Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eignen sich durch ihre Leichtbaueigenschaften hervorragend für den Einsatz in schnell drehenden Strukturen, wie elektrischen Maschinen, Turbomaschinen oder Schwungrad-Energiespeichern. Zur Entwicklung solcher Rotoren sind numerische Modelle zur Versagensprädiktion nötig, die durch ortsaufgelöste In-Situ-Messungen während der Rotation validiert und kalibriert werden müssen. Hierbei ist das rotationslastabhängige Deformations-, Schädigungs- und Modalverhalten von besonderem Interesse. Mit lokalen elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen, ist keine Vollfeldmessung möglich. Mit optischen Nahfeldmethoden, wie der digitalen Bildkorrelation, kann die nötige Robustheit gegenüber hohen Oberflächengeschwindigkeiten und Out-of-Plane-Bewegungen nicht erreicht werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Auswertung des Fernfeldes optischer Beugungsgitter die orts- und zeitaufgelöste Messung von Deformationsfeldern mit hoher Robustheit gegenüber der Oberflächengeschwindigkeit möglich ist. Es konnte erstmals das drehzahlabhängige Dehnungsfeld mit Messunsicherheiten zwischen 100 und 300 μm/m und Ortsauflösungen unter einem Quadratmillimeter bei Oberflächengeschwindigkeiten über 250 m/s gemessen werden. Hierdurch konnte die Messung der Propagation von Zwischenfaserbrüchen auf einem FVK-Rotor orts- und drehzahlaufgelöst demonstriert werden. Weiterhin konnten mit den Beugungsgittersensoren die drehzahlabhängigen Frequenzgänge und Eigenformen im Rahmen einer experimentellen Modalanalyse erfasst werden. Somit werden erstmals In-Situ-Messungen des Einflusses von graduell mit der Rotationslast fortschreitenden Schädigungen auf das Modalverhalten von rotierenden FVK-Strukturen mit einem einzelnen kompakten Sensorsystem möglich.:Kurzfassung/Abstract I Danksagung IV Inhaltsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV Acronyme XV Symbole XVII 1. Einleitung 1 1.1. Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3. Ansatz und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4. Spezifizierung der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5. Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. Prinzip der Deformationsmessung mit dem Beugungsgittersensor (BGS) 11 2.1. Zweidimensionales Messmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Ortsauflösung vs. Dehnungsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Vorteile der fernfeldbasierten Deformationsmessung an schnell rotierenden Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Dreidimensionales Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5. Unsicherheit durch Nutzung des zweidimensionalen Messmodells . . . . 22 2.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 VII 3. Kompakter Zeilensensoraufbau zur Messung an schnell rotierenden Strukturen 27 3.1. Aufbau und Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Messung der In-Plane-Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1. Systematische Unsicherheiten durch Starrkörperbewegungen . . 32 3.3.2. Wellenlängendrift und zufällige Messunsicherheit . . . . . . . . . 39 3.3.3. Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4. Validierung und Charakterisierung im quasistatischen Zugversuch . . . 42 3.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung im quasistatischen Zugversuch 49 4.1. Versuchsaufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2. Statistischer Vergleich der BGS- und DIC-Ergebnisse . . . . . . . . . . 52 4.3. Detektion und Lokalisation von Schädigungen . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung an einer rotierenden GFK-Struktur 59 5.1. Aufbau und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.2. Messung der radialen Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3. Messung der Oberflächenneigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.4. Messung der Oberflächendehnung und der Schadenspropagation . . . . 67 5.4.1. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4.2. Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.3. Dehnungsfeld und Schädigungslokalisation . . . . . . . . . . . . 71 5.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6. Experimentelle Modalanalyse an einer rotierenden GFK-Struktur 79 6.1. Messung des Frequenzgangs an rotierenden Strukturen . . . . . . . . . 80 6.2. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3. Experimentelle Validierung und Vergleich der Auswertemethoden . . . 86 VIII 6.4. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5. Frequenzgänge und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.6. