NVH & Friction - Virtual Vehicle

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Abb. 3: Schematische Darstellung der Mises-Spannungen eines repräsentativen Volumenelements, Bereiche hoher Belastung sind rot dargestellt Frequenzabhängigkeit mit großen Verlustfaktoren von Aluschaum im Frequenzbereich bis zu ca. 3 kHz (Abb. 2). Die Identifikation des richtigen E-Moduls und der richtigen Dichte ist deshalb schwierig, da die Werte für den Bauteil aufgrund des Herstellungsprozesses nicht konstant sind. An Kanten entstehen z.B. Verdichtungen des Materials. Die Genauigkeit der Vorhersage von Eigenfrequenzen für das neue Bauteil ist deshalb beschränkt und Frequenzabweichungen von 5% und mehr sind üblich. Deshalb wurden am VIRTUAL VEHICLE Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, die Qualität der Vorhersagen weiter zu erhöhen. Für die Berechnung der physikalischen Eigenschaften mit der Finiten Elemente Methode (FEM) müsste die entsprechende Mikrostruktur im Detail vernetzt werden. Dies würde aber bereits bei kleinen Bauteilen zu Berechnungsmodellen mit mehreren Milliarden Freiheitsgraden führen. Die Berechnung solcher Modelle wäre mit heutigen Computern wirtschaftlich nicht möglich. Mit der Multi-Scale Methode ist ein effizienterer Ansatz zur präzisen physikalischen Beschreibung solcher Materialen gegeben. Für diese Methode ist die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften, der Geometrie und des Aufbaus der Mikrostruktur notwendig, um aus diesen Eigenschaften eine makroskopische Beschreibung abzuleiten. Für die Simulation eines Maschinenbauteils sind diesen mikroskopisch inhomogenen Werkstoffen bereichsweise homogene Ersatzstoffe zuzuordnen. Eine Möglichkeit, diese Homogenisierung numerisch durchzuführen, bietet das Konzept eines repräsentativen Volumenelements (RVE). Dieses Konzept wird wie folgt angewendet: es wird in einem kleinen Volumen des Werkstoffes die Gefügestruktur modelliert und als Randwertproblem gelöst (Abb. 3). Wichtig ist Porenanzahl 16 magazine Nr. 13, I-2013 250 200 150 100 50 0 0,10 0,20 0,50 1,00 5,00 15,00 40,00 100,00 und größer Abb. 4: Verteilung der Porengrößen in den verschiedenen Querschnitten dabei, dass das Volumen groß genug ist, um eine für das Makroverhalten repräsentative Gefügestruktur zu enthalten. Auf Basis des RVEs können die lokalen E-Module und die lokalen Dichten berechnet werden. Diese werden in weiterer Folge an die FE-Simulation übergeben. Messungen Für die Parametrierung des Simulationsmodells wurden am Objekt (Aluminiumschaum Rohr) insgesamt sechs Computer Tomografie (CT) Scans in einem Abstand von je 40 mm durchgeführt. Auf Basis der CT Bilder wurde die Verteilung der Porengrößen ermittelt (Abb. 4). Für die Validierung der Simulationsergebnisse wurden die untersuchten Bauteile einer experimentellen Modalanalyse unterzogen. Dabei wurden die Eigenfrequenzen und die Eigenschwingungsformen bestimmt. Vergleich Messung-Berechnung Nach der Übergabe der Materialdaten aus den RVEs wurde die Berechnung der Eigenfrequenzen durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse im Vergleich mit der Messung sind in Abb. 5 zusammengefasst. Sie zeigen gute Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Eigenfrequenzen. Die maximale Frequenzabweichung liegt unter 5%, was die Leistungsfähigkeit der Methode unterstreicht. Zusammenfassung Mit den beschriebenen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Multi-Scale Methode eine deutliche Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit der Werkstoffeigenschaften von inhomogenen