Fluid-Struktur-Akustik als Analyse mit bidirektionaler Kopplung und Schalldurchgang
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- Tristan Sachs
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1 VPE Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Fluid-Struktur-Akustik als Analyse mit bidirektionaler Kopplung und Schalldurchgang Reinhard Helfrich INTES GmbH, Stuttgart INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 1
2 INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 2
3 Fluid-Struktur-Akustik Methoden der Strukturdynamik (Schwingungen) Anwendung auch auf Fluide allein (Akustik) und auf Strukturen, die mit Fluiden gekoppelt sind (Fluid- Struktur-Akustik) Dadurch Erweiterung der klassischen Strukturmodelle um die angrenzenden Fluidmodelle mit einer geeigneten Kopplung Diese Kopplung wird physikalisch durchgeführt, d.h. die normale Verschiebung der Struktur ist stets gleich der normalen Verschiebung des Fluids INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 3
4 Beispiel für Fluid-Struktur-Akustik Externes Fluid Struktur Doppelt benetzte Schalenelemente Hülle Internes Fluid INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 4
5 Fluid-Modell mit Finiten Elementen INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 5
6 Kopplung von Struktur und Fluid Fluid- und Strukturnetz sind häufig nicht kompatibel. Gründe: Fluid und Struktur werden getrennt vernetzt Strukturnetze sind häufig wesentlich feiner als das zugehörige Fluidnetz wegen der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit Lösung durch inkompatible Netze INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 6
7 Abstrahlung Reflexionsfreie Grenzfläche über Abstrahlrandbedingungen, z.b. kugelförmige Grenzfläche nach Bayliss-Turkel INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 7
8 Oberflächenwellen Oberflächenwellen Fluidelemente Mode 1 bei Hz Mode 2 bei Hz Mode 3 bei Hz INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 8
9 Mitbewegte Masse Oft genügt es für die strukturdynamische Analyse, dass man ein umgebendes oder eingeschlossenes Fluid (wie das umgebende Wasser bei Schiffen oder das Fluid in einem Tank) als Masse mitnimmt. Dabei kommt es darauf an, die Massenverteilung korrekt zu erfassen. Durch eine Modellierung des Fluids wird das ermöglicht. Selbst ein unendlich ausgebreitetes Fluid (wie bei einem Schiff) kann über halbunendliche Elemente näherungsweise erfasst werden. INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 9
10 Eigenwerte Verschiebung Druckverteilung Reelle gekoppelte Eigenschwingungsform eines Raketentanks INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 10
11 Energieverteilung in gekoppelten Eigenformen Relative Verteilung der Energie auf Struktur und Fluid für die Eigenformen erlaubt die Identifikation von struktur-dominanten, fluid-dominanten und stark gekoppelten Moden INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 11
12 Dynamische Kondensation Es sind zwei Optionen zur dynamischen Kondensation verfügbar: Benetzte Kondensation - Getrennte Berechnung von Struktur- und Fluidmoden in Teilstrukturen. Die externen Moden sind Verschiebungs- und Druckmoden. - Die Gesamtlösung besteht in einer gekoppelten Schwingungsanalyse. Trockene Kondensation - In den Teilstrukturen wird ein gekoppeltes Eigenwertproblem gelöst, d.h. die Fluidkomponente wird isoliert. Die externen Moden sind gekoppelte Moden (ohne Druckfreiheitsgrade). - Die Gesamtlösung ist ein rein strukturdynamisches Problem, da keine Druckfreiheitsgrade mehr vorhanden sind. - Erleichtert die Nutzung akustischer Komponenten in ansonsten nur mechanisch aufgebauten Komponenten (dabei bleibt die Möglichkeit der Rückrechnung auf die Druckfreiheitsgrade erhalten). INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 12
13 Motor mit Anbauteilen INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 13
14 Dynamische Antwort Absorption im Volumen Absorption an der Oberfläche INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 14
15 Innengeräusche eines SUV INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 15
16 Einführung Körperschall- und Luftschallanregung für Rohkarosserie (BIW) und Trimmed Body Vergleich von Messung (durchgeführt von Autoneum, Winterthur, Schweiz) und Berechnung (durchgeführt von INTES) dp Body in White Vehicle Body in White (BIW) Interior Fluid dp Trimmed Vehicle Trimmed Body Fluid Trim Transfer Matrix Method Structure INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 16
