Untersuchung und Anwendung komplexer, nichtlinearer, dynamischer Zustände in reiberregten mechanischen Systemen
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Reibung spielt eine zentrale Rolle in einer Vielzahl technischer Systeme. Trockene Reibung wird beispielsweise oft zur Lebensdauererhöhung und Schwingungsdämpfung genutzt. Eine Schwierigkeit bei Systemen mit Reibung liegt dabei oft im Auftreten reiberregter Schwingungen durch Mechanismen der Selbsterregung. Diese finden sich oft bei Fügestellen und Lagern in Fahrzeugen oder der Luftfahrt, in Systemen der Biomechanik wie Prothesensystemen, aber auch im Alltag beim Quietschen von Türgelenken oder der Geräuschemission von Kreide auf der Tafel. Reiberregte Schwingungen können zu Geräuschemission führen, so bei Streichinstrumenten oder der Stridulation von Insekten, die diese bisweilen auch zur Kommunikation nutzen. Eine besondere Schwierigkeit reiberregter Schwingungen besteht in ihrer scheinbaren Zufälligkeit oder Sensibilität. Bei annähernd gleichen Rand- und Anfangsbedingungen treten sie manchmal nicht in hohem Maße reproduzierbar auf. Dies könnte auf das Auftreten transienter nichtlinearer Zustände zurückzuführen sein. Daher wurden im vorliegenden Projekt räumlich lokalisierte und propagierende nichtlineare Schwingungszustände untersucht. Die Ergebnisse tragen dazu bei, reibbehaftete Systeme in ihrem Antwortverhalten besser zu verstehen und entsprechend auslegen zu können. In einem ersten Arbeitsschritt wurde das grundsätzliche Auftreten räumlich lokalisierter reibungsselbsterregter Schwingungen an Hand eines diskreten Modellsystems untersucht. Das Modell vereinbart dabei Einfachheit bei gleichzeitiger Berücksichtigung verschiedener System-Nichtlinearitäten. Die beiden verbreitetsten Selbsterregungsmechanismen wurden berücksichtigt: Eine mit der Relativgeschwindigkeit fallende Reibkennlinie und reiberregte Flatterschwingungen. Nachfolgend wurden transiente Übergangszustände wie Fronten und Pulse untersucht und in Zusammenhang mit linearer oder effektiv linearisierter Wellenmechanik gebracht. Effektive analytische Ersatzmodelle wurden abgeleitet. Auf diesen Ergebnissen aufbauend konnten Grundprinzipien für ein verbessertes Verständnis der Auslegung reibbehafteter Systeme im Kontext von Fronten, Pulsen und räumlich lokalisierten Schwingungen entwickelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Multiple spatially localized dynamical states in friction-excited oscillator chains. Journal of Sound and Vibration, 417, 56-64.
Papangelo, A.; Hoffmann, N.; Grolet, A.; Stender, M. & Ciavarella, M.
-
Multistability and localization in forced cyclic symmetric structures modelled by weakly-coupled Duffing oscillators. Journal of Sound and Vibration, 440, 202-211.
Papangelo, A.; Fontanela, F.; Grolet, A.; Ciavarella, M. & Hoffmann, N.
-
Nucleation and propagation of excitation fronts in self-excited systems. Physica D: Nonlinear Phenomena, 401, 132176.
Shiroky, I.B.; Papangelo, A.; Hoffmann, N. & Gendelman, O.V.
-
Numerical and experimental analysis of the bi-stable state for frictional continuous system. Nonlinear Dynamics, 102(3), 1361-1374.
Tonazzi, D.; Passafiume, M.; Papangelo, A.; Hoffmann, N. & Massi, F.
-
The Basin Stability of Bi-Stable Friction-Excited Oscillators. Lubricants, 8(12), 105.
Stender, Merten; Hoffmann, Norbert & Papangelo, Antonio
-
Experimental observations of nonlinear vibration localization in a cyclic chain of weakly coupled nonlinear oscillators. Journal of Sound and Vibration, 497, 115952.
Niedergesäß, B.; Papangelo, A.; Grolet, A.; Vizzaccaro, A.; Fontanela, F.; Salles, L.; Sievers, A.J. & Hoffmann, N.
-
Nonlinear vibration localisation in cyclic engineering structures. PhD Thesis, Hamburg University of Technology
Niedergesäß, B.
