O+P Fluidtechnik 1-2/2018

VERBINDUNGSELEMENTE
1 MODELLIERUNG VON
HOCHDRUCK-SCHLAUCHLEITUNGEN
Voraussetzung für die Durchführung einer Systemsimulation ist
jedoch ein ausreichend verifiziertes Simulationsmodell der
Schlauchleitung. Im Rahmen des DFG-Forschungsvorhabens HE
1656/107-1 bis -3 „Experimentelle und simulative Untersuchung
des dynamischen Körperschallübertragungsverhaltens von Hochdruck-Hydraulikschlauchleitungen”
wurden am Institut für Werkzeugmaschinen
der Universität Stuttgart schlauchtypenbezogene
Grundmodelle (Spiralschlauch und Geflechtschlauch) mittels der
Methode der Finiten Elemente (FE) entwickelt und verifiziert. Der
Verifizierungsprozess wurde in zwei Komplexitätsstufen – modalund
frequenzgangbasiert – durchgeführt. In der ersten Komplexitätsstufe
der Verifikation wurden die Modaleigenschaften (Eigenfrequenzen
und Eigenmoden) aus Experiment und Berechnung abgeglichen
[HSS12, HSS14]. Im Rahmen der zweiten Komplexitätsstufe
wurden die experimentell ermittelten und simulativ berechneten
Übertragungsfunktionen auf einander angepasst [Sla17]. Die unbekannten
orthotropen Materialparameter des Schlauchdruckträgers
wurden durch die Lösung eines Optimierungsproblems mittels
einer zu minimierenden Zielfunktion identifiziert.
F =
⎧
N M P
⎪
⎫⎪
min ⎨∑αi( fiExp − fiFEM) + ∑β j( ψ
jExp
− ψ
jFEM
) + ∑γ
k( HkExp − HkFEM
) ⎬,
⎪⎩
i= 1 j= 1 k = 1
⎪⎭
wobei ƒ Exp/FEM
die Eigenfrequenzen, ψ Exp/FEM
die Eigenmoden und
H Exp/FEM
die Übertragungsfunktionen vom Experiment bzw. der
Berechnung darstellen. Der optimale Satz der Modellparameter
wurde durch die Anwendung der Subproblem-Approximations-
Methode erzielt [MüG07].
Als Ergebnis daraus wurde ein nichtlineares frequenz- und
druckabhängiges Materialmodell der Schlauchwand entwickelt,
welches das Körperschallübertragungsverhalten der Schlauchleitung
sehr exakt abbildet.
Bild 1.1 zeigt eine Gegenüberstellung der experimentell (exemplarisch
bei p = 100 bar) ermittelten und der simulativ berechneten
Frequenzgänge einer Spiralschlauchleitung. Für die Berechnung
wurde das neu entwickelte Materialmodell der Schlauchwand zugrunde
gelegt. Es lässt sich eine gute Übereinstimmung sowohl der
Frequenzgänge als auch der Phasengänge nahezu im gesamten
Frequenzbereich erkennen.
2 ANSÄTZE ZUR SIMULATIVEN
GERÄUSCH- MINDERUNG AN EINEM
HYDRAULISCHEN GESAMTSYSTEM
Zunächst wurde das verifizierte FE-Modell einer Geflechtschlauchleitung
in eine bestehende Baugruppenbibliothek eines Hydraulikaggregats
eingebunden [FiZ97]. Das Gesamtmodell des Hydraulikaggregats
mit der integrierten Hydraulikschlauchleitung ist in Bild
2.1 dargestellt.
Um das Potenzial zur Geräuschminderung durch die Schlauchleitung
an dem in Bild 2.1 dargestellten Aggregat abschätzen zu können,
wurde eine FE-Betriebsschwingungsanalyse ohne Schlauchleitung
durchgeführt und einer solchen mit einem installierten Geflechtschlauch
gegenübergestellt. Da die Pumpe eine der Hauptkörperschallquellen
darstellt, wurde eine dynamische Kraft von 1 N
unter einem bestimmten Raumwinkel (drei gleiche Kräfte je Raumrichtung)
an der Pumpe als Systemanregung aufgebracht. Die Berechnung
wurde zunächst in einem Frequenzbereich von 0 bis 2000 Hz
durchgeführt. Als Ergebnisgröße wurde die Schwinggeschwindigkeit
(Schnelle) der oberen Tankwand erfasst, die aus der Knotenverschiebung
an einem repräsentativen Punkt (gelb markiert) in der
Nähe der dynamischen Krafteinleitungsstelle im Tankdeckel ermittelt
wurde. Die Frequenzgänge aus der rechnergestützten Betriebsschwingungsanalyse
mit und ohne Schlauchleitung sind in
Bild 2.2 dargestellt. Die Markierungen stellen die Anregungsfrequenz
der Pumpe und deren Harmonische dar. Bei der eingesetzten
Flügelzellenpumpe mit elf Flügeln und einer Drehzahl von
n = 1450 min -1 ergibt sich eine Grundfrequenz von 266 Hz und deren
Harmonischen zu 532 Hz, 798 Hz, 1064 Hz und 1330 Hz usw.
[FiZ97]. Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, führt die Pumpenanregung
erst bei der zweiten und vierten Harmonischen zur deutlichen
Schwingung der oberen Tankwand, bei welchen möglicher-
1.1
FE-Modell der Schlauchleitung – Modellstruktur (links) und Verifikation mit Experiment (rechts)
SOLID185
Nz Exp. 100 bar
Nz FEM 100 bar
Spiralschlauch
Dn = 19 mm
1.E+02
Layer#
FLUID30
Nachgiebigkeit Nz
µm/N
1.E+00
1.E–01
1.E–02
1.E–03
1.E–04
Theta
54
–54
54
–54
1.E–05
180
90
0
–90
–180
Phase / °
SOLSH190
100
Frequenz f
Hz 1000
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