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1 De la dynamique des structures aux systèmes non-linéaires : enjeux et perspectives pour la réduction de modèle Olivier BRÜLS Département Aérospatiale et Mécanique (LTAS) Université de Liège (Belgique) Atelier de la SIA : La réduction de modèles Le 21 avril 2010 From the University of Liège Pierre Duysinx Jean-Claude Golinval Daryl Hickey Sébastien Hoffait Gaetan Kerschen From Open-Engineering S.A. Philippe Nachtergaele Acknowledgements

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De la dynamique des structures aux systèmes non-linéaires :

enjeux et perspectives pour la réduction de modèle

Olivier BRÜLS

Département Aérospatiale et Mécanique (LTAS)

Université de Liège (Belgique)

Atelier de la SIA : La réduction de modèles

Le 21 avril 2010

From the University of Liège

� Pierre Duysinx

� Jean-Claude Golinval

� Daryl Hickey

� Sébastien Hoffait

� Gaetan Kerschen

From Open-Engineering S.A.

� Philippe Nachtergaele

Acknowledgements

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Multibody & Mechatronic Systems Lab

Some models developed using Samcef/Mecano

� Introduction

� Linear model reduction techniques

� Nonlinear model reduction techniques

Outline

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3

Toward system-level simulation

Technical

specifications

V-model of the development cycle

Time

Preliminary

design

Detailed

design

Development

Implementation

Unit

tests

Sub-systems

tests

Global

verification

DesignIntegration

& tests

� Structural mechanics, fluid mechanics, electromagnetics,

thermal, multiphysics, etc

� Off-the-shelf simulation toolboxes

� ODE/DAE models obtained by spatial discretization

� Large number of states (related to the mesh refinement)

� “Not-so-interesting” high frequency modes

� Linear vs. nonlinear models

How to exploit those detailed models at system-level ?

Component-level models

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Typical applications

Flexible multibody system

Modular structure

Mechatronic system (MEMS)

Subsystem 1Solver 1

Subsystem 2Solver 2

Co-simulation� Reuse specialized software� Software interface� Advanced scheduling algorithms

Example:

Coupled modelling approaches (I)

Actuators

Sensors

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Solver

Subsystem 1 Subsystem 2

Model 1

Hybrid approach� Strong coupling� Model exchange

Examples:

Model 2

Coupled model

FE software Matlab/Simulink

Linear (or symbolic) mechanical model

Linear control model or dll

Coupled modelling approaches (II)

Solver

Subsystem 1 Subsystem 2

Coupled model

Assembly

Monolithic approach� No software interface� Strong (tight) coupling

Monolithicsoftware

Coupled modelling approaches (III)

Example:

(SAMCEF-MECANO)

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� Integrated FE/block diagram formalisms

� Functional simulation: bond graph, linear graph, block diagram

Flexible mechanism (FE formalism)

Control system(block diagram)

Strongly coupled eqns

SolverFE code

ControlHydraulics

Electronics

Numerical assembly

Flexible bodies

Joints

Rigid bodies

Coupled modelling approaches (IV)

Semi-active car suspension

Monolithic mechatronic simulation (with KULeuven and UCL)

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Other applications of model reduction

Optimization

� Component level

� System level

� Simulation/optimization software interface

designparameters

Simulationsoftware

objective function,design constraints

+ gradientsOptimization algorithm

Real-time online applications (model-based control, HIL)

� Compatibility with RT hardware ⇒ model portability

� RT software constraint ⇒ no full implicit solution…

� Large & flexible 2-link mechanism

� Dynamics depend on configuration!

� Hydraulic actuators

� Linear sensors & tip accelerometers

� Model-based motion & vibration control

RALF

with W.J. Book

(Georgia Tech)

Real-time application of model reduction

Vibration control onVibration control off

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Principle of model reduction

� Construction stage: using numerical or experimental results

� Exploitation stage: frequency or transient response,…

� Validity: limited excitation & parameter ranges

OutputsInputs

OutputsInputs

model reduction

( )Σ p

( )Σ p

Summary

The aim of Model Order Reduction (MOR) is not only to

reduce the number of states but also to ensure:

� Portability / compatibility with software interface

� Small computational time at exploitation stage

� Reasonable computational time at construction stage

� Limited memory storage

� Limited loss in accuracy

� Appropriate validity domain

� Preservation of important properties of the system

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� Introduction

� Linear model reduction techniques

� Nonlinear model reduction techniques

Outline

Linear reduction techniques

� Most linear reduction methods are based on a projection of the dynamics onto a linear subspace

�In structural dynamics (n dimensional)

Symmetric definite positive matrices + energy conservation

�In general, linear dynamic equations can be formulated as:

Linear reduction methods

ROM ( dimensional, with ) :n n n<<

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Galerkin

Back to the weak form (d′Alembert principle)

Galerkin projection method

� Essential role of

� Sparse structureof M and K is lost

Galerkin projection method

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Reduced Transform

Reduced ProblemReduced Space

Full Space=y y Ψη��+ =My Ky 0��

nR

nR

+ =Mη Kη 0��

Galerkin projection method

=y Ψη�

Selection of ?

