applications include an automotive car body and a civil aircraft structure.
Proceedings of the Noise and Vibration Engineering Conference, ISMA 2004, Leuven, Belgium, 2004
This paper addresses the application of computational model updating to axis symmetric systems like aero engine components. These systems usually exhibit repeated (in reality nearly identical) eigenfrequencies. The corresponding eigenvectors have the same shape but are rotated against each other about the axis of symmetry by a certain angle. The absolute orientation of the analytical eigenvectors with respect to the axis of symmetry is arbitrary and depends on the employed computation method. Thus, an identical orientation of both the test eigenvectors and the analytical eigenvectors is usually not the case. This complicates especially the automatic correlation of the eigenvectors and the utilization of the important eigenvector information in the computational model updating process. For a real life problem different possibilities for treating eigenvectors in computational model updating of axis symmetric systems are presented.
Proceedings of the Noise and Vibration Engineering Conference, ISMA 2004, Leuven, Belgium, 2004
To validate Finite Element models, test data, e.g. from an experimental modal analysis, may be utilized. The modal data themselves must be highly accurate since they form the basis for all subsequent validation efforts. This implies that systematic test design accompanied by careful modal testing is mandatory.
If the deviations between test and analysis are not acceptable (poor test/analysis correlation), the idealization of the investigated elastomechanical system must be reviewed. Because of the number of uncertain model parameters usually being very high for industrial applications, an appropriate 'manual' update based on engineering skills will most likely fail. Here, computational model updating techniques must be applied, which allow for a simultaneous update of multiple model parameters.
In this paper an integrated validation strategy is presented that takes into account the complete process chain from model based test design, over modal testing, data evaluation, test/analysis correlation to computational model updating. By means of a real car body in white the single steps of the validation strategy will be highlighted, and it will be shown that very encouraging validation results can be obtained even for very complex systems.
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongreß Dresden, Germany, 20.-23. September 2004
Innerhalb des von der Europäischen Gemeinschaft geförderten fünften Rahmenprogramms werden im Projekt AWIATOR neue Technologien entwickelt, um unter anderem das Auftriebsverhalten von Flugzeugen zu verbessern und die Geräuschentwicklung zu reduzieren. Dazu werden in mehreren Einzelprojekten unterschiedliche Methoden und Komponenten analysiert, die im Jahr 2005 im Flugexperiment an einem Airbus A340 unter Praxisbedingungen getestet werden sollen. Eine dieser neuen Komponenten sind die von Airbus Deutschland in Zusammenarbeit mit dem EADS Corporate Research Center Deutschland entwickelten Mini-TEDs ("Mini Trailing Edge Devices"). Dabei handelt es sich um zusätzliche Klappen, die in die Landeklappen integriert werden und die je nach Flugzustand bis zu 90 Grad angestellt werden können. Hierdurch wird das Auftriebs- und Widerstandsverhalten der Klappe günstig beeinflusst.
Proceedings: MSC.Software Virtual Product Development Conference, Bad Neuenahr, Germany, 24.-26. June 2003
In dieser Veröffentlichung wird die Validierung von strukturmechanischen FE-Modellen mittels der computerunterstützten Modellanpassung (computational model updating) vorgestellt. Hierzu wird ein von ICS und Professor Michael Link von der Universität Kassel entwickeltes Programmpaket eingesetzt, welches unter anderem die Analysekapazitäten von MSC.Nastran™ nutzt und damit die Anpassung von FE-Modellen industrieller Grössenordnung ermöglicht.
Nach einer kurzen Vorstellung der theoretischen Grundlagen wird die Effektivität der Validierungsmethode am Beispiel einer Rohkarosserie mit Anbauteilen demonstriert, die im Rahmen des Arbeitskreises "Strukturoptimierung Akustik" der deutschen Automobilindustrie untersucht wird.
Proceedings of the 2002 International Conference on Modal Analysis, Noise and Vibration Engineering, ISMA2002, Leuven, Belgium, 2002
This paper presents the application of classical modal analysis and output-only modal analysis techniques (Stochastic Subspace Identification and Frequency Domain Decomposition) to a laser cutting machine. It will be shown that the classical modal analysis gave fundamental insight into the structural dynamics of the laser cutting machine, while the output-only modal analysis from operational vibration data provided the modes of vibration directly influencing the cutting results. From the operational data an additional mode of vibration was identified that could not be extracted by the utilized classical modal analysis techniques. It was revealed that this mode of vibration was nonstructural and that it was caused by the drives and the control system of the laser cutting machine. Furthermore, this nonstructural mode could directly be linked to imperfections of the cutting results for specific machine movements. With this knowledge a cost effective and easy to implement solution was developed that significantly enhanced the quality of the cutting results.
Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 15, No. 1, 2001, pages 189-211
The knowledge of the 10 inertia parameters mass, center of gravity and inertia tensor (moments and products of inertia) of mechanical systems is of great interest whenever the dynamic behavior is significantly governed by these parameters. In this paper, a survey of currently available inertia parameter identification methods shall be given. At first, the governing equations of motion will be summarized. Then a classification of the identification methods will be presented that is based on the general equations of motion of a rigid body and their simplifications with respect to several linearization steps. In addition, the individual methods will be highlighted in detail while the requirements will be discussed and attainable accuracy limits are given where possible.
Proceedings of the 18th International Modal Analysis Conference, IMAC, San Antonio, Texas, USA, 2000
In this paper a model validation strategy is presented that integrates computational model updating techniques. A special in-house software package is utilized that makes use of a wide range of the analysis capabilities of a commercial Finite Element solver, especially the eigenvalue and the sensitivity module. The software package thus allows for efficient computational model updating of large scale Finite Element models.
At first the basic theory is summarized. Then the model validation strategy is explained. Finally an application to an automotive transmission will underline the effectiveness of the procedure.
PHD thesis, VDI Fortschritt-Bericht, Reihe 11 (Schwingungstechnik) Nr. 287, VDI Verlag, Düsseldorf, Germany, 2000
The purpose of this thesis is to improve the dynamic behavior of washing machines. Therefore, a simulation program is developed which enables the modeling of different washing machine configurations as elastic multibody systems. The elasticities of the distinct bodies are considered by means of modal parameters which are taken from a Finite Element analysis. Concurrently, acceleration measurements on a so called front loader machine are performed to investigate the dynamic coherences and to identify nonlinear influences such as the nonlinear transfer behavior of the friction damper or structural nonlinearities. Consecutively, the experiments are used to verify the simulation results.
Experimentelle und rechnerische Modalanalyse sowie Identifikation dynamischer Systeme: Tagung Kassel, 14.-15. June 2000/VDI-Schwingungstagung 2000, VDI-Gesellschaft Entwicklung, Konstruktion, Vertrieb, VDI Verlag, Düsseldorf, Germany, 2000
In dieser Veröffentlichung wird die kombinierte Verwendung von experimentellen Frequenzgängen und Modaldaten bei der computerunterstützten Modellanpassung (model updating) vorgestellt. Dabei werden für die Anpassung des unteren Frequenzbereiches die experimentellen Modaldaten eingesetzt. Um das Systemverhalten im höheren Frequenzbereich ebenfalls zu verbessern, werden zusätzlich experimentell bestimmte Frequenzgänge genutzt. Insgesamt ist das Ziel, den Gültigkeitsbereich eines derart angepassten Modells zu erweitern gegenüber dem eines Modells, das alleine über experimentelle Modaldaten angepasst wurde. Neben der Vorstellung der theoretischen Grundlagen wird der Nutzen des vorgeschlagenen Vorgehens an Hand eines analytischen Beispiels demonstriert.
Proceedings: MSC Anwenderkonferenz, Weimar, Germany, 21.-22. June 1999
Für die Validierung von FE-Modellen können Versuchsdaten, wie z. B. experimentelle Modaldaten, verwendet werden. Falls die Abweichungen zwischen Versuch und Analyse nicht akzeptabel sind, muss die Idealisierung des realen elastomechanischen Systems überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Ist die Modellstruktur hinsichtlich des Diskretisierungsgrades, der Art der verwendeten Elemente etc. in Ordnung, so kann eine Minimierung der Versuchs-/Analyseabweichungen durch Modifikation geeigneter physikalischer Parameter (Schalendicken, E-Module, Dichten etc.) erreicht werden. Werden nur einzelne Parameter betrachtet, so kann die Anpassung noch mittels Ingenieurverstand und -erfahrung erfolgen. Bei realen elastomechanischen Systemen stösst diese Vorgehensweise jedoch schnell auf ihre Grenzen, da für diese eine Vielzahl von Parametern zu berücksichtigen sind. Hier müssen Verfahren zur computerunterstützten Modellanpassung verwendet werden, die eine simultane Anpassung mehrerer Parameter erlauben.
