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1 Dipl. Ing. B. Plaumann, Prof. Dr. Ing. D. Krause Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise Prof. Dr. Ing. Dieter Krause Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik Denickestraße Hamburg T F W

2 Agenda Hintergrund Forschung Zusammenfassung & Ausblick Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 2

3 dynamische Belastungen in der Kabine Belastung Belastungsart Assist/Abuse Bodenverformungen Kundenspezifische Lasteinleitungen Dekompression Flug (Manöver und extreme Turbulenzen) Emergency Landing Turbine Blade Loss Windmilling Externe Erregung (Boden und Luft) statisch statisch div., statisch Transient bis annähernd statisch dynamisch, transient bis annähernd statisch dynamisch, transient dynamisch, periodisch dynamisch, transient bis periodisch Komfort Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 3

4 Normal Operation Frequency Excitation during takeoff & landing Unebenheiten verursachen dyn. Anregung Folgen: Wackeln von Monitoren, Klappern von beweglichem Mobilar bei gleichen Abständen: frequency sweep bei Takeoff&Landing 50,8mm 25,4mm bei statistisch verteilen Abständen: Rauschanregung 8Ft 2,4m 34Hz 21Ft 6,4m 13Hz 15,2m 5,3Hz 30,4m 2,7Hz 45,6m 1,8Hz take off speed: A340/B747: ca. 290km/h = 81m/s Quelle: Boeing D Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 4

5 Turbine Blade Loss Windmilling Effect Turbine Blade Loss Schaufelverlust Strukturbeschädigung möglich Unwuchterregung auf Struktur Windmilling Triebwerk abgeschaltet Rotation durch Anströmung im Luftstrom Sustained Engine Imbalance (CS 25 AMC 2524) dynamische Anregung auch in Kabine Quellen: content/uploads/2009/01/bash9098 page 01 image 0001.jpg photos/photos/8/2/6/ jpg Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 5

6 Beispiel: Partitions & Class Dividers Aufbau & Verwendung allg. räumliche Trennung Klassentrennung zusätzliche Lasten Trägheitslasten von: Monitoren Baby Bassinets Ersatz der Sitztaschen Strukturbeeinträchtigungen Fenster/Öffnungen Schiebemechanismen Baby Bassinets Monitore Quellen: Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 6

7 Hintergrund Dynamik, m = Masse b = Dämpfungskoeffizient (Energiedissipation) k = Federkonstante n = nichtlineare Wiederherstellungskraft F = aufgebrachte Kraft x = Weg des Massenschwerpunkts F(t) m k b n x(t) m, b und k müssen für die Struktur bekannt sein Dämpfung häufig nicht exakt bekannt Einfluss der Dämpfung häufig erheblich Bsp. für 1: Verstärkung (üblich in %) Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 7

8 Hintergrund: Bessere Auslegung durch genaue Modelle Vorarbeiten der Berechnung & Simulation Modellierung Elastomechanik Modelle mit Belastung Berechnung Elastomechanik (Simulation) valide Spannungen, Dehnungen Nachrechnung Festigkeit Nachrechnung Verformung Auslegung Festigkeit Auslegung Steifigkeit Elastomechanik ist Grundlage für spätere Festigkeitsberechnung Ergebnis der Simulation nur so gut wie die Modellierung der Realität Zuverlässige Simulationen: Weniger Tests Schürmann: Leichtbau durch detaillierte mechanische Analyse Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 8

9 Agenda Hintergrund Forschung Zusammenfassung & Ausblick Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 9

10 Modellvalidierung: Untersuchungen, Fokus, Ziele Prüfkörpergröße globales Benchmark Hochskalierung BOTTOM UP BOTTOM UP TOP DOWN nur globale Dämpfung bestimmbar differenzierte Betrachtung Modellsynthese möglich Zeit B. Plaumann, D. Krause Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 10

11 Der Prüfaufbau Realer Prüfaufbau Laser (optisch) Anregung Sandwichaufbau Schlitten Sensor 5 Traverse Y X Z Highspeed Kamera in Y Richtung Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 11

12 Wo tritt Dämpfung auf? Luft Struktur Fugen Messtechnik Eintrag in Struktur Ursachen externe Reibung interne Reibung viskose Effekte plastische Verformung Energieeintrag Fußpunkterregung analytische Modelle typisch viskose Dämpfung strukturelle Dämpfung 1 weitere Rayleigh Dämpfung Gleitreibungsmodelle Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 12