� Craig-Bampton :

static boundary modes + internal modes

� McNeal / Rubin :

free-free modes

� Master/slave methods (Guyan, Serep)

� Balanced truncation :

maximize controlability / observability

� Krylov subspace methods :

interpolation of FRF

� Proper orthogonal decomposition (POD)

statistical treatment of simulation results

Construction of the modal basis

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boundary dofs static modes

internal dofs internal modes

[Géradin & Rixen, 1997]

Craig-Bampton method

Construction of the modal basis

Static boundary mode Internal mode

⇒ Exact representation of static boundary response

Craig-Bampton method

Construction of the modal basis

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0 1000 2000 3000 4000 5000-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Frequency [Hz]

Am

plitu

de [d

B]

Mechanical Excitation and Mechanical Response

Original10 Modes20 Modes

0 1000 2000 3000 4000 5000-180

-160

-140

-120

-100

-80

Frequency [Hz]

Am

plitu

de [d

B]

Thermal Excitation and Mechanical Response

Original10 Modes20 Modes

Cantilever two-layer beam

=

+

+

Q

Fu

C

KKu

CC

CuM uuu

u

uuuu

θθθθθ

θ

θθθ0

0

00

0

��

��

Linear thermomechanical benchmark

Linear ROMs for systems with large motions

However, elastic forces are often linear when computed in a corotated frame (Fraeijs de Veubeke’s approach)

Superelement concept: linear ROM + corotational formulation

Nonlinear formulations are required to deal with large rotation problems in structural mechanics

Image source: [Felippa 2001]

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Summary: linear reduction techniques

� Efficient and mature

� Large toolbox of methods

� Small matrices are obtained

� Sparsity is destroyed ⇒ gain in efficiency only if order

reduction is significant

� Structure of the problem may be destroyed

� Galerkin projection preserves some structure

� Superelement technique for ROMs with large motions

� Introduction

� Linear model reduction techniques

� Nonlinear model reduction techniques

Outline

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Reduced Transform

Reduced ProblemReduced Space

Full Space=y y Ψη��( , , )t+ =My g y y 0�� �

nR

nR

( , , )T

t+ =Mη Ψ g Ψη Ψη 0�� �

Galerkin method for nonlinear models

=y Ψη�

Cost of the linearized problem at each Newton iteration is significantly reduced. However,

� Projection should be repeated at each iteration

� CPU cost of the ROM still depends on n

� No portability

n n× 1n×

with

Basis definition

Properties � data-driven method

� error is minimized

POD provides optimal projection basis

POD = Proper Orthogonal Decomposition

ΨΨΨΨ is computed from the full nonlinear response

(and not from a linearized model)

2

min ( ) ( )i i

i

t t−∑Ψ

y y�

T

n=Ψ Ψ I

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Pre-process

Eigenvalue problem

Simulation

POD basis depends on the snapshots

( ) ( )i i mean

t t= −y y y

1 T

Tλ=Y YΨ Ψ

mean= +y y Ψη�

Truncation error is connected to the eigenvalues

99 %

90 %

POD allows selection of ROM size

ΨΨΨΨ

nn

Retainedsignal energy

Size of ROM

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F

Reduced model results with different thicknessess

fullreduced

Robustness issues

Construction : thick1Exploitation : thick1

reducedfull

Construction : thick1Exploitation : thick2

Construction � Sample the parameter space� Compute & store reduced order models for each vertex

Exploitation� Interpolate the reduced matrices� Simulate the linear ROM

Parametric linear model reduction

( ), ( )M p K p

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Construction � Sample the parameter space� Compute & store the POD basis at each vertex

Exploitation� Interpolate the POD basis� Simulate the nonlinear ROM

Parametric nonlinear model reduction (I)

( )Ψ p

Single but enriched (larger) POD basis

� combine the POD bases from several grid points

� exploit sensitivities of POD basis w.r.t. parameters

Parametric nonlinear model reduction (II)

( )Ψ p

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Reduction the complexity of the non-linear term :

Empirical Interpolation method

Discretization of parameter space :

Greedy method

Error estimator without the full response:

Dual-Weigthed-Residual

Parameter 1

Parameter 2

Current research

Linear model reduction methods are mature

Nonlinear model reduction

� formulation of ROMs closely related to

the formulation of initial problem

� difficulty to develop fully generic procedures

Parametric model reduction

� expensive offline computation

� high memory storage requirements

Conclusion

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De la dynamique des structures aux systèmes non-linéaires : enjeux et perspectives pour la réduction de modèle

Olivier BRÜLSUniversité de Liège

Département Aérospatiale & Mécanique (LTAS)

Merci de votre attention !