Mit NVH-Simulation gegen die Ursachen und Quellen von Vibrationen und Geräuschen

Sound of Silence

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Wo Maschinen ihren Dienst verrichten, sind Vibrationen und Geräusche meist unvermeidlich. Sie können das Wohlbefinden stören, krank machen und auch die Funktion und Sicherheit von Produkten mindern. Mit NVH-Simulationsprogrammen rücken Ingenieure den Ursachen und Quellen zu Leibe.

Exklusiv in kem Der Beitrag stammt von der MSC.Software GmbH, München

Geräusche und Vibrationen sind hörbare oder fühlbare Schwingungen, die an Maschinen jedweder Art auftreten und dabei meist als störend empfunden werden, die aber auch direkt oder indirekt die Sicherheit beeinträchtigen können, weil Schwingungen die Haltbarkeit deutlich herabsetzen oder Vibrationen und Geräusche Ermüdungen hervorrufen. Auch die in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegene Umweltbelastung durch Lärm soll hier nicht unerwähnt bleiben. Der Sammelbegriff für diese Thematik lautet NVH – Noise, Vibration, Harshness, wobei mit Harshness (Rauheit) der für diese Problematik besonders signifikante Frequenzbereich zwischen 20 und 100 Hz bezeichnet wird.
Aufgabenstellungen total unterschiedlich
Das Thema NVH zieht sich durch alle Branchen, von Konsumgütern wie Waschmaschinen bis hin zu Fahrzeugen, Flugzeugtriebwerken und Windkraftanlagen. Speziell in der Fahrzeugtechnik treten besonders vielfältige Anforderungen auf: Karosserie, Motor, Getriebe, Fahrwerk, Abgasanlage, Lüftung und andere Subsysteme erzeugen je nach Fahrzustand ein äußerst komplexes Konglomerat an Geräuschen (Luft- und Körperschall) und Vibrationen, das Kunden immer weniger bereit sind zu akzeptieren. Hinzu kommen anwendungs- beziehungsweise markenspezifische Aspekte: Während für einen Rolls Royce-Fahrer das Ticken der Uhr das lauteste Geräusch im Innenraum sein sollte, möchte der Ferrari-Fahrer den einzigartigen Motorsound immer und überall deutlich hören.
Optimierungen nur mit numerischer Simulation möglich
Bei den Bemühungen, den Ursachen und Quellen von Geräuschen und Vibrationen auf die Spur zu kommen, müssen konventionelle „Trial and Error“-Entwicklungsmethoden fast zwangsläufig scheitern. Den notwendigen physischen Tests komplexer Gesamt- oder Subsysteme sind aus Kosten- und Zeitgründen relativ enge Grenzen gesetzt, sodass selbst unter guten Voraussetzungen höchstens eine lokale Optimierung erzielt werden kann.
Numerische NVH-Simulationen mit der Finite Elemente Analyse (FEA) und der Mehrkörpersimulation (MKS) setzen sich immer stärker durch, lassen sich doch auf der Basis von 3D-Geometriemodellen umfangreiche Analysen des Schwingungsverhaltens beziehungsweise Akustik-Untersuchungen relativ schnell und kostengünstig durchführen. Ingenieure erhalten so einen weitaus besseren Einblick in Zusammenhänge, als dies mit Versuchen möglich wäre.
Einer der führenden Anbieter von NVH-Lösungen ist MSC, ein Unternehmen das mit seinen Softwarelösungen „Nastran“ und „Adams“ über anerkannte und etablierte Programme verfügt, die in vielen industriellen Bereichen seit Jahren einen Quasi-Standard darstellen. MSC hat jüngst durch die Übernahme von Free Field Technologies (FFT) das Portfolio erweitert.
Anforderungen an praxis- orientierte NVH-Lösungen
Für das Verständnis der strukturmechanischen Schwingungseigenschaften einer Struktur – Ursache für Vibrationen und Körperschall – müssen die zugehörigen Schwingungsmodi sowie die Systemreaktion auf externe Belastungen bekannt sein. Die NVH-Lösungen von MSC bieten dazu Funktionen zur Berechnung des linearen und nichtlinearen Einschwingverhaltens in transienten Analysen sowie Frequenzganganalysen struktureller Komponenten, Systeme und mechanischer Baugruppen mit und ohne modale Reduktion. Über die vergangenen Jahre wurde die Leistungsfähigkeit, Stabilität und Praktikabilität der NVH-Lösungen kontinuierlich verbessert, unter anderem auch durch die Einbindung in multidisziplinäre Lösungsansätze.
Realistische NVH-Untersuchungen auf Systemebene bedingen umfangreiche Modelle, weshalb leistungsstarke Methoden und Solvertechnologien unabdingbar sind. Einige der in der jüngsten Vergangenheit in Nastran integrierten Entwicklungen umfassen:
  • ACMS (Automated Component Mode Synthesis) für eine schnellere, parallelisierte modale Analyse umfangreicher Modelle
