Fakultät Maschinenwesen Professur für Dynamik und Mechanismentechnik

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1 Fakultät Maschinenwesen Professur für Dynamik und Mechanismentechnik

2 Übersicht 1. Der virtuelle Zug an der Professur Dynamik und Mechanismentechnik 2. Simulation im Entwicklungsprozess 3. MKS und FEM 4. Simulation im Entwicklungsprozess: Anwendungsbeispiele Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 2

3 1. Der virtuelle Zug an der Professur Dynamik und Mechanismentechnik 2. Simulation im Entwicklungsprozess 3. MKS und FEM 4. Simulation im Entwicklungsprozess: Anwendungsbeispiele Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 3

4 Prof. Dr.-Ing. M. Beitelschmidt Diplom und Dr. Maschinenwesen in München Schwerpunkt auf Mechanik (Prof. Pfeiffer) 6 ½ Jahre Sulzer Innotec in Winterthur (Schweiz), Leiter der Fachgruppe Mechanische Systeme seit 2005 Professor an der TU Dresden Fahrzeugmodellierung und -simulation 2010: Fusion mit der Professur Maschinendynamik zur Professur für Dynamik und Mechanismentechnik Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 4

5 Die Geschichte der TU Dresden 1828 Gründung der Technischen Bildungsanstalt in Dresden 1890 Königlich Sächsische Technische Hochschule (TH) 1945 Fast vollständig zerstört 1946 Wiedereröffnung der Technische Hochschule (TH) 1961 Technische Universität (TU) Dresden 1990 Konstituierung von Fakultäten, Gesamtuniversität 2012 Titel der Exzellenzuniversität Professur für Dynamik und Mechanismentechnik 5

6 Die TU Dresden heute Eine der fünf größten Universitäten Deutschlands 4 Wissenschaftsgebiete 14 Fakultäten, in 5 Bereichen organisiert Studierende: (2014/2015) davon Erstsemester: (2014/2015) Studienfächer: 126 Beschäftigte: davon Drittmittelbeschäftigte: Drittmittelfinanzierung: 259,8 Millionen Euro (2013), Gesamtetat: ca. 520 Millionen Euro (2013) Professur für Dynamik und Mechanismentechnik 6

7 TU Dresden Gesamtuniversität Studierende nach Wissenschaftsgebieten im WS 2014/15 Bau und Umwelt: (19,3%) Geistes- und Sozialwissenschaften: (32,5%) Medizin: (7,3%) Ingenieurwissenschaften: (28,8%) Naturwissenschaften: (12,1%) Gesamtzahl Stichtag: 1. Dezember Professur für Dynamik und Mechanismentechnik 7

8 Institut für Festkörpermechanik Professur für Nichtlineare Festkörpermechanik Professur für Dynamik und Mechanismentechnik Professur für Mechanik multifunktionaler Strukturen Arbeitsgruppe Betriebsfestigkeit Professur für Dynamik und Mechanismentechnik 8

9 Professur für Dynamik und Mechanismentechnik Mehrkörperdynamik Fahrzeugdynamik Modellreduktionsverfahren Akustik Schwingungsanalyse an Chair of Dynamics Schwingungen Maschinen und Bauwerken and und NVH Mechanism Design Simulation des Gehörs Energetische Optimierung von Fahrzeugen und Maschinen Thermomechanik und Thermoelektrik Getriebelehre und Robotertechnik Ziele: Spitzenforschung, Ansprechpartner und Ausbilder im Fachbereich der Dynamik und Mechanismentechnik Professur für Dynamik und Mechanismentechnik 9

10 Der virtuelle Zug an der Professur DMT Messstraßenbahn LRV-Simulation Energieeffizientes Fahren NVH im Fahrzeugantriebsstrang icewear Radverschleiss Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 10

11 1. Der virtuelle Zug an der Professur Dynamik und Mechanismentechnik 2. Simulation im Entwicklungsprozess 3. MKS und FEM 4. Simulation im Entwicklungsprozess: Anwendungsbeispiele Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 11

12 Definition Simulation (VDI-Richtlinie 3633) Simulation ist das Nachbilden eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. simulare (lat.): vortäuschen Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 12

13 Wichtigkeit der Simulation New Innotec Wichtigkeit Simulation Possible Competition and Partners Universities and National Labs Contract R&D Fire Fighting (Technology Incubator of New Ventures Services) Generics Zühlke SRI Fachhoch- Local schulen Experts Helbling R&D and Product Life Cycle Basic Research Ideas Innovation Short to Midterm R&D Functional Prototype Product Development Service Maintenance Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 13