In dieser Veröffentlichung wird die Modellvalidierung mittels eines speziellen Programmpaketes zur computerunterstützten Modellanpassung vorgestellt. Das Programmpaket erlaubt die direkte Anpassung von MSC/Nastran Modellen und nutzt zu einem grossen Teil die Analysekapazitäten von MSC/Nastran, insbesondere den Modul zur Berechnung von Eigenfrequenz- und Eigenformsensitivitäten. Hierdurch werden FE-Modelle industrieller Grössenordnung handhabbar. Die grundlegende Theorie des verwendeten Verfahrens wird zunächst vorgestellt. Danach wird das prinzipielle Vorgehen erläutert. Abschliessend wird die Effektivität der Methode an Hand eines Kfz-Getriebegehäuses demonstriert.
Proceedings of the DETC'99, 1999 ASME Design Engineering Technical Conferences, Las Vegas, Nevada, USA, 12.-15. September 1999
This paper deals with the dynamical behavior of washing machines. Due to large unbalance forces of the laundry during the spinning process a mechanical model has been established from d'Alambert's principle that considers both the rigid body motion and the elastic vibrations. According to the complexity of the machine parts the results of a Finite Element mode shape analysis are used to describe the elastic behavior. The distinct bodies of the system are linked together through linear and nonlinear force elements resulting in the excitation of several machine orders. In order to verify the model, simulation results are compared with measurements.
Proceedings of the 23rd Noise and Vibration Engineering Conference, ISMA, Leuven, Belgium, 1998
In this paper the application of a computational model updating procedure to aeroengine components is presented. A special MATLAB based software developed at the University of Kassel, Lightweight Structures and Structural Mechanics Laboratory, was applied. This software utilizes as much as possible of the analysis capacities of the FE-code MSC/NASTRAN, in particular the sensitivity module which allows to handle large order FE-models. Main goal was to improve the confidence in the predictions coming from the complex ‘Whole Engine Model (WEM)’. The concept applied is based on updating the FE-models of engine components using experimental modal data of the components which allows to restrict the number of uncertain parameters of the WEM. The different steps performed during the model development are presented by example of one representative component. Then the results for the other investigated components are summarized and the correlation of the WEM to experimental modal data is presented in order to verify the effectiveness of the utilized concept.
Proceedings: XXV. FEM-Kongreß, Baden-Baden, Germany, 1998
In dieser Veröffentlichung wird die Anwendung eines Verfahrens zur computerunterstützten Modellanpassung (engl. model updating) exemplarisch an Hand des Finite Elemente Modells einer Flugzeugtriebwerkskomponente der Firma BMW Rolls-Royce AeroEngines vorgestellt. Verwendung findet hierbei ein spezielles MATLAB-Programmpaket, das am Fachgebiet für Leichtbau und Strukturmechanik der Universität in Kassel entstanden und gemeinsam mit ICS weiterentwickelt worden ist. Dieses Programmpaket nutzt zu einem grossen Teil die Analysekapazitäten von MSC/Nastran, insbesondere den Sensitivitätsmodul, wodurch die Handhabung von Modellen industrieller Grössenordnung ermöglicht wird. Die computerunterstützte Modellanpassung ist Teil eines Validierungskonzeptes für Finite Elemente Modelle, das ebenfalls erläutert wird. Als erstes werden die einzelnen Schritte des Konzeptes zur Modellvalidierung vorgestellt. Im Anschluss daran folgen die Ergebnisse für eine repräsentative Flugzeugtriebwerkskomponente, um die Effektivität der verwendeten Methode zu demonstrieren.
Proceedings of the 15th International Modal Analysis Conference, IMAC, Orlando, Florida, USA, 1997
This paper presents a procedure for identification of the full set of rigid body properties (overall mass, center of gravity location and moments of inertia) of a given elastomechanical system which is based on experimental modal analysis. The approach uses measured inertance frequency response functions (FRF) up to the first elastic natural frequency of the free/free system which are obtained either by testing the system suspended in soft springs or by testing the fixed/free system with an additional measurement of the interface forces. In a first step the underlying rigid body response is extracted from the FRFs by taking the influences of the elastic modes into account. A second step then uses these data to estimate the rigid body properties.
Proceedings of the CEAS International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics, Vol. 3, Rome, Italy, 1997
In this paper the methods and results of estimating the physical and modal parameters of a liquid propellant tank from base excitation on a six axes shaking table are presented. The measurement of interface forces allows not only the identification of two sets of modal data: one for the fixed/free and the other for the free/free system, but also the identification of all rigid body properties. The high consistency of the two identified parameter sets and the good correlation with analysis results show the benefits of the additional measurement of interface forces.