13 Freie Schwingung 1. Eigenfrequenz Sandwich Panel mit Zusatzmassen freie Schwingung Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 13

14 Parameter Screening für Sandwich, freie Schwingung Parametervariationen Anregungsart Energieeintrag Laminataufbau Zusatzmassen Wabenrichtung Dämpfung ausschließlich Materialdämpfung andere Dämpfungen nicht stark vertreten Screening Ergebnisse nur Materialdämpfung freie Schwingung Streuung vorhanden Reine Materialdämpfung sehr gering Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 14

15 Dämpfung bei erzwungener Schwingung Bestimmung aus der Resonanz Verstärkung (mit Zusatzmassen) erzw. Schwingung Vereinfachung zu Ein Massen Schwinger 0,7 1 2 ü 1 Energiedissipation Mehrere Möglichkeiten der Bestimmung Dämpfungsrate höher als bei freier Schwingung Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 15

16 Simulation und Test ζ aus freier Schwingung ζ = 0,015 Dämpfung auf vielfältige Weise bestimmbar mäßige \\ Übereinstimmung unterschiedliche Ergebnisse Messung Erzwungene Schwingung bessere Übereinstimmung Simulation Erzwungene Schwingung ζ = 0,022 ζ aus erzwungener Schwingung Anbindung erhöht globale Dämpfung erheblich Welche Einflüsse und Zustände im Modell? Zusammenbau von komplexen Strukturen mögl.? Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 16

17 Agenda Hintergrund Forschung Zusammenfassung & Ausblick Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 17

18 Zusammenfassung Dämpfung ist Energiedissipation Wertebestimmung in Abhängigkeit der Systemdefinition Dämpfungsmodell, Geometrie, Einspannung 1 2 ü 1 bislang im Fokus: Materialdämpfung Ausblick1: Fugendämpfung an Verbindungselementen Energiedissipation direkt im Energiezufluss Dämpfung des Gesamtsystems wahrscheinlich deutlich erhöht Ausblick2: Globale Betrachtung von großen Strukturen Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 18

19 Ausblick größere Strukturen ohne Schublade Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 19

20 Ausblick Hexapod Prüfstand Kräfte bis zu F = 500 kn Geschwindigkeiten bis zu v = 1 m/s Drehmomente bis zu T = 40 knm Arbeitsfrequenz bis f = 30 Hz Beschleunigungen bis zu a = 6 m/s 2 Verfahrwege (kombiniert) s = +/ 150 mm Winkel bis zu α = +/ 5 Nutzlast (dynamisch) m = 1000 kg Schwingfundament 350 to In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Ing. K. Schulte und Prof. Dr. Ing. U. Weltin, gefördert durch die DFG Bildquelle: PKT, FGB Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 20

21 Ausblick Hexapod Prüfstand Verspannungstest im oberen Prüfraum mit externem Aufbaurahmen Vibrationstest von großen Komponenten im oberen Prüfraum Verspannungstest unterer Prüfraum (für kleinere Bauteile) Drucksimulationen durch Verwendung einer elastischen Blase In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Ing. K. Schulte und Prof. Dr. Ing. U. Weltin, gefördert durch die DFG Bildquelle: PKT, FGB Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 21

22 Ausblick Hexapod Video aus dem Testbetrieb Regelung Wegregelung Kraftregelung auch kombiniert induktiver Nachfahrregler Hier im Testbetrieb (Ende Dezember) Sicherheitskonzept Wege begrenzt Reduzierter Dynamikumfang Nur 1 Aggregat im Betrieb Stand Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Vielen Dank gilt auch den Projektträgern und den beteiligten Unternehmen FlexGalley gefördert von der BWA/BWVI der Freien und Hansestadt Hamburg im Rahmen von LuFo in Kooperation mit der Fa. Mühlenberg/Diehl Service Modules HEXAPOD gefördert von der DFG und der BWF der Freien und Hansestadt Hamburg (Hallenneubau) in Kooperation mit den Instituten für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe und Zuverlässigkeitstechnik der TUHH Ermittlung von Parametern für dynamische FEM Simulationen von Faserkunststoffverbunden in Sandwichbauweise 23