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Simulation des dynamischen und akustischen Verhaltens aktiver Systeme im Zeitbereich

Herold, Sven :
Simulation des dynamischen und akustischen Verhaltens aktiver Systeme im Zeitbereich.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Hauptteil (142 Seiten) - PDF
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Anhang Teil 1 (16 Seiten) - PDF
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Anhang Teil 2, Literaturverzeichnis (28 Seiten) - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Simulation des dynamischen und akustischen Verhaltens aktiver Systeme im Zeitbereich
Language: German
Abstract:

Hohe Effizienz, Funktionalität und Qualität bei gleichzeitig hoher Rentabilität sind die Hauptanforderungen an Erzeugnisse in der heutigen Zeit. Im Maschinenbau äußern sich diese Anforderungen unter anderem in der Anwendung des Leichtbauprinzips. Mechanische Leichtbaustrukturen neigen allerdings oft zu unerwünschten Vibrationen oder strahlen Schall ab. Eine neue Qualität im Entwicklungsprozeß stellt die Einbeziehung aktiver Systeme dar. Mit Hilfe des aktiven Strukturkonzeptes wird es möglich, die Vibrationsanfälligkeit und die Neigung zur Schallabstrahlung von Leichtbaustrukturen zu vermindern. In der Arbeit wird eine Strategie zur Berechnung aktiver Struktursysteme im Zeitbereich entwickelt. Diese Aufgabe umfaßt die Modellierung von mechanischen Leichtbaustrukturen, Aktuatoren, Sensoren, Regelungsalgorithmen und Fluiden. Außerdem werden die komplexen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Mechanismen modelliert. Oben genannte Schritte dienen der Vorbereitung einer modularen Simulation des aktiven Gesamtsystems im Zeitbereich, bestehend aus Struktur, Sensoren, Aktuatoren und Regelung. Für die transienten Simulationen werden zur Verringerung des Berechnungsaufwandes modal reduzierte Zustandsraummodelle verwendet. Die Kopplung von mechanischer Struktur und Fluid erfolgt ebenfalls im Modalraum. Für die Modellierung der Schallabstrahlung mechanischer Strukturen in das akustische Freifeld wird die Punktstrahlersynthese angewandt. Eine neue Strategie der Modellierung piezokeramischer Folien auf Leichtbaustrukturen wird hergeleitet und diskutiert. Zusätzlich werden die Wechselwirkungen zwischen Signalverstärkern und piezokeramischen Folien betrachtet. Durch die Anwendung der modalen Regelung wird die Steuerung einzelner Freiheitsgrade der Struktur möglich. Die Kombination von Positiver Positionsrückführung (PPF) mit der modalen Separation wird zur Implementierung auf Signalprozessoren mit Hilfe des Impulsinvarianzdesigns digitalisiert. Eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit digitalisierter PPF-Regler wird durch die Berücksichtigung von Anti-Aliasing- und Rekonstruktionsfiltern bei der Reglerauslegung erreicht. Die Zeitbereichssimulation ermöglicht die Berücksichtigung zeitvarianter Regler. Hierzu wird ein adaptiver feed forward Algorithmus mit gefiltertem Fehlersignal (FELMS) implementiert und getestet. Die Verifikation der Simulationsergebnisse der aktiven Gesamtsysteme erfolgt anhand von drei Experimenten. Hier wird gezeigt, daß die vorgestellte Methode, trotz der getroffenen Vereinfachungen und Annahmen, eine sehr gute Abbildung des Verhaltens aktiver Struktursysteme erlaubt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
High efficiency, functionality and quality while at the same time assuring high profitabiltiy are the main requirements of products today. In the field of mechanical engineering these demands are manifest in the application of the principle of light weight structures. But light weight structures often tend to unwanted vibrations or to emit sound. A new quality in the development process is the integration of the smart structure technology. The susceptibilty to vibrations and the tendency to emit sound can be reduced in light weight structures with the help of the smart structures concept. This thesis develops a strategy for the calculation of smart structures in the time domain. This assignment involve modelling mechanical light weight structures, actuators, sensors, control algorithms and fluids. Additionally, the complex interactions between the invidual mechanisms will be modelled. The above steps are necessary to prepare a modular simulation of the entire smart system in the time domain, including the mechanical structure, sensors, actuators and the controller. To minimize the computational effort in transient simulations, modal reduced state space models will be used. The coupling of mechanical structure and fluid is also carried out in the modal space. To model sound radiation of mechanical structures in the acoustical free field, the point source approach is used. A new strategy for modelling thin piezo-ceramic films applied to light weight structures is developed and discussed. Additionally, the interactions between signal conditioning amplifiers and thin piezo-ceramic films are considered. The application of the independent modal space control allows the modal degrees of freedom of the structure to be influenced separately. With the help of the impulse invariant design method, the Positive Position Feedback (PPF) is implemented in combination with the modal separation using digital signal processors. To improve the performance of the PPF-controller, the Anti-Aliasing- and reconstruction filters are considered in the design process of the controller. The time domain simulation makes it possible to consider time varying control laws. For this purpose, an adaptive feed forward algorithm with a filtered error signal (FELMS) is implemented and tested. Three experiments are performed to verify the simulation results of the whole active systems. The numerical calculations and the experimental results correspond very well, taking the simplifications and assumptions into account. Thus, the introduced method is a contribution to the modelling of active structural systems.English
Uncontrolled Keywords: smart structures, vibrations, acoustics, piezoceramics, control
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
smart structures, vibrations, acoustics, piezoceramics, controlEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000385
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3856
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hanselka, Prof. Dr.- Holger and Schäfer, Prof. Dr. Michael
Advisors: Hanselka, Prof. Dr.- Holger
Refereed: 16 July 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/385
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