Materialien gegenüber Scan1 Scan2 Scan3 Scan4 Scan5 Scan6 Porengröße [mm²] Abb. 5: Vergleich gemessener und berechneter Frequenzen der ersten neun Schwingungsmoden der bisherigen phänomenologischen Beschreibung erzielt werden kann. Voraussetzung für die guten Ergebnisse ist aber die detaillierte experimenteller Erfassung der Mikrostruktur des Schaummaterials, d.h. die möglichst genaue Übertragung der lokalen Materialparameter (Homogenisierung) an das FE Modell (Makrostruktur) des Bauteiles. In Zukunft soll diese Methode verstärkt im Umfeld Fahrzeugleichtbau auch unter Verwendung von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen (u.a. Carbon, Kevlar), Sandwich-Materialien, Thermoplasten, sowie faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt werden. ■ Zu den Autoren Dr. Karoly Jalics leitet das Prüfstandszentrum des VIRTUAL VEHICLE. Łukasz Karaś forscht im Bereich MKS und FEM-Simulation am VIRTUAL VEHICLE. Scan1 Scan2 Scan3 Scan4 Scan5 Scan6
Die Prüfstände der Area NVH & Friction Die Area NVH & Friction verfügt über umfangreiche Versuchseinrichtungen, um die akustischen Eigenschaften von Fahrzeugkomponenten wie Motor und Antriebsstrang zu untersuchen. Historie Prüfstandszentrum Vor 13 Jahren startete kurz nach der Gründung des Akustikkompetenzzentrums (ACC) der Bau der Prüfstände. Seit dem Frühjahr 2000 werden am Akustik-Motorprüfstand, dem Akustik- Antriebsstrangprüfstand und am Modalanalyseprüfstand Untersuchungen im Rahmen von Kunden- und Forschungsprojekten durchgeführt. ACC inkl. Prüfstände wurden durch das VIRTUAL VEHICLE im Juni 2008 übernommen. Aufgrund der steigenden Herausforderungen und auch hinsichtlich der Versuchsdurchführungen wurden die Prüfstände mehrmals auf aktuellen technischen Stand gebracht: • 2005: Upgrade der Prüfstandregelung an Motor- und Antriebsstrangprüfstand auf AVL Puma Open • 2007: Einsatz eines Gangwechselautomaten zur Durchführung automatisierter Prüfläufe am Antriebsstrangprüfstand • 2009: Beschaffung einer Klimakammer (-20 °C bis +60 °C) für den Antriebsstrangprüfstand. • 2012: Upgrade des Motor- und Antriebsstrangprüfstand auf AVL Puma Open 2012 und Adaptierung der Leistungselektronik (Frequenzumrichter und Steuerung) am Antriebsstrangprüfstand. Zertifizierung Im Jahr 2004 wurde das gesamte Akustikkompetenzzentrum (und damit auch die Prüfeinrichtungen) erstmals gemäß ISO 9001 zertifiziert. Als erster Bereich des VIRTUAL VEHICLE wurde am 19. Mai 2009 das Prüfstandzentrum gemäß ISO 9001: 2008 zertifiziert. Die erneute Zertifizierung fand im Mai 2012 statt. Motorakustikprüfstand Der Motorprüfstand ist ein akustischer Vollraum mit einer unteren Grenzfrequenz von 100 Hz. Bis zu einer maximalen Leistung von 440 kW können Verbrennungsmotoren am Prüfstand betrieben werden. Dabei können sowohl hochdrehende PKW Ottomotoren (Maximaldrehzahl: 7500 rpm) als auch drehmomentstarke LKW Motoren (in Verbindung mit Zwischengetriebe bis zu 3600 Nm) untersucht werden (Abb 1.). Besonders ist hervorzuheben, dass der Prüfstand auch so ausgestattet ist, dass Forschungsprojekte zur Emissionsreduzierung im Hinblick auf künftige Abgasnormen durchgeführt werden können. Derzeit läuft zu dem Thema auch ein umfangreiches Forschungsprojekt. In Kombination mit den Akustikeinrich- magazine Nr. 13, I-2013 Abb. 1: Akustischer Motorprüfstand Abb. 2: Akustischer Antriebsstrangprüfstand 17
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Seite 29 und 30: NVH steht vor neuen Herausforderung
Seite 31 und 32: Startschuss für Marie Curie Progra

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