Op substructurering gebaseerde parametrische modelorde reductiestrategieën voor efficiënte structuurdynamische simulatie van geassembleerde mechanische systemen

Met de voortdurende vooruitgang van geassembleerde mechanische systemen, waaronder voertuigen, vliegtuigen en machines, wordt de nadruk op lichtgewicht ontwerp om ecologische en economische redenen en het gebruik van multi-materiaalcombinaties steeds couranter. Verbindingen spelen een cruciale rol in het waarborgen van de prestaties van deze structuren, door de lichtgewicht en multi-materiaalcomponenten op een effectieve manier met elkaar te verbinden. Bovendien gaat de zoektocht naar gewichtsvermindering vaak gepaard met ongewenste geluids-, trillings- en ruwheidseigenschappen (NVH), terwijl verbindingen daarop een potentieel sterke impact hebben. Daarom is het begrijpen van de invloed van deze verbindingen op het structuurdynamisch gedrag essentieel voor het ontwerp en de werking van mechanische assemblages.

Tegelijkertijd benadrukt de industriële vooruitgang richting digitale transformatie de noodzaak voor vergevorderde digitalisering van mechanische systemen. Dit biedt potentieel voor vooruitgang in toepassingen zoals ontwerp, identificatie, optimalisatie en operationele monitoring. Numerieke modellen die de realiteit nauwkeurig kunnen weergeven, zijn hierbij zeer waardevol. De eindige-elementenmethode is een krachtig en veelzijdig numeriek instrument dat vaak wordt gebruikt in de industrie, maar computationeel intensief kan zijn voor grootschalige systemen. Om dit aan te pakken, worden modelorde reductietechnieken (MOR) ingezet om de modelgrootte effectief te verkleinen, wat snelle berekeningen mogelijk maakt met nauwkeurige voorspellingen. Deze methoden worden ook uitgebreid met parametrische MOR (pMOR) voor efficiëntere parametrische studies, gangbaar in diverse toepassingen zoals ontwerp en optimalisatie. Daarenboven wordt voor grootschalige systemen (p)MOR vaak gecombineerd met substructurering, wat de systemen opdeelt in kleinere substructuren. Deze aanpak vereenvoudigt het reductieproces, maakt isolatie van lokale effecten mogelijk en bevordert modulariteit in systeemanalyse. Bestaande (p)MOR-methoden zijn echter niet goed geschikt in een substructureringscontext voor mechanische assemblages met verbindingen, vanwege hun complexe fysieke eigenschappen en de optredende fenomenen. Onder de verbindingsmethoden worden lijm- en boutverbindingen veel gebruikt in lichtgewicht ontwerpen en voor multi-materiaalcombinaties. Deze introduceren lokaal frequentieafhankelijke visco-elastische materiaaleigenschappen voor de lijmen, of contact non-lineariteiten voor de boutverbindingen. Daarom is het primaire doel van dit proefschrift het ontwikkelen van pMOR-strategieën voor de structuurdynamische simulatie van geassembleerde mechanische systemen met lijm- en boutverbindingen.

Om modelreductie op basis van substructurering van gelijmde assemblages mogelijk te maken, is de eerste bijdrage een pMOR-strategie voor visco-elastische substructuren. Verbeteringen aan de Craig-Bampton (CB) methode en lokale interface-reductie worden voorgesteld, samen met een nieuwe interpolatievariabele. Deze strategie maakt efficiënte parametrische studies van systemen met visco-elastische lijmverbindingen mogelijk. Een tweede bijdrage introduceert een adaptief reductiealgoritme zonder benadering van het visco-elastische materiaalmodel. Deze ontwikkeling, in de eerste plaats gericht op visco-elastische structuren in plaats van substructurering, wordt bereikt door twee lagen Krylov-deelruimten toe te passen, voor frequentie en visco-elasticiteit. Dit algoritme kan efficiëntere (p)ROMs genereren met dezelfde nauwkeurigheid als methoden gebaseerd op visco-elastische materiaalmodelbenadering.

De derde bijdrage is een bemonsteringsvrije substructureringsgebaseerde pMOR-strategie voor systemen met boutverbindingen. Deze strategie gebruikt twee lagen van het CB-kader in combinatie met de Krylov-deelruimte om contact niet-lineariteit aan te pakken tijdens de reductie. De transformatie van substructuurmodellen naar multi-inputsystemen elimineert de noodzaak voor bemonstering. Deze strategie verhoogt de computationele efficiëntie, waardoor efficiënte modelevaluaties over een breed bereik van parameters mogelijk zijn.

Om de efficiënte transiënte dynamische analyse van assemblages met meerdere verbindingen, zowel lijm- als boutverbindingen, mogelijk te maken, is de vierde bijdrage een efficiënt kader voor tijdsdomeinsimulatie door combinatie van de reeds voorgestelde substructureringsgebaseerde pMOR-methoden en het integreren van verschillende oplossingsstrategieën.

Om modelreductie voor multi-substructuur assemblages met veel parameters gemakkelijker en efficiënter te maken, introduceert de vijfde bijdrage een adaptief multi-level pMOR-algoritme. Dit algoritme is effectief voor toepassingen zoals lokaal resonante metamaterialen, die opkomen als nieuwe lichtgewicht NVH-oplossingen en die bestaan uit talrijke eenheidscel substructuren met mogelijk onafhankelijke parameters. De multi-level pMOR toont verbeterde efficiëntie in vergelijking met andere reductiestrategieën. Het adaptieve algoritme, door een Kriging surrogaatmodel aangedreven, verbetert de efficiëntie voor robuuste pROM-constructie, vergeleken met conventionele gulzige zoekmethoden.