Δυναμική Μηχανών I. Ιδιοανυσματική Ανάλυση

Transcript

1 Δυναμική Μηχανών I 6 3 Ιδιοανυσματική Ανάλυση

2 2015 Δημήτριος Τζεράνης, Ph.D Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π. Απαγορεύεται οποιαδήποτε αναπαραγωγή χωρίς άδεια

3 Περιεχόμενα Ιδιοανυσματική Ανάλυση σε Συστήματα ΣΔΕ 2ης Τάξης Χωρίς Απόσβεση Διεγερσιμότητα και Παρατηρησιμότητα Ιδιομορφών Ιδιοανυσματική Ανάλυση σε Συστήματα ΣΔΕ 2ης Τάξης Με Απόσβεση Ιδιοανυσματική Ανάλυση σε Συστήματα ΣΔΕ 1ης Τάξης

4 Η βασική ιδέα Ιδιοανυσματική Ανάλυση σε Συστήματα ΣΔΕ 2ης Τάξης Χωρίς Απόσβεση

5 ΠΑΣ σε Σύστημα ΣΔΕ Έστω το Π.Α.Σ. σε σύστημα Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης χωρίς απόσβεση Μ q + K q = G f q(0) = q 0 q(0) = q 0 q Συνολική λύση: q t = q h t + q p t Το σύστημα έχει Ν ιδιοανύσματα i φ και ιδιοτιμές i ω, τα οποία ορίζουν μια βάση του διανυσματικού χωρου Ν-διάστατου χώρου R Ν To Ν Ν μητρώο ιδιοανυσμάτων Φ είναι μια βάση του R Ν Φ = 1 φ Ν φ

6 Ιδιοανυσματικός Μετασχηματισμός Ιδιοανυσματικός μετασχηματισμός q = Φ η Φ = 1 φ Ν φ είναι το μητρώο ιδιοανυσμάτων (ο πίνακας του οποίου η i- ιοστή στήλη είναι το i-ιοστό ιδιοάνυσμα i φ) η t = η 1 η N Τ είναι το διάνυσμα των αποκρίσεων των ιδιομορφών Η σχέση αυτή γράφεται και ως q = Φ η = Ν i=1 { i φ η i } Δηλαδή η απόκριση q εκφράζεται σαν μια επαλληλία των Ν ιδιοανυσμάτων. Οι μεταβλητή η i εκφράζει την συνεισφορά του i-ιοστού ιδιοανύσματος στην απόκριση q

7 Ιδιοανυσματικός Μετασχηματισμός Οι μεταβλητές η αρκούν για την περιγραφή της απόκρισης q των Β.Ε. του συστήματος ως: q = Φ η Μέσω του ιδιοανυσματικού μετασχηματισμού, οι Ν πεπλεγμένες ΣΔΕ 2 ης τάξης ως προς q Μ q + K q = G f θα μετασχηματιστούν σε Ν ανεξάρτητες ΣΔΕ 2 ης τάξης, κάθε μια από τις οποίες περιγράφει την δυναμική μιας από τις η i.

8 Αποσύζευξη Δυναμικών Εξισώσεων 1. Αντικαθιστούμε τον ιδιοανυσματικό μ/χ στο σύστημα ΣΔΕ M Φ η + K Φ η = G f 2. Πολλαπλασιάζουμε από αριστερά με Φ Τ Φ Τ M Φ η + Φ Τ K Φ η = Φ Τ G f t 3. Λόγω των ιδιοτήτων των ιδιοανυσμάτων Φ Τ M Φ = diag μ ii Φ Τ K Φ = diag(κ ii ) Οι δυναμικές εξισώσεις ως προς τις μεταβλητές η t γίνονται η + diag( i ω 2 ) η = diag μ 1 ii Φ Τ G f t κ ii μ ii = i ω 2

