ARO 406 MDOF - trylam.comMULTIEDOFSYSTEMS$ Week7 Winter!2016!...

42
ARO 406: Advance Dynamics and Vibra7ons of Aerospace Systems Winter 2016 Try Lam Department of Aerospace Engineering California State Polytechnic University, Pomona

Transcript of ARO 406 MDOF - trylam.comMULTIEDOFSYSTEMS$ Week7 Winter!2016!...

ARO  406:  Advance  Dynamics    and  Vibra7ons  of  Aerospace  Systems  

Winter  2016    

Try  Lam  Department  of  Aerospace  Engineering  

California  State  Polytechnic  University,  Pomona  

MULTI-­‐DOF  SYSTEMS  Week  7  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     2  

Content  

•  IntroducKons  •  EquaKons  of  MoKon  for  MDOF  •  Matrix  Method  •  Undamped  Normal  Modes  •  Damping  with  MDOF  •  Response  of  MDOF  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     3  

Introduc7ons  

•  MulK-­‐Degree  of  Freedom  (MDOF)  system  are  systems  where  you  have  at  least  2  DOF.  

•  The  method  describe  here  is  for  simple  MDOF  system  (i.e.,  no  FEM  and  a  few  DOF)      

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     4  

Equa7ons  of  Mo7on  (Current  Method)  

•  For  the  system  on  the  right  we  can  use  a  number  of  current  methods  we  already  steady  to  derive  the  EOM.  –  Using  Newton’s  Law  –  Using  Energy  Method  –  Using  SKffness  Matrix  –  Using  Lagrange’s  EquaKon  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     5  

Equa7ons  of  Mo7on  (Newton’s  Law)  

•  EquaKons  of  MoKon  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     6  

Matrix  Method  

•  For  the  analysis  of  the  MDOF  responses  it  is  essenKal  to  use  Matrix  methods  

•  The  basic  ideas  are  –  Coordinate  transformaKon  of  basic  mass  and  sKffness  elements  to  equaKons  in  the  global  coordinates  (usually  by  some  FE  method).  

–   TransformaKon  of  the  global  coordinates  to  modal  coordinates  (matrix  method).  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     7  

Mass  Transforma7on  to  Global  Coordinate  

•  Assume  some  linear  relaKon  between  the  actual  posiKon  of  the  mass  element  and  the  global  coordinate  given  by  

 where  {r}  is  the  vector  displacement  and  {z}  is  the  global    displacement  

•  If  given  a  kineKc  energy  of  the  form  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     8  

Mass  Transforma7on  to  Global  Coordinate  

•  Since  we  have          and  

•  Then      

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     9  

S7ffness  Transforma7on  to  Global  Coord.  

•  Now  if  we  look  at  the  potenKal  energy  we  see  that  

•  Now  assuming  a  linear  relaKon  of  the  form  •  The  potenKal  energy  can  now  be  wri`en  as  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     10  

Example  6.1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     11  

Example  6.1  

•  Since  we  have  no  external  forces  or  dampers  the  EOM  is  of  the  form  

•  The  mass  matrix  is    

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     12  

Example  6.1  

•  The  transformaKon,  [Xm]  is  found  by  geometry,  and  is  the  transformaKon  matrix  for  small  angles  between  the  5  displacements  of  the  5  ‘mass’  elements  (m,  I,  m1,  m2,  m3)  to  the  2  global  coordinates  (z,  θ).  

•  The  matrix  is  therefore  a  5  x  2  matrix  –  1st  column  is  the  transformaKon  due  to  the  displacement  (rm,  rI,  rm1,  rm2,  

rm3)  when  z  is  increased  form  0  to  1  unit  (displaced  1  unit  upward)  –  2nd  column  is  the  transformaKon  due  to  the  displacement  (rm,  rI,  rm1,  rm2,  

rm3)  when  θ  is  increased  by  1  unit  clockwise  (1  radian)  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     13  

r{ }= Xm[ ] z{ }

rm rI rm1 rm2 rm3{ }T= Xm[ ] z

θ

!"#

$#

%&#

'#

Example  6.1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     14  

•  Therefore  

Example  6.1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     15  

•  Therefore  for  the  mass  matrix  we  have  

Example  6.1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     16  

•  The  sKffness  matrix  from                is      

•  To  find  [Xs],  we  must  again  look  at  the  global  displacement  of  1  unit  for  z  and  θ.    NoKng  that  sn  =  kn  (displacement).  Therefore:  

K{ }= XS[ ]T k!" #$ XS[ ] = XS[ ]Tk1 00 k2

!

"%%

#

$&&XS[ ]

Example  6.1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     17  

•  The  sKffness  matrix  is  now  

•  So  finally  we  have:  

Modal  Coordinates  

•  So  far  we  have  considered  coordinates  that  are  easily  to  recognize  (i.e.,  along  an  axis  from  a  mass).      –  In  general,  for  larger  systems,  we  idenKfy  displacements  (translaKons  and  rotaKons)  of  global  coordinates  at  nodes,  and  look  at  displacements  only  at  the  points  of  interests.  