17 Struktur- und FS-Modell DISP DOF: PRES DOF: FS coupling to inner fluid Inner fluid FS with inner fluid Structure model Outer fluid and radiation boundary condition FS with outer fluid FS Model FS coupling to outer fluid INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 17
18 Messpunkte Die Messpunkte sind in folgenden Bereichen angeordnet: 1) Instrumententafel (links und rechts) 2) Boden (links und rechts, vorne und hinten) 3) Tunnel (links, oben und rechts) 4) Radkasten (links und rechts) 5) Vier Mikrophone im Inneren Beschleunigungsaufnehmer Mikrofone INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 18
19 Körper- und Luftschallanregung Berechnungsart: Eigenwertanalyse Modaler Frequenzgang dp V Anregungen (Sinus von 5 bis 500 Hz): F[ N ] 1) Körperschall Q F Getriebeaufhängung Hinterachsträger Federdom Q [ mm ] 3 s 2 2) Luftschall Motorraum Getriebe Auspufftopf Radkasten INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 19
20 Messgrößen Messgrößen für die Korrelation: v/f Transfer functions (RMS normal velocity / input force) p/f Transfer functions (RMS microphone SPL / input force) v/q Transfer functions (RMS normal velocity / volume velocity acoustic source) p/q Transfer functions (RMS microphone SPL / volume velocity acoustic source) vrms = 20 log 10 v0 =1000 mm/s = 20 log = 2.10 MPa N i = 1 Die Korrelation zwischen Simulation und Messung wurde ausgewertet mit dem Frequency Response Assurance Criterion (FRAC). FRAC = f max max f f i f i FRF FRF meas 2 meas N i = 1 ( f ) FRF ( f ) f max 2 ( f ) FRF ( f ) i N v i 0 f i v 2 i cal cal i i 2 INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 20 p p RMS 0 ( ) f i FRF α α = meas,cal N p 0 p 2 i
21 Vergleich Körperschall BIW Messung/Berechnung Strukturanregungen v/f Response in frequency domain [Hz] Measurement Simulation FRAC Dash Floor Tunnel Wheelhouse INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 21
22 Vergleich Körperschall BIW Messung/Berechnung Strukturanregungen p/f Response in frequency domain [Hz] Measurement Simulation FRAC Mikrofone Microphone average INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 22
23 Vergleich Luftschall BIW Messung/Berechnung Schallanregungen v/q Response in frequency domain [Hz] Measurement Simulation FRAC Floor Tunnel Wheelhouse INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 23
24 Vergleich Luftschall BIW Messung/Berechnung Schallanregungen p/q Response in frequency domain [Hz] Measurement Simulation FRAC Mikrofone Microphone average INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 24
25 Fahrzeug mit Dämmung (TB - Trimmed Body) Es wurden 80 gedämmte Bereiche berücksichtigt Kinematische Fluid-Struktur-Kopplung Kopplung mit Dämmung TB mit 80 gedämmten Bereichen Die physikalische Beschreibung des Dämmmaterials (und der daraus ermittelten Impedanzmatrizen) erfolgt direkt auf den Kopplungselementen (unter Verwendung einer Software von Autoneum, Winterthur, Schweiz). INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 25
26 Vergleich Körperschall TB Messung/Berechnung Strukturanregungen v/f Response in frequency domain [Hz] BIW TRIM Simulation Measurement shifted -30 db FRAC Simulation Measurement shifted -30 db Dash Floor Tunnel Wheelhouse INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 26
27 Vergleich Körperschall TB Messung/Berechnung Strukturanregungen p/f Response in frequency domain [Hz] BIW TRIM Simulation Measurement shifted -30 db FRAC Mikrofone Microphone average INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 27
28 Vergleich Luftschall TB Messung/Berechnung Schallanregungen v/q Response in frequency domain [Hz] BIW TRIM Simulation FRAC Measurement shifted -30 db Simulation Measurement shifted -30 db Floor Tunnel Wheelhouse INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 28
29 Vergleich Luftschall TB Messung/Berechnung Schallanregungen p/q Response in frequency domain [Hz] BIW TRIM Simulation Measurement shifted -30 db FRAC Mikrofone Microphone average INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 29
30 Zusammenfassung Akustik als Erweiterung der Strukturdynamik durch eine bidirektionale Kopplung von Druck- und Verschiebungsfreiheitsgraden für alle Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Direkte und effiziente Ermittlung der gekoppelten reellen Eigenwerte und Eigenformen Dynamische Kondensation auf Verschiebungsfreiheitsgrade ( trockene Kondensation) z.b. für MKS-Berechnungen Modale und direkte Verfahren für die dynamische Antwort im Zeit- und Frequenzbereich Innen- und Außenfluid in einem Modell, damit direkte Schalldurchgangsberechnungen INTES GmbH, 2013, Stuttgart, Germany VPW Swiss Workshop Akustik Simulation 12. Sept Seite 30
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