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Fachgebiet
Ein technologischer Schlüssel für ressourcenschonende Maschinen in Luft- und Raumfahrt, Energieindustrie oder im Automobilbau ist der Leichtbau. Leichte, schlanke Strukturen sind aber schwingungsanfälliger. Für den sicheren Betrieb von modernen Maschinen ist es daher unerlässlich, das Schwingungsverhalten genau und zuverlässig vorherzusagen und zu analysieren. Essentiell um diese Vorhersagen zu validieren sind genaue und zuverlässige Messdaten.
Die erhöhten Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit führen dazu, dass nichtlineare Schwingungsphänomene nicht mehr vernachlässigt werden können. Nichtlineare Zusammenhänge zwischen den wirkenden Kräften und der Bewegung einer Struktur entstehen beispielsweise aufgrund von Fügestellen wie Schraub- oder Steckverbindungen oder durch das schlanke Design von Bauteilen und damit verbundenen großen Schwingungsamplituden.
Meine Forschung beschäftigt sich daher damit, neue Messverfahren zu entwickeln, welche nichtlineares Schwingungsverhalten berücksichtigen. Die Messverfahren beruhen auf innovativen Regelungskonzepten für die Anregung der Strukturen. Darauf aufbauend entwickele ich Methoden, um experimentelle und daten-getriebene Modelle der Bauteile zu erstellen. Meine Vision ist es, dass diese innovativen Messverfahren und experimentellen Modelle die Grundlage bilden, um moderne und zukünftige Maschinen schwingungssicher auszulegen.
Stichworte
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Nichtlineare Moden
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Experimentelle Modalanalyse
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Nichtlineare Systemidentifikation
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Experimentelle Schwingungsanalyse
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Dynamische Substrukturtechnik
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Dynamik reibungsgedämpfter Strukturen
Wir bieten innerhalb der Strukturmechanik Gruppe laufend Abschlussarbeiten zu diesem Themengebiet an. Wenn Sie Interesse haben, schreiben Sie mir bitte eine E-Mail.
Onlineauftritt auf LinkedIn , ResearchGate und ORCiD .
- Krack, M., Brake, M., Schwingshackl, C., Gross, J., Hippold, P., Lasen, M., Dini, D., Salles, L., Matt, Shetty, D., Payne, C. A., Willner, K., Lengger, M., Khan, M., Ortiz, J., Najera-Flores, D., Kuether, R. J., Miles, P., Xu, C., et al. (2025). The Tribomechadynamics Research Challenge: Confronting blind predictions for the linear and nonlinear dynamics of a thin-walled jointed structure with measurement results. Mechanical Systems and Signal Processing. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.112016
- Hippold, P., Scheel, M., Renson, L., & Krack, M. (2024). Robust and fast backbone tracking via phase-locked loops. Mechanical Systems and Signal Processing. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111670
- Bhattu, A., Hermann, S., Jamia, N., Müller, F., Scheel, M., Schwingshackl, C., Özgüven, H. N., & Krack, M. (2024). Experimental analysis of the TRC benchmark system. Journal of Structural Dynamics. https://doi.org/10.25518/2684-6500.206
- Müller, F., Woiwode, L., Gross, J., Scheel, M., & Krack, M. (2022). Nonlinear damping quantification from phase-resonant tests under base excitation. Mechanical Systems and Signal Processing, 177, 109170. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109170
- Scheel, M. (2022). Nonlinear modal testing of damped structures: Velocity feedback vs. phase resonance. Mechanical Systems and Signal Processing, 165, 108305. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108305
- Woiwode, L., Müller, F., Groß, J., Scheel, M., & Krack, M. (2022). How Intrusive Are Accelerometers for Measuring Nonlinear Vibrations? A Case Study on a Compressor Blade Subjected to Vibro-Impact Dynamics. Journal of Vibration and Acoustics, 144, Article 4. https://doi.org/10.1115/1.4053357
- Abeloos, G., Müller, F., Ferhatoglu, E., Scheel, M., Collette, C., Kerschen, G., Brake, M. R. W., Tiso, P., Renson, L., & Krack, M. (2022). A consistency analysis of phase-locked-loop testing and control-based continuation for a geometrically nonlinear frictional system. Mechanical Systems and Signal Processing, 170, 108820. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.108820