9 Δυναμικές Εξισώσεις ως προς τις Μεταβλητές η t Οι δυναμικές εξισώσεις ως προς τις μεταβλητές η t είναι: η + diag( i ω 2 ) η = diag μ 1 ii Φ Τ G f t Ή ισοδύναμα Ν αποσυμπλεγμένες ΣΔΕ 2 ης τάξης η ω 2 η 1 = 1 γ f t η Ν + Ν ω 2 η N = Ν γ f t Όπου i γ = i φ T G μ ii = i φ T G i φ T Μ Κάθε δυναμική εξίσωση 2 ης τάξης μπορεί να λυθεί αναλυτικά και να υπολογιστεί η απόκριση η i i φ

10 Αρχικές Συνθήκες ως προς τις Μεταβλητές η t Οι αρχικές συνθήκες υπολογίζονται ως q 0 = Φ η 0 η 0 = Φ 1 q 0 q 0 = Φ η 0 η 0 = Φ 1 q 0 Στην περίπτωση που i) το σύστημα δεν έχει επαναλαμβανόμενες ιδιοτιμές, ii) το σύστημα δεν έχει κίνηση στερεού σώματος, και ii) τα ιδιοανύσματα έχουν κανονικοποιηθεί ώστε να έχουν μοναδιαίο μέτρο τότε Φ 1 = Φ Τ. Σε αυτή τη περίπτωση, οι Α.Σ. για την i-ιοστή μεταβλητή η i t είναι: η i 0 = i φ T q 0 η i 0 = i φ T q 0

11 Επίλυση Συστημάτων Ν Β.Ε. Μέσω Ιδιοανυσματικού Μετασχηματισμού To ΠΑΣ για το σύστημα Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης μετασχηματίζεται σε Ν ΠΑΣ ΣΔΕ 2 ης τάξης υπολογίζονται η i t υπολογίζεται η απόκριση των Β.Ε. από την σχέση του ιδιοανυσματικού μ/χ q = Φ η η ω 2 η 1 = 1 γ f t η 1 0, η 1 0 η 1 M q + K q = G f q 0 = q 0, q 0 = q 0 η ω 2 η 2 = 2 γ f t η 2 0, η 2 0 η 2 q = Φ η η Ν + Ν ω 2 η Ν = Ν γ f t η Ν 0, η Ν 0 η Ν

12 Επίλυση Μέσω Ιδιοανυσματικού Μετασχηματισμού Συνήθως, η απόκριση ενός συστήματος Ν Β.Ε. καθορίζεται από την απόκριση ενός περιορισμένου αριθμού N r ιδιοανυσμάτων Συνήθως τα πρώτα ιδιοανύσματα (χαμηλότερες ιδιοσυχνότητες) καθορίζουν την απόκριση σε μεγάλο βαθμό q = Φ η = Ν i=1 { i φ η i } N r { i φ η i } Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του υπολογισμού της απόκρισης q t μέσω ιδιοανυσματικού μ/χ είναι ότι η q t προκύπτει από την επίλυση ενός περιορισμένου αριθμού ΣΔΕ 2 ης τάξης για τα η i αντί για την επίλυση του πολύπλοκου και μεγάλου συστήματος Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης i=1

13 Επίλυση Μέσω Ιδιοανυσματικού Μετασχηματισμού Συνήθως, η απόκριση καθορίζεται από την απόκριση ενός περιορισμένου αριθμού N r ιδιοανυσμάτων Οι χαμηλές ιδιοσυχνότητες/ιδιοανύσματα καθορίζουν την απόκριση σε μεγάλο βαθμό q = Φ η = Ν i=1 { i φ η i } N r { i φ η i } Ακόμα και σε μοντέλα πολύπλοκων κατασκευών μπορεί να περιέχουν Β.Ε., η απόκριση q t σε συστήματα πολλών Β.Ε. προκύπτει συνήθως από την επίλυση ενός περιορισμένου αριθμού συστημάτων 1 Β.Ε. η i i=1

14 Ανεξαρτησία Ιδιομορφών Σε ένα σύστημα (χωρίς κίνηση στερεού σώματος) αν η αρχική συνθήκη είναι πολλαπλάσια ενός ιδιοανύσματος j φ: q 0 = κ j φ, q 0 = 0 Τότε οι αντίστοιχες αρχικές συνθήκες για τα η i t είναι: η i 0 = i φ T q 0 = i φ T κ j φ = κ, i = j 0, i j η i 0 = i φ T q 0 = 0 Οπότε (επειδή f t = 0) μόνο η απόκριση του j-ιοστού ιδιοανύσματος είναι μη μηδενική η i t = 0, i = j 0, i j Οπότε η απόκριση q t θα αποτελείται από μόνο την απόκριση του ιδιοάνυσματος j: q t = j φ η j t