14 Simulation im Entwicklungsprozess Simulation des Lauf- und Schwingungsverhaltens (Fahrsicherheit, Komfort, NVH, Lichtraum) Antriebsstrang-/Längsdynamik-Simulation Simulation des Antriebs (Verbrennungsprozesse, Hybrid-Simulation, Kolbenmaschinendynamik) MKS Simulation von Fahrzyklen (Verbrauch, Emissionen) Crash-Simulationen Festigkeitsberechnungen FEM Akustiksimulation (Innenraumakustik, Geräuschemission) Aerodynamik-Simulation CFD Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 14

15 1. Der virtuelle Zug an der Professur Dynamik und Mechanismentechnik 2. Simulation im Entwicklungsprozess 3. MKS und FEM 4. Simulation im Entwicklungsprozess: Anwendungsbeispiele Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 15

16 Die Methode der Mehrkörpersysteme Unter einem Mehrkörpersystem (MKS) versteht man eine endliche Anzahl starrer, d.h. nicht deformierbarer Körper, die untereinander durch kinematische Bindungen (Gelenke) und Kraftkopplungen in Wechselwirkung stehen. Drehgestellrahmen 0 Antr.- welle 2 c T Antr.- welle 1 Verzahnung Dummy_ DMS_DG Zw.- welle 2 c T Zw.-welle 1 Lager Verzahnung DMS Getriebegehäuse Abtr.- welle Lager 0 Radsatzwelle (Teilwelle 2) Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 16

17 MKS und FEM Anwendungsgebiete für Mehrkörpersysteme (MKS) Konstruktion von Maschinen und Anlagen Strukturdynamik/ Maschinendynamik MKS Mechanismen und Arbeitsmaschinen Regelungstechnik/ Mechatronik Festigkeitsanalyse (Betriebsfestigkeit) Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 17

18 MKS und FEM Anwendungsgebiete für elastische Mehrkörpersysteme (EMKS) Konstruktion von Maschinen und Anlagen Strukturdynamik/ Maschinendynamik/ Vibroakustik MKS Mechanismen und Arbeitsmaschinen Regelungstechnik/ Mechatronik Festigkeitsanalyse (Betriebsfestigkeit) Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 18

19 Zusammenspiel von MKS und FEM MKS / Systemdynamik liefert Bewegungen und dynamische Gelenkkräfte (Bauteilbelastung / Lastkollektive) FEM / Festigkeitsanalyse liefert Spannungen (Bauteilbeanspruchung) aus Bauteilbelastungen EMKS Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 19

20 Zusammenspiel von MKS und FEM Elastische Radsatzwelle torsionselastisch (Torsionsschwinger) vollelastische FE-Struktur (elastische Welle) Torsionsschwinger elastische Welle Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 20

21 1. Der virtuelle Zug an der Professur Dynamik und Mechanismentechnik 2. Simulation im Entwicklungsprozess 3. MKS und FEM 4. Simulation im Entwicklungsprozess: Anwendungsbeispiele Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 21

22 Lichtraum bei Straßenbahnen Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 22

23 Simulation der Fahrdynamik MKS-Modell einer einer Niederflurstraßenbahn Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 23

24 Untersuchung des Lichtraumprofils MKS-Kinematikmodell in Fahrtrichtung Darstellung des Größtabstandes von der Gleismittellinie für die ersten drei Wagen Es kann leicht ausgewertet werden welcher Wagen den größten Lichtraumbedarf hat in welchem Fahrwegquerschnitt der größte Lichtraumbedarf besteht links rechts Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 24

25 Untersuchung des Lichtraumprofils Draufsicht Darstellung der Konturlinien der Wagenkästen Im Bild rechts sind die Konturlinien dreier Wagenkästen zu drei Zeitpunkten dargestellt Aus den Konturlinien kann die dynamische Einhüllende abgeleitet werden Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 25

26 Untersuchung des Lichtraumprofils Analyse von Begegnungen auf zweigleisigen Strecken Darstellung der dynamischen Einhüllenden Sichtbarmachung von Kollisionsrisiken Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 26

27 Untersuchung des Lichtraumprofils Lichtraumprofilanalyse Das Lichtraumprofil wird aus den Simulationsdaten abgeleitet Das Beispiel zeigt den Einfluss einer Windlast auf das Profil Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 27

28 Antriebsstrang-/Längsdynamik-Simulation Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 28

29 Antriebsstrang-/Längsdynamik-Simulation MKS-Modell einer vierachsigen Diesellokomotive mit detailliertem Antriebsstrangmodell Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 29