PHD Thesis, VDI Fortschritt-Bericht, Reihe 11 (Schwingungstechnik) Nr. 247, VDI Verlag, Düsseldorf, Germany, 1997
In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden häufig Schwingtischversuche mit Fusspunkterregung durchgeführt. Hierbei werden elastomechanische Strukturen hinsichtlich ihrer Betriebsfestigkeit oder Funktionsfähigkeit unter spezifizierten Fusspunktbeschleunigungen untersucht. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die modalen Parameter Eigenfrequenz, Eigenform und modale Dämpfung der am Fusspunkt gebundenen Struktur aus den Versuchsdaten zu identifizieren. Die modalen Massen können nicht gewonnen werden, da die Einspannkräfte i. a. nicht bekannt sind. In dieser Arbeit wird nun untersucht, wie die Einspannkräfte, die mittels spezieller Kraftmesssysteme erfasst werden, zusätzlich für die Identifikation genutzt werden können. Es wird gezeigt, dass in diesem Fall neben den modalen Massen der am Fusspunkt gebundenen auch die modalen Parameter der ungebundenen Struktur sowie die Trägheitsparameter (Masse, Schwerpunktslage, Massenträgheitsmomente) identifizierbar sind, und es werden Identifikations-verfahren vorgestellt, die mit simulierten und realen Versuchsdaten erprobt werden.
Proceedings of the 14th International Modal Analysis Conference, IMAC, Dearborn, Michigan, USA, 1996
This paper introduces an automated approach to pick-up and exciter placement for modal testing purposes and its application to a car body component. It is a two step procedure which in the first step localizes a subset of structural degrees of freedom of an analytical model as measurement points such that the linear independence of the mode shapes to be measured is maximized. In the second step a given number of exciter locations are chosen among the selected measurement points which allow an excitation of the mode shapes. The approach is based on the QR-decomposition of the modal matrix and the QR-decomposition of the product of the mass matrix with the modal matrix.
Proceedings of the 1996 ESA Conference on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, European Space Agency (ESA), Noordwijk, The Netherlands, 1996
Base excitation testing on a shaking table is frequently used in industry to qualify mechanical systems with respect to specified base acceleration levels. The measurement of structural and interface (base) accelerations furthermore allows an identification of the natural frequencies, mode shapes and modal damping values of the fixed system. However, modal masses, mass participation factors and effective masses cannot be identified.
Now, the additional measurement of the interface forces allows not only to identify these missing data but also the modal data of the free system and the rigid body properties.
This paper describes an approach to identify the rigid body properties (overall mass, moments of inertia and location of center of gravity) from base excitation test data since the other possibilities have already been published by the authors elsewhere. The requirements, capabilities and restrictions of the approach will be discussed in detail and an analytical example will be presented.
Proceedings of the 1995 Design Engineering Technical Conferences/Vibration Control, Analysis, and Identification, Vol. 3 Part B, American Society of Mechanical Engineers (ASME), Boston, Massachusetts, USA, 1995
Base excitation testing is used in industry in order to qualify mechanical systems with respect to specified base acceleration levels. This type of excitation only allows to identify eigenfrequencies, mode shapes and modal damping values of the fixed/free system. Modal masses, mass participation factors and effective masses of the fixed/free system as well as the modal data of the free/free system cannot be identified because the excitation forces are unknown.
This paper introduces an approach to identify these modal data as well. For this purpose the reaction forces at the table/structure interface have to be measured also. Furthermore, the verification of the theory using a laboratory test structure will be presented.
European Space Agency (ESA/Estec) Contract Report 10133/92/NL/PP, Noordwijk, The Netherlands, 1994
Over the last ten years ESA has placed contracts for four major studies on updating dynamic mathematical models. The tasks of the first study 1984 were mainly a literature review on modal identification and update, the investigation of test methods, analysis/test correlation procedures and the selection of update procedures, which have been applied to small numerical examples with 5 and 27 degrees of freedom.
Over the years the update procedures have been improved significantly, so that the final report of this study now can present update results of a 30.000 degrees of freedom model for a complete spacecraft on the basis of measured data.
The study team consisting of experienced engineers from the University of Besancon, the University of Kassel and the company Dornier, worked together in the last three studies with success. There was a very close cooperation between the contractors. The developments were partly overlapping, so that the development results could be verified and experiences be exchanged.
Emphasis of the work performed in this study was on
GERNE HELFEN WIR IHNEN WEITER!
