Refine
Document Type
- Doctoral thesis (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- FEM (3) (remove)
Institute
The creation of adequate simulation models for complex assemblies is an extensive process that requires a lot of experience, and on the other hand involves a multitude of manual, tedious tasks. These are significant obstacles for improving the process performance and capabilities. The objective of this research is to develop methods which digitally imitate the way of thoughts of the engineer in the design process towards a digital system understanding and which support the automation of the involved manual workflow.
This thesis presents a strategy to translate engineering reasoning and actions to an equivalent in the computer domain. A cardinal step is to gain understanding of system arrangements, boundary conditions and its components. Based on this evaluation, the identification of assembly parts is forming the foundation for optimized process chains for the transfer to the analysis environment. Model complexity relates to computational effort, which in turn affects model capabilities and manageability. To achieve a satisfactory compromise of model quality and complexity, this transfer process is strongly dependent on the visual analysis, reasoning and manual implementation of skilled engineers.
The principle of translating engineering logics is pursued from the assembly system to its smallest parts. Component segmentation methods allow subdividing regions of interest into substructures which are assigned with a feature vector. This vector comprises metrics describing the substructures with regard to specific aspects and is the key decision point for subsequent steps as idealization, suitable Finite-Element modeling and ultimately building an analysis model. The created system database is continuously maintained and supports these process chains as well as the final setup of the assembly simulation model.
An automated workflow like this implies advantages for efficiency, but also creates opportunities for further use cases. This workflow has been exploited for generating a training data set from the different simulation variants as a basis to a knowledge representation imitating engineering experience. An algorithm from the graph neural network field is applied to this data set as a conceptual approach. The intention pursued in this concept is to model the learning progress about estimating the influence of modelling decisions on simulation results and quality.
This research proposes a holistic strategy and describes methods to achieve the objectives of decreasing manual effort, introducing an automated and geometry-based process and digitally replicating engineering experience by introducing a knowledge database.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines vereinfachten mechanischen Ersatzmodells für strukturierte Bleche. Diese bewirken durch ihre eingebrachten Formen eine Verbesserung der Bauteilsteifigkeit und des Beulverhaltens und versprechen somit hohes Potenzial hinsichtlich industrieller Anwendungen im Leichtbau. Zunächst wird ein Einblick in die theoretischen Grundlagen gegeben, welche essentiell für das Verständnis der Arbeit sind. Anschließend wird ein vereinfachtes Ersatzmodell entwickelt, welches auf Basis von Homogenisierungsprozessen anisotrope Materialparameter beschreibt, um das elastische Verhalten großer Strukturen aus strukturierten Blechen berechnen zu können. Für die Ersatzkennwerte werden Symmetrie- und Randbedingungen an Elementarzellen betrachtet, deren strukturmechanisches Verhalten repräsentativ bestimmend ist. Die Bestimmung eines solchen Repräsentativen Volumenelements (RVE) stellt die Basis der Homogenisierungsmethode dar. Mithilfe des Ersatzmodells wird eine effiziente numerische Auslegung gewährleistet. Der anschließende Vergleich mit experimentellen Ergebnissen unterstützt die Validierung des vereinfachten Ersatzkontinuums.
Strukturierte Bleche besitzen eingeprägte, regelmäßige Beulungen und Geometrien, die ihre Biegesteifigkeit in einigen Bauteilachsen gegenüber glatten Blechen erhöhen. Somit bieten sie großes Potenzial für den Leichtbaueinsatz, etwa in der Fahrzeugtechnik oder der Luftfahrt. Jedoch hat diese erhöhte Steifigkeit einen nachteiligen Effekt auf die Schalldämmung. Nicht nur, dass bei Einsatz solcher Bleche mit ähnlicher Steifigkeit wie glatte Blechen eine Verringerung der Blechdicke und damit der flächenbezogenen Masse zu erwarten ist, auch da die strukturierten Bleche orthotrope Eigenschaften besitzen, verringert sich die Luftschalldämmung. Dies ist der Fall, da sich der Bereich der Koinzidenzfrequenzen, in dem das Schalldämmmaß vergleichsweise gering ist, über einen größeren Frequenzbereich erstreckt. Eine Möglichkeit, die Schalldämmung von leichten und steifen Wänden zu erhöhen, ist die Verwendung von Doppelwandkonstruktionen.
Die hier betrachteten strukturierten Bleche aus Stahl der Dicke 0,5 mm, 0,7 mm und 1,0 mm besitzen eine sechseckige Wabenstruktur und eine etwa dreifach höhere Biegesteifigkeit gegenüber glatten Blechen gleicher Dicke. Die Strukturen sind parametrisiert durch ihre Schlüsselweiten, die Wabengrößen, von 33 mm, 43 mm und 51 mm. Weiterhin werden kleinere Variationen dieser Strukturgeometrien verwendet.
In der vorliegenden Dissertation wird die Luftschalldämmung von Einfachwänden und von Doppelwänden aus glatten und aus strukturierten Blechen untersucht. Im Gegensatz zu den Kenntnissen über Vorhersage der Luftschalldämmung bei Einsatz von glatten Blechen ist diese Vorhersage für strukturierte Bleche nicht ohne Weiteres möglich. Es werden daher numerische Modellierungen und Berechnungen des Schalldämmmaßes dieser Konstruktionen mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. In einem Fensterprüfstand erfolgte Messungen dieses Parameters an glatten und strukturierten Blechproben werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Ergänzend werden analytische Berechnungen zur Schalldämmung isotroper und orthotroper Platten durchgeführt. Der betrachtete Frequenzbereich erstreckt sich immer bis mindestens 10 kHz.
Die Schalldämmung strukturierter Einfachwände verhält sich unterhalb eines gewissen Frequenzbereiches gleich dem einer glatten Wand, ab etwa 4 kHz tritt in ähnlicher Form bei allen Blechdicken und Schlüsselweiten eine Verringerung des Schalldämmmaßes von bis zu 15 dB auf, diese erstreckt sich bis in sehr hohe Frequenzen.
In diesem Frequenzbereich ab 4 kHz aufwärts zeigen sich in der Modalanalyse der Bleche Moden einzelner Waben, die glatte Bleche nicht aufweisen. Auch die Wellenlängen der Biegewellen, die die Bleche in diesem Frequenzbereich ausbilden, besitzen Größenordnungen ähnlich der Wabengrößen. Neben der erhöhten Steifigkeit ist diese Übereinstimmung eine weitere Erklärung für die veränderte und verringerte Schalldämmung strukturierter Bleche.
Doppelwände aus strukturierten Blechen zeigen einen ähnlichen Verlauf des Schalldämmmaßes, hier verringert sich die Schalldämmung gegenüber glatten Blechen um bis zu 25 dB.
Die Ergebnisse der Simulationen und der Messungen stimmen dabei sehr gut überein und decken sich mit den analytischen Berechnungen. Darauf aufbauend werden Variationen der Schlüsselweite, der Strukturgeometrie, der Wabenhöhe, der Ausrichtung der Waben, des Werkstoffes durch Änderung der flächenbezogenen Masse sowie nur für Doppelwand Variationen des Wandabstandes, der Zwischenraumbedämpfung und der Verbindungsart der Schalen untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Es zeigt sich, dass die Luftschalldämmung von Konstruktionen aus strukturierten Blechen berechenbar und somit vorhersagbar ist.