15 Πως επιδράμε και παρατηρούμε ιδιομορφές Διεγερσιμότητα και Παρατηρησιμότητα Ιδιομορφών

16 Διεγερσιμότητα i-ιοστής Ιδιομορφής Η επίλυση του παρακάτω ΠΑΣ δίνει την απόκριση η i t της συνεισφοράς της i-ιοστής ιδιομορφής στην απόκριση q η i + i ω 2 η i = i γ f t η i 0, η i 0 Το i γ περιγράφει πόσο έντονα η f t θα διεγείρει το ιδιοάνυσμα i. i γ = i φ T G μ ii = i φ T G i φ T Μ i φ

17 Διεγερσιμότητα i-ιοστής Ιδιομορφής Μια διέγερση f t : Θα διεγείρει σημαντικά την i-ιοστή ιδιομορφή η i t όταν τα στοιχεία του i φ στις θέσεις που ασκείται η f t (τα στοιχεία όπου το διάνυσμα G έχει μη μηδενικά στοιχεία) είναι σημαντικά Θα διεγείρει λίγο το η i t όταν τα στοιχεία του i φ στις θέσεις που ασκείται η f t τείνουν στο μηδέν Έχει σημασία που θα ασκηθεί μια δύναμη f t σε μια κατασκευή (όσο αφορά τις ταλαντώσεις που θα προκαλέσει)

18 Παρατηρησιμότητα i-ιοστής Ιδιομορφής Η απόκριση των Β.Ε. είναι : q t = Φ η t = Ν i=1 Η απόκριση του j-οστού Β.Ε. q j t είναι : q j t = j-ιοστό στοιχείο του i-ιοστού ιδιοανύσματος i φ Ν i=1 i φ j η i t i φ η i t Απόκριση i-ιοστής ιδιομορφής Έστω ότι μετριέται η απόκριση q j t.. Μπορεί η μέτρηση της q j t να δώσει πληροφορία σχετικά με την απόκριση της i-ιοστής ιδιομορφής η i t?

19 Παρατηρησιμότητα i-ιοστής Ιδιομορφής H απόκριση q j t σε κάποιο σημείο της κατασκευής: Επιρεάζεται σημαντικά από την απόκριση η i t του i-ιοστού ιδιοανύσματος όταν i φ j είναι μεγάλο Δεν επιρεάζεται σημαντικά από την απόκριση η i t του i-ιοστού ιδιοανύσματος όταν i φ j είναι μικρό Σε κάθε σημείο μιας κατασκευής τα διάφορα ιδιοανύσματα έχουν διαφορετική συνεισφορά στην απόκριση q j t

20 Παρατηρησιμότητα i-ιοστής Ιδιομορφής Έστω ότι: η απόκριση περιέχει μόνο 2 ιδιοτιμές μετράμε κραδασμούς στα σημεία Α, Β, Γ η i t q i q i q 1 q time [sec] 0.6 q A 0.4 q B η 1 t η 2 t q C time [sec] Α Β Γ

21 Η βασική ιδέα Ιδιοανυσματική Ανάλυση σε Συστήματα ΣΔΕ 2ης Τάξης Με Απόσβεση

22 ΠΑΣ σε Σύστημα ΣΔΕ με Απόσβεση Έστω το Π.Α.Σ. σε σύστημα Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης χωρίς απόσβεση Μ q + C q + K q = G f q(0) = q 0 q(0) = q 0 q Σε συστήματα με «λίγη απόσβεση» (π.χ. κατασκευές) Θεωρείται ότι οι ιδιοτιμές του συστήματος είναι προσεγγιστικά ίδιες με αυτές του αντίστοιχου συστήματος χωρίς απόσβεση Ο πειραματικός ή υπολογιστικός υπολογισμός του C είναι δύσκολος