•  For  MDOF  system,  however,  it  is  possible  to  define  modal  coordinates  –  Represents  moKon  of  a  system  by  coordinates    –  A  mode  is  a  set  of  displacements  for  the  enKre  structure  –  Changing  a  single  modal  coordinate  can  affect  the  displacement  over  all  or  part  of  the  structure  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     18  

Modal  Coordinates  

•  There  are  two  types  (classes)  of  modes  –  Normal  modes:  special  modes  where  the  mass  and  sKffness  matrices  are  diagonal  

•  MoKon  of  each  mode  can  be  treated  independently  of  other  modes  •  Each  mode  can  then  be  treated  as  a  SDOF    

–  Assumed  (or  arbitrary)  shapes.  Combined  with  normal  modes  and  the  displacement  funcKons  (FEM)  are  assumed  modes  defined  between  nodes.  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     19  

Global  to  Modal  Coordinates  

•  StarKng  with  the  equaKons  for  the  global  coordinates  

•  We  want  an  alternate  form  in  modal  coordinates    

•  Define  a  transformaKon  

–  If  the  number  of  {q}  <<  number  of  {z}  then  high  frequency  informaKon  is  lost.  IF  number  {q]  =  number  {z},  then  no  loss.  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     20  

Global  to  Modal  Coordinates  

•  TransformaKon  of  the  Mass  Matrix  –  From  the  KineKc  Energy  we  have  

 where  

•  TransformaKon  of  the  SKffness  Matrix  –  From  the  PotenKal  Energy  

 where      Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     21  

Global  to  Modal  Coordinates  

•  TransformaKon  of  the  External  Forces  –  From  {F}  to  {Q}  using  virtual  work  

•  Thus  we  have  

 where  

–  These  relaKonships  apply  to  any  transformaKon  from  global  into  modal  coordinates,  whether  the  modes  are  assumed  or  normal  modes.    

           ,            ,        Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     22  

Example  6.2  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     23  

Example  6.2  

•  Using  the  following  transformaKon  

–  Arbitrary  decided  that  the  1st  mode  is  [1,  1]T  and  2nd  mode  is  [0,  1]T    

–  1st  mode:  2  masses  move  1  unit  upward  together  •  Compresses  k1  but  not  k2  

–  2nd  mode:  m1  doesn’t  move  and  m2  moves  1  unit  upward  •  Compresses  k2  but  not  k1  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     24  

Part (a)

Therefore, no coupling of the stiffness

Example  6.2  

•  Using  the  transformaKon  we  get  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     25  

Part (a)

Example  6.2  

•  Form  the  force  we  have  

 plug  this  into  the  previous  equaKon  •  Local  Kme  history  can  be  found  from    

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     26  

Part (b)

Undamped  Normal  Modes  

•  A  special  set  of  coordinates  will  diagonalize  [M]  and  [K].  This  happens  if  the  columns  of  the  transformaKon  maKx  X  are  the  “eigenvectors”  or  the  natural  mode  shape  of  the  system.      

•  Eigenvectors  means  the  characterisKc  moKon  of  the  system,  and  the  eigenvalues  are  the  characterisKc  frequencies  of  vibraKon.  

•  Eigenvectors  and  eigenvalues  can  be  real  or  complex:  –  If  no  damping,  they  are  both  real  –  Most  cases,  with  damping,  eigenvalues  and  eigenvectors  are  complex  –  If  proporKonal  damping,  eigenvalues  are  complex  but  vectors  are  real  –  If  damping  is  small,  they  are  “almost”  real,  and  works  well  for  many  

structures  –  If  gyroscopic  coupling  (i.e.,  turntable),  get  complex  modes.  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     27  

Finding  Eigenvector  and  Eigenvalues  (undamped  system)  

•  Start  with  the  physical  system  (F=0)  

•  Assume  soluKon  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     28  

Finding  Eigenvector  and  Eigenvalues  (undamped  system)  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     29  

Finding  Eigenvector  and  Eigenvalues  (undamped  system)  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     30  

Finding  Eigenvector  and  Eigenvalues  (undamped  system)  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     31  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     32  

Recall:

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     33  

•  Omimng  the  applied  force  (homogenous  equaKons)  

(Eq. 6.3.1)

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     34  

•  Solve  for  the  two  eigenvalues  

Find the eigenvector by substituting the eigenvalues back into Eq. 6.3.1, one at a time.

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     35  

•  Solve  for  the  two  eigenvectors  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     36  

•  Modes  

0.56

1.00

1.00

0.28

MODE 1 MODE 2

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     37  

•  TransformaKon  EquaKon:  transformaKon  matrix  [X]  is  formed  using  the  eigenvectors.  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     38  

•  EquaKon  in  normal  coordinates  

Both mass and stiffness matrices are diagonal (no cross coupling)

NOTE: magnitude of generalized modal mass and stiffness are arbitrary since they depend on how the eigenvectors are scaled.

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     39  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     40  

Method 1: On Scaling

•  If  the  diagonal  mass  and  sKffness  modal  coordinates  are  known  the  rescale  by  α.  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     41  

Method 1: On Scaling

•  Then  

Example  6.3  

Winter  2016   ARO  406:  Advance  Dynamics  of  Aerospace  Systems     42  

Method 2: On Scaling

•  More  directly  

Therefore you get the same udpated eigenvectors