- Scheel, M., Kleyman, G., Tatar, A., Brake, M. R. W., Peter, S., Noël, J.-P., Allen, M. S., & Krack, M. (2020). Experimental assessment of polynomial nonlinear state-space and nonlinear-mode models for near-resonant vibrations. Mechanical Systems and Signal Processing, 143, 106796. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106796
- Schwarz, S., Kohlmann, L., Hartung, A., Gross, J., Scheel, M., & Krack, M. (2020). Validation of a Turbine Blade Component Test With Frictional Contacts by Phase-Locked-Loop and Force-Controlled Measurements. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 142, Article 5. https://doi.org/10.1115/1.4044772
- Scheel, M., Weigele, T., & Krack, M. (2020). Challenging an experimental nonlinear modal analysis method with a new strongly friction-damped structure. Journal of Sound and Vibration, 485, 115580. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115580
- Gastaldi, C., Gross, J., Scheel, M., Berruti, T. M., & Krack, M. (2020). Modeling Complex Contact Conditions and Their Effect on Blade Dynamics. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 143, Article 1. https://doi.org/10.1115/1.4049186
- Balaji, N. N., Lian, S., Scheel, M., Brake, M. R. W., Tiso, P., Noël, J.-P., & Krack, M. (2020). Numerical Assessment of Polynomial Nonlinear State-Space and Nonlinear-Mode Models for Near-Resonant Vibrations. Vibration, 3, Article 3. https://doi.org/10.3390/vibration3030022
- Scheel, M., Gibanica, M., & Nord, A. (2019). State-Space Dynamic Substructuring with the Transmission Simulator Method. Experimental Techniques, 43, Article 3. https://doi.org/10.1007/s40799-019-00317-z
- Scheel, M., Peter, S., Leine, R. I., & Krack, M. (2018). A phase resonance approach for modal testing of structures with nonlinear dissipation. Journal of Sound and Vibration, 435, 56–73. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.07.010
- Peter, S., Scheel, M., Krack, M., & Leine, R. I. (2018). Synthesis of nonlinear frequency responses with experimentally extracted nonlinear modes. Mechanical Systems and Signal Processing, 101, 498–515. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.09.014
Aktuell
Begleiteter Online-Kurs: Wissenschaftliches Arbeiten in der LRT (Wintersemester, Modulnummer 106180, siehe C@MPUS )
Bachelor Luft- und Raumfahrttechnik
Begleiteter Online-Kurs: Wissenschaftliches Arbeiten in der LRT – Wintersemester 2022/2023
Einführung in die Festigkeitslehre – Wintersemester 2016/2017
Master Luft und Raumfahrttechnik
Strukturdynamik – Sommersemester 2017 – Wintersemester 2022/23
Seit Januar 2023 Post-Doc und Gruppenleiterin am Institut für Luftfahrtantriebe, Universität Stuttgart
September 2022: Promotion mit Dissertation “Experimental Nonlinear Modal Analysis - Method development with particular focus on nonlinear damping”
Juni – Juli 2023: Gastwissenschaftlerin an der Rice University, Houston, Texas, USA im Rahmen des Tribomechadynamics Research Camp
2016 – 2022: Akademische Mitarbeiterin und Doktorandin am Institut für Luftfahrtantriebe, Universität Stuttgart
2013 – 2016: Masterstudium des Maschinenbaus an der Universität Stuttgart
Juni – Juli 2015: Gastwissenschaftlerin bei Sandia National Laboratories und University of Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA im Rahmen des Sandia Nonlinear Mechanics and Dynamics Summer Research Institute
März – Oktober 2015: Auslandstudium an der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden
September 2014 - Januar 2015: Auslandstudium an der TU Delft, Niederlande
2009 – 2013: Bachelorstudium des Maschinenbaus an der Universität Stuttgart
Entwicklung der nichtlinearen experimentellen Substrukturtechnik zur Vorhersage von Schwingungen gekoppelter Strukturen
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur experimentellen Substrukturtechnik von großen Strukturen wie Windkraftanlagen, wobei geometrische Nichtlinearitäten und nichtlineare Dämpfung besondere Beachtung finden. Die Methode ermöglicht es erstmals, das resonanznahe nichtlineare Schwingungsverhalten von Strukturen präzise vorherzusagen, deren rein experimentelle Untersuchung praktisch nicht durchführbar wäre.
Beteiligter Mitarbeiter: Patrick Hippold
Ich danke der Baden-Württemberg Stiftung für die finanzielle Unterstützung der Forschungsarbeit im Rahmen des Eliteprogramms für Postdoktorandinnen und Postdoktoranden.
Virtual flutter testing of next-generation aircraft prototypes: fundamental research on predictive and data-based methods
Ziel dieses Projekts ist es, einen wegweisenden Beitrag zu virtuellen Flattertests von Flugzeugen der nächsten Generation zu leisten. Der Schwerpunkt liegt auf nichtlinearen aeroelastischen Wechselwirkungen von Tragflächen in Unterschallströmungen und auf der strukturellen Dämpfung durch Reibungsverbindungen. Darüber hinaus werden Metamaterialien und schwingungsdämpfende Vorrichtungen betrachtet, die aussichtsreich sind, um die Flattersicherheit von Flugzeugen der nächsten Generation zu gewährleisten.
In Kooperation mit dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) und dem Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD)
Gefördert durch die Forschungs-Programmatik „Luft- und Raumfahrt 2050, Nachhaltig–Digital–K ooperativ“ durch Mittel des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg
Advancement of control-based nonlinear vibration testing – Masterarbeit, 2023, Universität Stuttgart
Das Phasenresonanzverfahren ist eine experimentelle Methode zur Ermittlung nichtlinearer modaler Parameter mechanischer Bauteile. Bei dieser Methode wird eine Phasenregelschleife (PLL) verwendet, um das System in Phasenresonanz zu halten, während das Erregungsniveau variiert wird. Allerdings ist dieser Ansatz derzeit mit einigen Einschränkungen verbunden. Die Arbeit soll die Frage beantworten, wie die reglerbasierte, nichtlineare Schwingungsprüfung auf zwei Arten robuster, präziser und schneller gemacht werden kann: Erstens sollen höherharmonische Anteile der Anregungskraft aufgrund von Struktur-Schwingerreger-Wechselwirkungen durch einen zusätzlichen Regelkreis eliminiert werden. Zweitens soll ein systematisches Auslegungsverfahren für die Parameter der Phasenregelschleife entwickelt werden, um eine stabile, robuste und schnelle Regelung mit begrenztem Wissen über das zu prüfende System zu erreichen.
Die Ergebnisse wurden in zwei begutachteten Artikeln veröffentlicht, und der Student präsentierte die Ergebnisse auf der International Modal Analysis Conference (IMAC) 2025 in Orlando, Florida, USA.
Nichtlineare experimentelle Modalanalyse mit multiharmonischer Anregung – Bachelorarbeit, 2020, Universität Stuttgart
Das Phasenresonanzverfahren ist eine experimentelle Methode zur Ermittlung nichtlinearer modaler Parameter mechanischer Bauteile. Bei dieser Methode wird eine Phasenregelschleife (PLL) verwendet, um das System in Phasenresonanz zu halten, während das Erregungsniveau variiert wird. Üblicherweise soll die aufgeprägte Anregungskraft dabei rein harmonisch sein. In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit sich die Robustheit des Phasenresonanzverfahrens durch eine Anregung mit höherharmonischen Anteilen steigern lässt.
Numerische Modellierung eines reibungsbehafteten Balkens - Masterarbeit, 2019, Universität Stuttgart
Konzeption, Auslegung und Konstruktion eines Versuchsstandes für die Untersuchung dissipativer Strukturen - Masterarbeit, 2018, Universität Stuttgart
Bertha-Benz-Preis (2023) für eine herausragende Dissertation, Daimler und Benz Stiftung
Südwestmetall-Förderpreis (2023) für eine herausragende Dissertation, Südwestmetall Verband der Metall- und Elektroindustrie Baden-Württemberg
Publikationspreis der Universität Stuttgart (2023) für den Artikel: Scheel, M.: Nonlinear modal testing of damped structures: Velocity feedback vs. phase resonance. Mechanical Systems and Signal Processing 165, 108305, 2022
Amelia Earhart Fellowship (2021) von Zonta International
Reviewer of the Year 2020 der Fachzeitschrift Journal of Vibration and Acoustics
Harting Award (2020) der Fachzeitschrift Experimental Techniques für den herausragenden Artikel „State-space Dynamic Substructuring with the Transmission Simulator method“