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7. Zusammenfassung und Ausblick 95 A. Messunsicherheitsbetrachtungen zu digitaler Bildkorrelation (DIC) 99 A.1. Makroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 A.2. Mikroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 A.3. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B. Anhang zu Kapitel 2 105 B.1. Vereinfachtes 2D-Messmodell durch Reihenentwicklung . . . . . . . . . 105 B.2. Anhang zu Abschnitt 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 C. Anhang zu Kapitel 3 109 C.1. Ausrichtung des Beleuchtungsstrahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 C.2. Schätzung der systematischen Messunsicherheit bei der Validierungsmessung der BGS-Ausleseeinheit im quasistatischen Zugversuch . . . . 109 C.3. Anhang zur Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 C.4. BGS-Ausleseeinheit mit Matrixkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 D. Anhang zu Kapitel 4 121 Literaturverzeichnis 125 Lebenslauf 141 Betreute studentische Arbeiten 144 Publikationen 146

Höhere Drehzahlen, neue Anwendungen in elektrischen Fahrzeugen und der damit verbundene Leichtbau führen zu stärkeren Schwingungsphänomenen in elektrischen Drehfeldmaschinen. Besondere Bedeutung kommt dabei lateralen Rotorschwingungen zu, die sich akustisch bemerkbar machen und im Extremfall sogar zum Versagen des gesamten Systems führen können. In diesem Beitrag wird ein neuartiges Modell vorgestellt, welches rotordynamische Phänomene beliebiger Drehfeldmaschinen in transienten Fahrzuständen unter Berücksichtigung der vollen elektromagnetischen Kopplung abbilden kann. Im vorliegenden Beitrag wird eine FEM-Validierung des vorgeschlagenen Modells präsentiert. Danach wird ein Szenario vorgestellt, bei dem magnetisch angefachte Lateralschwingungen aufklingen. / Higher Speeds, new applications in electric vehicles and the need for lightweight structures lead to increasing occurrence of vibration phenomena in rotating field electrical machines. Lateral rotor oscillations take a particular role in this context, as they produce noise and may cause the entire system to fail in an extreme case. In this contribution, a novel modelling approach is presented, which allows for the fully coupled simulation of transient rotordynamics in all kinds of rotating field machines. This paper includes a FEM-validation of the proposed model. After that a scenario where self-excited lateral oscillations occur is presented.

During the assembly of aircraft engines, some clearance is left in the rolling bearings mainly to reduce friction. However this clearance might allow the rolling element to vibrate during flight. Indeed, unwanted vibrations called non-synchronous vibrations (NSV) appear on the data recorded by the sensors on some development engines. NSV can be dangerous for the engine so they are closely monitored.  To prevent the appearance of the NSV, they are investigated by the engineers as soon as they appear during tests. The main source of the NSV is most likely to be the rolling bearings in the rotor because they induce a non-linear behaviour. The bearings of development engines were investigated on Finite Element Method (FEM) software for example but other methods could bring a contribution for the understanding of the NSV.  In this study, a multibody modelling software is used to try to model and explain the observed sub-synchronous vibrations considered as NSV. A model of the rotor of a prototype engine on a FEM software is provided and then reduced to be implemented in the new software. The behaviour of this new model is tested through modal analysis and response to imbalance.  Once the model is properly set, a parametric study is performed to see the effect of the thrust, gravity, imbalance weight and clearance on the system. It shows that clearance and gravity are key parameters while thrust and the imbalance weight have a minor impact on the NSV. This study has also helped to fix the parameters used to reproduce the NSV observed in the experiments.  Then, a second study focus on the influence of the clearance of the roller bearings on the NSV. This study defines a range of clearance that can be implemented on the engine to avoid the NSV. It also proved that the vibrations were very sensitive to a small change in the clearance values.  Finally, by studying the previous configurations, a link between the stiffness of the bearing and the occurrence of the NSV was established. In fact, the NSV appear only when the two roller bearings both have no stiffness because the clearance is not filled by the radial load. The rolling element is thus free to vibrate in its ring. It was noticed that the NSV has more chance to occur if it has already come out earlier in the run-up of the engine.  