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Robust stabilization and anti-resonance in parametrically excited dynamical systems

Kraus, Zacharias Johannes (2024)
Robust stabilization and anti-resonance in parametrically excited dynamical systems.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027801
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Robust stabilization and anti-resonance in parametrically excited dynamical systems
Language: English
Referees: Hagedorn, Prof. Dr. Peter ; Schweizer, Prof. Dr. Bernhard ; Dohnal, Prof. Dr. Fadi
Date: 30 August 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 132 Seiten
Date of oral examination: 26 June 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027801
Abstract:

The excitation of dynamic systems through time-periodic changes of system parameters, also known as parametric excitation, has recently proven to allow for stabilization of solutions. The phenomenon used for this purpose is referred to as anti-resonance. It has primarily been described in the past by the change of the largest Lyapunov characteristic exponent (LCE). Regarding the underlying working principle, it is speculated that the systems' damping can be better utilized due to an energy exchange between vibration modes.

The aim of this work is a comprehensive understanding of stabilization through parametric excitation and the conditions necessary for its occurrence. For this purpose, three new perspectives are introduced. Firstly, it becomes apparent that for the characterization of all resonance effects, all LCEs are needed instead of just the largest one. Using this, the influences of circulatory and gyroscopic terms, as well as the phase relationships between excitation terms, are phenomenologically demonstrated. Secondly, in an energy consideration, a virtual dissipation is introduced to investigate the assumptions regarding the working principle. The evaluation of the derived expression shows that anti-resonance causes not only stabilization but also destabilization. This contradicts the previously common assumption that anti-resonance is a stabilizing phenomenon. To clarify the influence of parametric resonances, in the third step, an energy difference between the excited and unexcited systems is introduced and analytically derived. It becomes clear that the observed effects are based on a complex interplay of the work of damping and parametric excitation terms. Moreover, the stabilization of solutions with certain initial conditions always comes at the expense of destabilizing others. The analytical results are experimentally validated on two coupled micro-cantilevers.

The results lead to questioning the aptitude of the LCEs to assess parametric excitation, as they do not encompass the influence of all critical factors. Furthermore, it becomes apparent that a differentiated analysis is necessary for evaluating stabilization effects caused by parametric excitation. For this purpose, the internal energy difference introduced in this work proves to be excellently suited.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Erregung von dynamischen Systemen durch zeitperiodische Veränderung von Systemparametern, auch Parametererregung genannt, hat sich jüngst als Möglichkeit zur Stabilisierung von Lösungen erwiesen. Das hierfür genutzte Phänomen wird als Antiresonanz bezeichnet und in der Vergangenheit meist durch Veränderung des größten Lyapunov Characteristic Exponents (LCE) beschrieben. Bezüglich des zugrundeliegenden Wirkprinzips besteht bislang die Vermutungen, dass die Dämpfung durch einen Energieaustausch zwischen Schwingungsmoden besser ausgenutzt werden kann.

Ziel der Arbeit ist ein umfangreiches Verständnis der Stabilisierung durch Parametererregung und der für das Auftreten dieser erforderlichen Bedingungen. Hierfür werden drei neue Perspektiven eingeführt. Zunächst zeigt sich, dass für die Charakterisierung aller Resonanzeffekte anstatt des größten alle LCEs benötigt werden. Phänomenologisch werden die Einflüsse zirkulatorischer und gyroskopischer Terme sowie der Phasenbeziehungen zwischen Erregungstermen aufgezeigt. Als zweites wird in einer Energiebetrachtung eine virtuelle Dissipation eingeführt, um die Vermutungen bzgl. des Wirkmechanismus zu untersuchen. In der Auswertung des hergeleiteten Ausdrucks zeigt sich, dass Antiresonanz nicht nur Stabilisierung, sondern auch Destabilisierung hervorruft. Das steht im Widerspruch zu der bislang verbreiteten Annahme, Antiresonanz sei ein stabilisierendes Phänomen. Um den Einfluss der Parameterresonanzen zu klären wird im dritten Schritt eine Energiedifferenz zwischen erregtem und unerregtem Systems eingeführt und analytisch bestimmt. Dabei wird deutlich, dass den beobachteten Effekten ein komplexes Wechselspiel der Arbeiten von Dämpfungs- und Parametererregungstermen zugrundeliegt. Außerdem geht mit der Stabilisierung von Lösungen gewisser Anfangsbedingungen immer mit eine Destabilisierung anderer einher. Die analytischen Ergebnisse werden experimentell an zwei gekoppelten Micro-Cantilevern validiert.

Die Ergebnisse stellen den Nutzen der LCEs bezüglich Parametererregung infrage, da diese bei weitem nicht alle kritischen Einflussgrößen einbeziehen. Außerdem zeigt sich, dass für die Bewertung von Stabilisierung durch Parametererregung eine differenzierte Betrachtung vonnöten ist. Hierfür erweist sich die in dieser Arbeit eingeführte interne Energiedifferenz als hervorragend geeignet.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278019
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Dynamics and Vibrations
TU-Projects: DFG|HA1060/60-1|Robuste Stabilisieru
Date Deposited: 30 Aug 2024 09:14
Last Modified: 02 Sep 2024 05:58
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27801
PPN: 521017076
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