30 Antriebsstrang-/Längsdynamik-Simulation Modellbildung des Achsgetriebes Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 30

31 Untersuchung von Rollierschwingungen Beobachtung: Spurmaßveränderung bei Lokomotiven verschiedener Baureihen Hypothese: Axiale Verschiebung des Rades über vorgespannte Kegelringfeder Tatsache: Der Presssitz ist nach DIN 7190 für extreme statische Lasten ausgelegt Hypothese: Kurzzeitiges Versagen des Presssitzes Rad/Radsatzwelle aufgrund dynamischer Rollierschwingungen Tatsache: Auf die Laufleistung bezogen ein extrem seltenes Phänomen Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 31

32 Untersuchung von Rollierschwingungen MKS-Modell in Substrukturtechnik Wagenkasten Fahrmotor + Getriebe Drehgestell Radsatzlager Radsatz Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 32

33 Untersuchung von Rollierschwingungen Einfluss der Kegelringfederdämpfung [knm] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle 1 Anfahrvorgang Gerade, Variation d KRF, Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle 2 [knm] Maximalwerte KRF-Drehmoment [knm] Erheblicher Einfluss durch die Kegelringfedersteifigkeit übertragbares Drehmoment [knm] [knm] [knm] [knm] Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle d KRF [Nms/rad] [knm] Zeit [s] Drehmoment Presssitz Radsatzwelle Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 33 [knm] Zeit [s]

34 Antriebssimulation - Elektromotor MKS-Modell des Antriebsmotors eines Triebzugs Untersuchung des Einflusses von Restunwucht und Lagerspiel auf die Rotordynamik Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 35

35 Antriebssimulation - Elektromotor Wälzlagermodellierung,,,, Kennlinien mit steigender Axiallast Interpoliertes Kennfeld für den Zusammenhang Axialverschiebung, Radialverschiebung und Axialkraft Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 36

36 Antriebssimulation -Elektromotor Bewegungsanalyse des Rotors im Wälzlager Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 37

37 NVH-Prognose bei Schienenfahrzeugen Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 38

38 NVH-Entwicklung 100 % fertiges Schienenfahrzeug Virtuelle Produktentwicklung Fahrzeugversuch Finite-Elemente-Simulation/ SEA Komponentenversuch Elastische Mehrkörpersimulation Funktionale Reife des Entwicklungsobjekts 0 % Analytische Auslegungsmodelle /SEA Grundlegende Designrichtlinien Sinnvoll anwendbar: Kombination aus Beidem versuchsorientierte Entwicklung (kostenintensiv) 0 % Detailierungsgrad (tatsächliche physische Geometriedefinition) 100 % Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 39

39 Methoden in der NVH-Entwicklung Quelle z.b.: Rad-Schiene-Kontakt Analytische Modelle mittels Übertragungsfunktionen: F 1 v 1 F 2 F3 F4 3 A1 A2 A A4 Radkörper Radsatzlager 3 Drehgestell v2 v v 4 Wagenkasten v 5 Finite-Elemente Modell eines Fahrmotors Abstrahlung von Luftschall Komplexität SEA BEM FEM EMKS MOR Statistische Energieanalyse Rand-Elemente Methode Finite-Elemente Methode Elastische Mehrkörpersimulation Modellordnungsreduktion Systemausdehnung Analytische Modelle Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 40

40 Vibroakustische Simulation des Schienenfahrzeugs Luftschall Detaillierung des Modells Akustische BEM/FEM - Berechnung SEA Körperschall Detaillierung des Modells Modellierung des Antriebsstrangs MKS Komfortberechnung Erweiterung von MKS Modellen Modellierung der Körperschallweiterleitung FEM 0 Hz 20 Hz 200 Hz 1 khz 2 khz 20 khz Vibration Harshness Noise Modellgültigkeit im Frequenzbereich Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 41

41 NVH Analyse durch Kopplung von Simulation und Messung x = Berechnung des Luftschalls Quelle: Bombardier Transportation Transferpfadanalyse und Quellenlokalisierung Verifikation der Optimierung 1) EMKS Berechnung der Körperschallsignale an den Anbindungspunkten 2) Transferpfadmessung Messung der Transferpfade von den Anbindungspunkten zum Innenraum 1)+2) = 3) Hybride Analyse des Innengeräuschs: Mit PAK (Müller BBM) wird der Luftschall im Innenraum infolge der Schnittkräfte an den Anbindungspunkten berechnet Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 42

42 NVH-Abbildung des Antriebsstrangs EMKS mit Co-Simulation BEM/FEM Akustiberechnung Numerische Simulation Transiente FEM Analytische Modelle Empirische Ersatzmodelle FEM im Frequenzbereich Dynamische Netzwerkrechnung Berechnung des Innen- und Außenluftschalls mittels SEA Anregungsmechanismen Körperschallübertragung Schallabstrahlung Torsionsschwingungen Achslenker Wagenkasten Biegeschwingungen Drehgestellrahmen Getriebegehäuse Stöße Luftfeder Statorgehäuse Nichtfluchtende Wellen Dämpfer Drehgestell Unwucht Federelemente Radsätze Zahneingriffe Längsmitnahme etc. Rad-Schiene Kontakt Wankstütze Wälzlager Radsätze etc. etc Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 43

43 NVH-Abbildung des Antriebsstrangs Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 44

44 NVH-Abbildung des Antriebsstrangs Lagerbeschleunigung Messung Simulation Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 45

45 Der Radsatz und das Rollgeräusch Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 46

46 Radsatz und Rollgeräusch Berechnungsschritte zur Rollgeräuschprognose Rauheit Rad-Schiene- Kontakt Schallabstrahlung Strukturdynamik Rad- und Schienenoberfläche sind rau. Wegerregung von Rad und Schiene. Filterwirkung durch den elastischen Kontakt. Rad und Schiene stellen ein gekoppeltes Schwingungssystem dar. Schwingungsanregung beider Kontaktpartner. Schallabstrahlung Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 47

47 Radsatz und Rollgeräusch Forschungsprojekt LZarG Ausgangsentwurf Optimierung Modellprüfstand 1:2 Schalloptimierter Radsatz Vorbeifahrtmessungen Rollenprüfstand 1: Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 48

48 Radsatz und Rollgeräusch Modellprüfstand Validierung der rechnerisch prognostizierten Modendichtereduktion Überprüfung der Arbeitshypothesen zur Veränderung des Resonanzverhaltens am drehenden gegenüber dem stehenden Radsatz experimentelle Überprüfung der Wirksamkeit von Radschallabsorbern Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 49

49 Radsatz und Rollgeräusch Prüfstand mit Steuer- und Messarbeitsplatz Prüfstand Gleichrichter Steuerrechner Leistungsverstärker Vibrometermessung Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 50

50 Radsatz und Rollgeräusch Elektromagnetischer Erreger Lagerung Einbausituation Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 51

51 Radsatz und Rollgeräusch Eigenverhalten in Rechnung und Versuch Var. 4.2: Eigenmode A,0,2 ET 422: Eigenmode A,1,2 610 Hz 1574 Hz 518 Hz 1360 Hz Abw. ~ 18% 1360 Hz Abw. ~ 14% Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 52

52 Radsatz und Rollgeräusch Eigenverhalten des rotierenden Radsatzes Winkelgeschwindigkeit [rad/s] 0 134,1 Eigenfrequenz [Hz] Fahrgeschwindigkeit [km/h] Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 53

53 Radsatz und Rollgeräusch Eigenverhalten des rotierenden Radsatzes Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 54

54 Radsatz und Rollgeräusch Eigenverhalten des rotierenden Radsatzes Aufspaltung der Eigenmode A,0,3 bei /min f 1 = 2360 Hz f 1 = 2510 Hz Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 55

55 Radsatz und Rollgeräusch Eigenverhalten des rotierenden Radsatzes Der virtuelle Zug IMR und CM Kolloquium Universität Siegen Folie 56

56 Radsatz und Rollgeräusch Akustische Strukturoptimierung Variation der Geometrieparameter Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 57

57 Radsatz und Rollgeräusch Berechnung der Körperschallleistung Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 58

58 Radsatz und Rollgeräusch Akustische Strukturoptimierung - Paretofront Ausgangskontur Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 59

59 Radsatz und Rollgeräusch Experimentelle Ermittlung der Körperschallleistung Shaker Kraftanregung Oberflächen-schnelle 3D-Laservibrometer Maschinenakustische Grundgleichung Körperschallleistung Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 60

60 Radsatz und Rollgeräusch Berechnung der Körperschallleistung aus der gemessenen Oberflächenschnelle Interpolation der gemessenen Schnelle auf ein Oberflächennetz mit bekanntem Flächeninhalt und Orientierung Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 61

61 Zusammenfassung Messstraßenbahn LRV Simulation Energieeffizientes Fahren NVH im Fahrzeugantriebsstrang icewear Radverschleiss Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 62

62 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Der virtuelle Zug - IMR und CM Kolloquium Universität Siegen 63