23 Προβλήματα λόγω Παρουσίας Απόσβεσης Είναι επιθυμητό να καταλήξουμε σε αποσυζευγμένες ΣΔΕ για τις η i t Εφαρμόζοντας το ιδιοανυσματικό μ/χ στις ΣΔΕ με απόσβεση Φ Τ M Φ η + Φ Τ C Φ η + Φ Τ K Φ η = Φ Τ G f t diag μ ii η + Φ Τ C Φ η + diag κ ii η = Φ Τ G f t Για τυχαία μητρώα C η αποσύζευξη αποτυγχάνει διότι το μητρώο Φ Τ C Φ (το Φ περιέχει τα ιδιοανύσματα του συστήματος χωρίς απόσβεση) δεν είναι αναγκαστικά διαγώνιο Χρησιμοποιούμε δύο προσεγγιστικές μεθόδους για την περιγραφή της απόσβεσης ώστε το μητρώο Φ Τ C Φ να είναι διαγώνιο Μέθοδος Rayleigh Μέθοδος Caughey (modal damping)

24 Μέθοδος Rayleigh Το μητρώο απόσβεσης προσεγγίζεται ως C = β 1 M + β 2 K Όπου β 1, β 2 είναι αριθμητικοί συντελεστές Το μητρώο αυτό διαγωνοποιείται ως: Φ Τ C Φ = β 1 diag μ ii + β 2 diag κ ii Οπότε μετά τον ιδιοανυσματικό μετασχηματισμό, ο λόγος απόσβεσης i ζ για το i- ιοστό ιδιοάνυσμα υπολογίζεται ως: 2 i ζ i ω = β 1 μ ii + β 2 κ ii i ζ = β 1 μ ii + β 2 κ ii 2 i ω Με αυτή τη μέθοδο μπορούν να επιλεγούν ανεξάρτητα οι λόγοι απόσβεσης για 2 ιδιοανύσματα (μέσω των β 1, β 2 )

25 Μέθοδος Caughey (Modal Damping) Για κάθε μια από τις Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης που προκύπτουν από ιδιοανυσματικό μ/χ για την απόκριση της η i t θεωρείται ένας προσεγγιστικός λόγος απόσβεσης i ζ Η ακριβής μορφή του μητρώου C δεν έχει σημασία Στην πράξη χρειάζεται να εκτιμηθούν τα i ζ μόνο για τα N r πρώτα ιδιοανύσματα που συμπεριλαμβάνονται στην ανάλυση Η απόκριση της i-ιοστής ιδιομορφής προκύπτει λύνοντας το ακόλουθο πρόβλημα αρχικών συνθηκών η i + 2 i ζ i ω η i + i ω 2 η i = i γ f t η i 0, η i 0

26 Μέθοδος Caughey (Modal Damping) To ΠΑΣ για το σύστημα Ν ΣΔΕ 2 ης τάξης μετασχηματίζεται σε Ν R ΠΑΣ ΣΔΕ 2 ης τάξης υπολογίζονται η i t για i = 1,, N R υπολογίζεται η απόκριση των Β.Ε. από την σχέση του ιδιοανυσματικού μ/χ q = Φ η η ζ 1 ω η ω 2 η 1 = 1 γ f t η 1 0, η 1 0 η 1 M q + C q 0 = q 0, q + K q = G f q 0 = q 0 η ζ 2 ω η ω 2 η 2 = 2 γ f t η 2 0, η 2 0 η 2 q η ΝR + 2 Ν R ζ Ν R ω η ΝR + Ν R ω 2 η ΝR = Ν R γ f t η ΝR 0, η ΝR 0 η Ν

27 Μέθοδος Caughey (Modal Damping) Χωρίς απόσβεση Με απόσβεση Α Β Γ q 1 q q 1 q 2 1 q i q i time [sec] 1.5 q A 1 q B q C time [sec] q i q i time [sec] 1.5 q A q 1 B q C time [sec] 1 ω=4 rad/sec, 2 ω=11 rad/sec 1 ω=4 rad/sec, 2 ω=11 rad/sec, 1 ζ=0.05, 2 ζ=