Master's Thesis

Multidisciplinary modelling of a sensing system for the detection of self-excited vibration

Final Thesis 13.58 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Velfl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Navrátil, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design of a sensing system for the early detection of aeroelastic instability known as flutter. The proposed system uses two piezoelectric sensors attached with different directional orientations. Due to this configuration, the sensors exhibit different sensitivity to bending and torsional vibration of a flexible structure.
The response of the sensing system was first investigated on a designed experimental structure. The main requirement for the structural design was to enable simple excitation of bending and torsional mode shapes at low frequencies. The experimental part also included measurements of the piezoelectric sensor response during shaker excitation. The obtained results were compared with numerical response modelling in Ansys.
Based on the experimental and numerical results, an analytical computational procedure was developed to transform the mechanical response of the structure into the electrical voltage of the piezoelectric sensors. The model is based on a simplified description of the structure using two generalized coordinates corresponding to bending-torsional vibration, represented by vertical displacement and rotation angle. These quantities were used to determine strains at the sensor locations, and the electrical response was then calculated using the constitutive relations of piezoelectric materials.
An aeroelastic model of the structure with aerodynamic excitation and feedback was then created. A nonlinear dependence of the lift coefficient on the wing angle of attack was considered for the selected profile. The stability of the system was evaluated using time responses, bifurcation diagrams and eigenvalue analysis.
Finally, a virtual piezoelectric sensing system was incorporated into the model. Changes in amplitude, frequency, period and relative phase between the two piezoelectric sensors were evaluated. The results show that differently oriented piezoelectric sensors can provide information about changes in the character of the structural response.

Keywords:

self-excited vibration, flutter, dynamic instability, two degrees of freedom, aeroelastic
model simulation, piezoelectric sensors, electromechanical response

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy, na které student odpověděl. Následně student zodpověděl doplňující dotazy: Čím je dáno nesinusoidní buzení pro znázorněné zrychlení na testovacím „shakeru“? Je systém schopen detekovat samobuzené kmitání a odlišit jej od běžných turbulencí? Jak se u nelineární soustavy určují vlastní čísla? Jak byla určena rovnice pro odporovou sílu proudění? Nebyla uvažována i jiná metoda kromě přímé linearizace? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A – výborně.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
Ing. Jaroslav Suchánek (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.

Předkládaná diplomová práce se zabývá návrhem senzorického systému pro včasnou detekci aeroelastické nestability typu flutter. V práci je tento jev popsán a je analyzována možnost snímání samobuzeného kmitání piezoelektrickými senzory. Návrh senzorů je podpořen výpočtovým modelováním i experimentálním ověřením dynamického chování a multidisciplinární senzorické modely jsou následně integrovány do modelu samobuzeného kmitání konstrukce se 2 stupni volnosti.

Předkládaná práce je na excelentní úrovni a navržené cíle práce byly splněny a v některých oblastech i výrazně rozšířeny. Především bych zdůraznil, že během řešení diplomové práce vznikla i patentová přihláška na tento senzorický systém, který umožňuje včasnou detekci ztráty stability aerodynamicky zatěžované konstrukce. 

Student pracoval samostatně a prokázal, že si na výborné úrovni osvojil teoretické i praktické znalosti získané během studia. Práce je psaná v anglickém jazyce a je zpracována pečlivě a logicky uspořádána. Student pracoval odhodlaně a pečlivě a využil systematický přístup při řešení této multioborové problematiky, a proto hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Navrátil, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Tomáše Velfla se zabývá problematikou detekce samobuzeného kmitání poddajné konstrukce v proudu vzduchu – flutteru. Práce propojuje oblasti aeroelasticity, strukturální dynamiky, piezoelektrických materiálů, experimentální modální analýzy a numerického modelování. Téma je technicky náročné a vyžaduje dobré pochopení všech zmíněných oblastí.

Úvodní část práce je věnována problematice aeroelasticity a piezoelektrických materiálů v rozsahu odpovídajícím zaměření práce. Oceňuji zejména schopnost studenta zorientovat se v oblasti aeroelasticity, se kterou se během studia běžně nesetkal. Následuje návrh konstrukce s dominantními ohybovými a torzními tvary kmitání a její experimentální i numerická modální analýza. Konstrukce byla dále využita pro ověření odezvy piezoelektrických snímačů a její porovnání s numerickým i analytickým modelem.

Za nejvýznamnější část práce považuji kapitoly věnované redukovanému aeroelastickému modelu a stabilitní analýze. Student zde prokázal velmi dobrou schopnost pochopení složitých multidisciplinárních systémů, jejich modelování i interpretace výsledků. Drobnou poznámku mám k interpretaci flutterového mechanismu. Přestože je práce prezentována jako analýza klasického flutteru, z výsledků vyplývá, že na mezi stability již dochází k odtržení proudu. Nepovažuji to však za zásadní nedostatek, spíše za upozornění na omezení použitého modelu.

Formální úroveň práce je velmi dobrá. Text je psán technicky správným stylem, práce obsahuje kvalitní obrázky, přehledné grafy a konzistentní značení.

Předložená diplomová práce svým rozsahem i technickou úrovní přesahuje běžný standard diplomových prací. Autor prokázal schopnost samostatně řešit technicky náročný mezioborový problém a vhodně propojit experimentální, numerický i analytický přístup. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Domníváte se, že by bylo možné pomocí bifurkační analýzy identifikovat počátek klasického flutteru, tj. v případě flutteru bez odtržení proudění? Jaký by byl rozdíl oproti výsledkům prezentovaným v této práci?
  2. Co Vás vedlo k volbě typického řezu uvedeného na obr. 6.1, ve kterém splývá elastická a těžištní osa? Není toto zjednodušení v určitém rozporu s původním strukturálním modelem, ze kterého byl redukovaný aeroelastický model odvozen?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová