Hybrid proper orthogonal decomposition formulation for linear structural dynamics
Formulation Hybride de la Décomposition Orthogonale propre pour la dynamique des structures linéaires
Résumé
Hybrid proper orthogonal decomposition (PODh) formulation is a POD-based reduced-order modeling method where the continuous equation of the physical system is projected on the POD modes obtained from a discrete model of the system. The aim of this paper is to evaluate the hybrid POD formulation and to compare it with other POD formulations on the simple case of a linear elastic rod subject to prescribed displacements in the perspective of building reduced-order models for coupled fluid–structure systems in the future. In the first part of the paper, the hybrid POD is compared to two other formulations for the response to an initial condition: an approach based on the discrete finite elements equation of the rod called the discrete POD (PODd), and an analytical approach using the exact solution of the problem and consequently called the analytical POD (PODa). This first step is useful to ensure that the PODh performs well with respect to the other formulations. The PODh is therefore used afterwards for the forced motion response where a displacement is imposed at the free end of the rod. The main contribution of this paper lies in the comparison of three techniques used to take into account the non-homogeneous Dirichlet boundary condition with the hybrid POD: the first method relies on control functions, the second on the penalty method and the third on Lagrange multipliers. Finally, the robustness of the hybrid POD is investigated on two examples involving firstly the introduction of structural damping and secondly a nonlinear force applied at the free end of the rod.
La formulation hybride de la Décomposition Orthogonale propre (PODh) est une méthode de réduction de modèle basée sur la POD, dans laquelle l'équation continue du système physique est projetée sur les modes POD obtenus à partir du modèle discret du système. L'objectif de ce papier est d'évaluer la formulation POD hybride et de la comparer avec d'autres formulations POD dans le cas simple d'une barre élastique soumise à un déplacement imposé, dans le but de construire à l'avenir des modèles réduits pour des systèmes couplés fluide-structure. Dans la première partie du papier, la POD hybride est comparée à deux autres formulations dans le cas de la réponse à une condition initiale: une approche basée sur l'équation discrétisée par Eléments Finis de la barre appelée la POD discrète (PODd), et une approche analytique utilisant la solution exacte du problème et appelée par conséquent POD analytique (PODa). Cette première étape est utile pour s'assurer que la PODh fonctionne bien par rapport aux autres formulations. La PODh est alors utilisée ensuite pour la réponse à un mouvement forcé, où un déplacement est imposé sur l'extrémité libre de la barre. La principale contribution de ce papier réside dans la comparaison de trois techniques utilisées pour prendre en compte la condition limite non-homogène de Dirichlet avec la POD hybride: la première méthode repose sur des fonctions de contrôle, la seconde sur la méthode de pénalité et la troisième sur des multiplicateurs de Lagrange. Enfin, la robustesse de la POD hybride est évaluée sur deux exemples impliquant tout d'abord l'introduction d'un amortissement structurel, et ensuite une force non-linéaire appliquée sur l'extrémité libre de la barre.
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