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Synergielösung im Auslegungs- und Absicherungsprozess zur Identifikation und Zielführung von Leichtbaupotenzialen in der Wirkkette niederfrequenter Fahrzeugakustik

Berk, Lukas (2022)
Synergielösung im Auslegungs- und Absicherungsprozess zur Identifikation und Zielführung von Leichtbaupotenzialen in der Wirkkette niederfrequenter Fahrzeugakustik.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021158
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Synergielösung im Auslegungs- und Absicherungsprozess zur Identifikation und Zielführung von Leichtbaupotenzialen in der Wirkkette niederfrequenter Fahrzeugakustik
Language: German
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Beidl, Prof. Dr. Christian
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: V, 183 Seiten
Date of oral examination: 22 March 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021158
Abstract:

Die Belange niederfrequenter Fahrzeugakustik beginnen bei dem Fahrzeugkomfort und reichen bis hin zu sicherheitsrelevanten Merkmalen psychoakustischen Ursprungs. Hierzu zählen Konzentrationsschwäche und Müdigkeit, welche die Sicherheit des Fahrers und der Verkehrsteilnehmer gefährden können. Mit diesen Begründungen werden zur Verstimmung oder Schwingungstilgung von Fahrzeugstrukturen zum Teil hohe Zusatzgewichte in Kauf genommen. Zudem werden seitens der Vibroakustik hohe globaldynamische Steifigkeiten in der frühen Fahrzeugentwicklungsphase angestrebt. Diese verursachen neben der unmittelbaren Gewichtsmehrung massespezifische Skalierungseffekte im gesamten Produktentwicklungsprozess. Steifere Profilquerschnitte verursachen in der Regel ein höheres Karosseriegewicht. Folglich müssen z. B. für das Überschlagsszenario stabilere Säulen oder mehr Leistung von Antrieb und Bremssystem gewährleistet werden. Gewichtsintensive Maßnahmen der frühen Entwicklungsphase setzen somit eine Kettenreaktion in Gang. Die Potenziale konventioneller strukturbasierter Auslegungsmethoden sind hinsichtlich der Leichtbaueffizienz nach vier Jahrzehnten der Strukturoptimierung erschöpft. Eine effizientere Prognosefähigkeit bieten Fluid-Struktur-Modelle, mit denen sich durch den Schalldruck eine wahrnehmbare Größe prognostizieren lässt. Die berechneten Akustikprognosen unterliegen jedoch einer hohen Streuung bedingt durch Daten-, Modell- und Strukturunsicherheit. Es existieren keine gängigen gewichtsneutralen Ansätze, mit denen akustische Zielverfehlungen ohne eine nachträgliche Masseapplikation korrigiert werden können. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, welche Leichtbaupotenziale in der Wirkkette niederfrequenter Akustik (20-80 Hz) identifiziert und durch eine synergetische Zielführung realisiert. Anhand der schalldruckbasierten Auslegung mit einem Fluid-Struktur-Modell werden durch globale Sensitivitätsanalysen Gestaltungsspielräume parametrisch aufgezeigt und gemeinsame Zielkonflikte bestmöglich op-timiert. Durch die Vermeidung unverhältnismäßiger, globaler Steifigkeit wird neben der unmittelbaren Gewichtsmehrung einem prozessbedingten Massenskalierungseffekt entgangen. Die Aktivierung geeigneter Sensitivitätsindizes soll eine nachträgliche Verstimmung der Fahrzeugstruktur anhand entsprechender Stellhebel ermöglichen. Durch dieses Vorgehen können annähernd gewichtsneutrale Maßnahmen zur nachträglichen akustischen Systemverstimmung eingesetzt und konventionelle, gewichtsintensive Maßnahmen vermieden werden. Die Inspiration für diesen neuen Ansatz der Auslegung wird durch eine umfassende Analyse des wissenschaftlichen Umfelds sowie aktuelle Trends der Leichtbau- und Produktentwicklung einleitend dargelegt. Nach der Konkretisierung der Zielstellung folgt die Auswahl, Begründung und Erläuterung grundlegender Methodenbausteine zur akustischen Phänomenologie und den angewendeten Sensitivitäts- und Optimierungsmethoden. Weiter- und neuentwickelte Methodenbausteine werden in einem prozessualen Vorgehen automatisiert. Die Entwicklung und Absicherung eines repräsentativen Validierungsmodells dient der Bestätigung der Funktionalität und der Erprobung der Grenzen dieser neuen Auslegungsmethodik. Schließlich erfolgt eine Pilotanwendung an einem weiterentwickelten Fahrzeugmodell.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Low-frequency vehicle acoustics are concerned with various aspects, from vehicle comfort to safety-relevant features of psychoacoustic origin. This includes concentration deficits and fatigue, which can affect the safety of the driver and other road users. Because of these potential risks, high additional weights are accepted for the detuning or vibration-damping of vehicle structures. Furthermore, high global dynamic stiffnesses are targeted in the early vehicle development phase by the vibroacoustics design. Besides the direct increase in weight, this causes mass-specific scaling effects in the entire product development process. Thus reinforcement by increasing wall thickness results in a higher body weight. If the chassis is heavier, the rollover scenario requires more stable pillars. Simultaneously powertrains and braking systems must be more powerful. Weight-intensive modifications in the early development phase trigger a chain reaction. The efficiency of the basic design regarding lightweight and acoustics must be improved by using a synergetic approach. After four decades of structural optimization the potential of conventional structure-based design methods has been exhausted in terms of lightweight efficiency. A more efficient prediction capability is offered by fluid-structure models, which allow perceptible targets to be predicted by sound pressure. However, the calculated sound predictions are subject to a high degree of scatter due to data, model and structural uncertainty. In case of missing targets, there are no common weight-neutral approaches for acoustic detuning in the validation process. Consequently, there is a high risk of subsequent mass applications. The aim of this work is to develop a method that identifies lightweight construction potentials in the effect chain of low-frequency acoustics (20-80 Hz) and to realize them through synergetic targeting. Sound pressure-based engineering with a fluid structure model is used to assign scopes to the parameters by global sensitivity analyses. Conflicting objectives are to be transformed into the best possible compromise through an optimization process. This prevents the implementation of disproportionate global stiffness and in addition to the immediate weight reduction avoids a mass scaling effect. Due to suitable sensitivity indices, levers for acoustical adjustment are activated in the early design phase. These levers enable weight-neutral influenceability of low-frequency acoustics for subsequent acoustic system tuning. As a Result, a weight-optimized basic design can be achieved and conventional, weight-intensive measures can be avoided. The inspiration for this new approach of engineering is outlined by a comprehensive analysis of the scientific environment as well as current trends in lightweight design and product development. After the con-cretization of the objective, the selection, justification and explanation of basic method modules for acoustic simulation and the applied sensitivity and optimization methods are presented. The further developed method modules are automated in a procedural approach. The development and validation of a representative validation model is used to confirm the functionality and to test the limits of this new design methodology. Finally, a pilot application is carried out on a purpose adapted vehicle model.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-211582
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
Date Deposited: 06 May 2022 11:35
Last Modified: 08 Aug 2022 09:38
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21158
PPN: 495512028
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