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DYNAMICS OF SPACE STRUCTURES

Deterministic vs NON-det. Function

ex. sin(ωt) ex. Random f

INTRO EXAMPLE

Hp: RIGID body

1° METHOD

∑ θ̈(t) = Md(t) (From fund. Law of rot. dyn.)

ODE II ord. with CONST coeff.

θ̈ = dθ̇/dt

=> θ = (1/s) ∫ Md dt

2° METHOD

Θ(t) → Θ(s) = ∫0 θ̈(t) est dt

θ̈(t) → sΘ(s) - sΘ(0) - Θ(0)

Md(t) → Md(s)

∑ θ̈(t) = Md → s2 ∑ Θ(s) = Md(s)

Frequency description approach

I can demonstrate this property with INT. P.P.

Algebraic Eq.

Θ(s) = 1/s · 1/s2 M0(s)

Bode diagrams

s = jω

HR(s) = 1/s · 1/s2

Transfer function

HP:

s = jω

40

dB!!!

Rolloff rate (per decade) = -40 dB

or

-2 (relating to the exponent)

MASS EFFECT

ω ↑

apparent mass ↑ (seen from fr. approach)

From freq. POV

THINK

H(jω)

SORT OF INERTIA MASS EFFECT

ω

WARNING!

M0 value to be taken into account

be careful

Now

EXAMPLES OF DANGEROUS PHEN.

  • Sloshing
  • Thermal eff
  • ...

GOLDEN RULES

  • Short in time => large in freq ; short in freq => large in time
  • Separation of frequency
    • Rule of thumb: 1 decade of separation (from ωres)

EXAMPLE

Let's introduce internal instruments: how they transmit vibrations to the structure? How all behave?

2 OPTIONS

  1. integrated model (expensive option)
  2. Keep the equipment separated, measure Fj, see how Fj interacts with structure

Equipment

(standalone)

me üe(t) + ke ue(t) = F(t)

Fe(t) = ke ue(t)

s2 me ue(s) + ke ue(s) = F(s)

ue = \frac{1}{s^2 me + ke} F(s)

Fe(s) = \frac{ke}{s^2 me + ke} F(s)

He(s)

we = \sqrt{\frac{ke}{me}}

E∫(x) = E∫

m(x) = x

E∫ wxxxx + m ü = 0

w(x, t) = W(x) T(t)

Technique: separation of variables (to solve particular PDE)

E∫ Wxxxx T + m W T̈ = 0

f(t) f(x) => f(t) = F(x) = CONST (the only possibility that a fcn of x can be equal to a fcn of t)

Ẍ̈ T = E∫ Wxxxx

E∫ Wxxxx W - ω2 = E∫ Wxxxx - mω2W = 0

IN GENERAL, WE'LL ASSUME

w(x,t) = W(x)ejωt

Continuing with E∫, m const

E∫ Wxxxx - mω2W = 0

Wxxxx - β4 W = 0

K [W(x)] - ω2 M [W(x)] = 0

ESWxxxx - mω2W = 0

Now, instead,

Mu(t) + Ku(t) = 0

u(t) = yejωt

=> (K - ω2M)y = 0

Wxxxx - β4W = 0

β4 = mω2 / ES

W = A cos βx + B sin βx + C cosh βx + D sinh βx

I still don't have used BCs

I have to specify A, B, C, D (From BCs)

det(...) = 0 (enforcing non trivial solution)

characteristic (or frequency) equation

f(βL) = 0

ωi, Wi(x)

first eigenpair

det(y) = 0

cos β L cosh β L - 1 = 0

(i = 1, 2, ..., ∞)

Wi(x) = Ai [sin βi x + sinh βi x : sin βi L - sinh βi L

cos βi L - cosh βi L (cos βi x + cosh βi x)]

Free-Free Beam

Axial Case

  1. 0l δu E A ux dx = - ∫0l δu m ü dx
  2. by P
  3. δu E A ux |0l - ∫0l δu (E A ux)x dx = - ∫0l δu m ü dx =>

{ - (E A ux)x + m ü = 0 (EoM)

E A ux (0) = 0

E A ux (l) = 0 (BCs)

Hp.

E A (x) = E A

m (x) = m =>

{ - E A uxx + m ü 0

ux (0) = 0

Ex.

Exact analysis

Dofs: ∞ + 1

virtual work

relative displ. (of the endpoints of the spring)

EOM - beam

EOM - spring/mass

substituted weak form

BCs

Note: this time we have 2 EOM

Note: SAME ω (of the entire system)

NO DEPENDANCE FROM x

δy₀ = ∫ (IₚN₀ₓN₀₀ dx + ∫ me²N₀ₓN₀₀ dx) 0L ẏ₀(t) +

+ ∫ N₀w(t)N₀WSW0(t) L0 ẏ₀(t) + G ∫ N₀N₀ dx ẏ₀(t) = 0

Mww ÿw(t) + Mw₀ ÿ(t) + kww yw(t) = 0

Mow ÿw(t) + Moo ÿ(t) + koo y(t) = 0

y = ( yw(t) y(t) )

=> M ** ÿ(t) + K y(t) = 0

yi(t) = yiejωt

(K - ω²M) u = 0

det ( ) = 0 => ωi² ; yi

M = ( Mww Mw₀ )

 ( Mow Moo )

K = ( kww 0 )

 ( 0 koo )

note that Mwo = MTow

If the distance btw the 2 axis -> 0

(>) problems decoupled

j Φi(x) ∫[Φz(x)qz(t)dρqz(t) + Φi(x)q0(x)dF(t)]

= Φi(x) p0(x)dρF(t)

(i = 1, 2, ..., ∞)

∑ μiqi(t) + μiωz2qi(t) = Φi(x)p0(x)dρF(t)

i = 1, 2, ..., ∞

easier than before

ODE oscillators

simple example

EJ, m,l

ρ9step(t)

w(x,0)=0

ω̇(x,0)=0

begin at rest at initial time

EJ(1) = EJ

m(x) = m

ω(x,t) = ∑ sin(πx/l) qs(t)

d(x,t) = ∑ ϕi(x)q9(t)

i(t) = -ωiAisin(ωit) + ωiBicos(ωit)

i(0) : o ⇒ Bi : o

qi(0) = o ⇒ Ai :

qi(0) = o ⇒ Ai:

=> qi(t) = 4po/ωil²> [1-cos(ωit)]

t > 0

i = 1, 3, 5,...∞

ωi² = E3/po(iL)⁴

...

ω(x,t) = ∑i=1,3,5... sin(iπx/L) qi(t)

= 4poL/E3π⁵i=1,3,5... 1/i3 sin(iπx/L) [1-cos(ωit)]

...

M(x,t) = E3 ωxxx(x,t)

...

T(x,t) = - 4poL2/u2i=1,2 cos(iπx/l) [1-cosωit]

...

so, if we want

a) ω(x,t)

= 4poL/E3π5i=1,3,5... 1/i3 sin(iπx/L) [1-cos(ωit)]

...

HIGHER MODES (ωi) => have decreasingly... to ω(x,t)

Dettagli
A.A. 2021-2022
57 pagine
SSD Ingegneria industriale e dell'informazione ING-IND/04 Costruzioni e strutture aerospaziali

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher leonardo.maniscalco.79 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Space structures e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Dozio Lorenzo.