The multibody software is therefore perfectly able to reproduce the vibrations in a rotor. It is now a tool that can be used during the development process. / Vid montering av flygplansmotorer lämnas ett spelrum i rullningslagren främst för att minska friktionen. Detta spelrum kan emellertid tillåta att rullelementet vibrerar under flygning. Faktum är att oönskade vibrationer som kallas non-synchronous vibrations (NSV) visas på data som registreras av sensorerna på utveckling motorerna. NSV kan vara farligt för motorn och övervakas därför noggrant.För att förhindra uppkomsten av NSV utreds de regelbundet av ingenjörerna. Den huvudsakliga källan till NSV är troligen rullager i rotorn eftersom de inducerar ett icke-linjärt beteende. Lagren för utveckling motorer undersöktes till exempel med Finita Element-metoden (FEM) programvara men andra metoder skulle kunna bidra till förståelsen av NSV. I denna studie används en multibody-modelleringsprogramvara för att försöka modellera och förklara de observerade subsynkrona vibrationerna som betraktas som NSV. En modell av rotorn till en utveckling motor tillhandahålls i ett FEM-program och reduceras sedan för att implementeras i den nya mjukvaran. Beteendet hos denna nya modell testas genom modal analys och respons på obalans. När modellen är inställd utförs en parametrisk studie för att se effekten av dragkraften, gravitationen, obalansvikten och frigången i systemet.Den visar att frigång och gravitation är nyckelparametrar medan dragkraft och obalansvikt har en mindre inverkan på NSV. Denna studie har också hjälpt till att bestämma de parametrar som används för att reproducera NSV som observerats i experimenten. Därefter fokuserar en andra studie på inverkan av rullagernas frigång på NSV. Denna studie definierar ett intervall av spelrum som kan implementeras på motorn för att undvika NSV. Det visade sig också att vibrationerna var mycket känsliga för en liten ändring av frigångsvärdena.Slutligen, genom att studera de tidigare konfigurationerna, etablerades en koppling mellan lagrets styvhet och förekomsten av NSV. Faktum är att NSV endast visas när de två rullagren båda inte har någon styvhet eftersom spelet inte fylls av den radiella belastningen. Rullelementet är således fritt att vibrera i sin ring. Det märktes att NSV har större chans att inträffa om den redan sker tidigare i motorns start. Multibody-mjukvaran är därför perfekt för att reproducera vibrationerna i en rotor. Det är nu ett verktyg som kan användas under utvecklingsprocessen.

Manufacturing industry works on Overall Equipment Effectiveness (OEE) to increase the yield and speed of machining. A good knowledge of the machine properties is important to increase the speed while still maintaining stable cutting with low tool usage.To make models of the machine is therefore important and in machining a common way to extract the dynamic properties is frequency response measurement. One way is to use an impact hammer to excite the machine tool and measure the response. The problem is that a hammer can only be used on a non running machine. At Manufacturing and Metrology Systems division at KTH (MMS) a test method for contactless excitation has been developed that uses electromagnets to excite the machine tool. By using contactless testing it can be used on rotating machine tools without real cutting in materials. In this thesis a new test system for the contact less testing method has been designed and constructed to test if it is possible to do test on a bigger variety of rotating cutting machine tools. The results for the prototype is presented and evaluated. / Dagens tillverkningsindustri arbetar för att utrsutningens totala effiktivitet ska höjas genomatt öka hastigheten och minska material- och verktygsanvändningen vid bearbetningen utan att minska kvalitén på slutprodukten. För att öka hastigheten krävs en god kännedom om maskinens egenskaper för att maskinen ska arbeta under stabila förhållanden där också verktygets slitage minskas. Att ta fram modeller över maskinen är därför viktigt och inom skärande bearbetning är frekvensresponsmätning ett sätt att få ut de dynamiska egenskaperna av det skärandeverktyget. En vanlig testmetod är att med en hammare exitera verktyget och mäta responsen. Problemet är dock att hammaren bara kan mäta vid stillastående maskin. Vid MMS har en testmetod för kontaktlös exitering tagits fram där elektromagneter användsför exiteringen. På så sätt kan testet utföras på roterande verktyg utan att man behöver förbruka material. I detta arbete har ett nytt testsystem för denna testmetod designats och konstruerats för att testa om det är möjligt med testning på flera storlekar på maskiner för skärandebearbetning. Resultaten för prototypen presenteras och utvärderas.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.