  • Externe Superelemente für den Montageprozess, wodurch die logische Partitionierung eines kompletten Systems, beispielsweise eines Fahrzeugs, und die Wiederverwendung von Komponenteninformationen ermöglicht werden
  • Gekoppelte Fluid-Struktur Interaktion (FSI) für die Innenraum-Akustik, bei der bestimmt werden kann, welchem Schalldruckpegel beispielsweise Fahrzeuginsassen ausgesetzt sind
  • Kopplung mit Außenraumakustik: Die Kopplung von Strukturen und Schwingungen wird eingesetzt, um in einer einzigen gekoppelten vibro-akustischen Analyse das Schallfeld zu analysieren, das von einer schwingenden Struktur abgestrahlt wird. Dank der Verwendung infiniter Elemente erübrigen sich umfangreiche Netzdarstellungen des Feldes um akustische Quellen
  • Zeitabhängige NVH-Analysen werden benutzt, um ein transientes Ereignis zu analysieren, das potenziell eine nicht-lineare dynamische Systemantwort anstoßen könnte. Über die Fast Fourrier Transformation werden Modi und Frequenzen extrahiert, die die dynamische Lösung beschreiben.
  • Panel Participation ist ein Analyseverfahren, um festzustellen, welche Komponenten einer Baugruppe am meisten zu einem bestimmten Geräusch betragen
  • Analyse Bremsenquietschen ermöglicht die Vorhersage instabiler reibungsinduzierter Modi, die Geräusche erzeugen
  • Mit der FRF-basierten NVH-Analyse, einer auf der Frequenzgangfunktion (Frequency Response Function, FRF) beruhenden Methode, wird es ermöglicht, den Pfad des Energieflusses von der Quelle zu einem relevanten Punkt bestimmen zu können, um so kritischer Wege und Geräuschquellen frühzeitig zu identifizieren. Der Frequenzgang von Komponenten wird aufgrund von Einheitsbelastungen bei einer bestimmten Frequenz dargestellt und kann anschließend kombiniert werden, um so die FRFs von Baugruppen mit diesen Komponenten zu erzeugen. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er sich für die Übertragungsweganalyse eignet.
Vibrationen an Waschmaschinen
Ein Beispiel aus der Konsumgüter-Branche zeigt auf, dass NVH nicht allein in der Automobilindustrie ein Thema ist. So konnte ein Hersteller von Waschmaschinen durch den Einsatz des MKS-Systems Adams manuell 60 unterschiedliche Iterationen durchführen und so die Vibrationen seines Produkts um immerhin 35 % senken. Durch Einsatz der sogenannten Taguchi-Methoden (Six Sigma) konnten virtuelle Tests entwickelt werden, bei denen weitere 4374 (!) Varianten untersuchen wurden. Das führte letztlich zu einer Reduzierung der Vibrationen um 70 %.
Free Field Technologies (FFT) – ein Spezialist für Akustik
Im Sommer 2011 hat MSC mit der Belgischen Free Field Technologies (FFT) ein Unternehmen übernommen, das sich seit seiner Gründung 1998 äußerst erfolgreich auf den Bereich der Akustik-Simulation spezialisiert hat. Geplant ist, dass beide Unternehmen zwar nach wie vor getrennt im Markt agieren, das Produktportfolio wird jedoch aufeinander abstimmt werden, um Redundanzen zu reduzieren und Synergieeffekte zu nutzen.
Neben Bereichen, die von beiden Unternehmen abgedeckt werden (Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt), ist FFT auch im Marktsegment der Unterhaltungs- und Konsumentenelektronik präsent, wo man mit richtungsweisenden Lösungen für die Entwicklung und Optimierung unter anderem von Lautsprechern, Kopfhörern oder Hörhilfen aufwarten kann.
FFTs Actran-Produktfamilie ist derzeit eine der umfangreichsten und leistungsstärksten Akustiklösungen im Markt. Actran Acoustics stellt eine Stand-Alone Lösung dar und ist gleichzeitig die Basis für aufbauende Lösungen, unter anderem Actran Vibro Acoustics, Actran Aero Acoustics oder Actran TM und Actran DGM. Mit dem Pre-/Postprocessor Actran VI ist die Verarbeitung der Netze von Drittanbietern sowie eine komfortable Ergebnisaufbereitung mühelos möglich.
Actran for Nastran ist eine bereits heute verfügbare Hybrid-Lösung, in der die spezifischen Vorteile beider Systeme beziehungsweise Ansätze (modale vs. physikalische Koordinaten) optimal genutzt werden können. Möglich ist beispielsweise die Integration von Actran-Modellen in eine Nastran-Umgebung, Beispiel Verbundglasfrontscheibe (Actran) in Fahrzeugmodell (Nastran), oder aber Nastran-Modelle können durch reduzierte Actran-Komponenten komplettiert werden. Der Zugewinn ist unter anderem darin zu sehen, dass so die Untersuchung voll ausgestatteter Karosseriestrukturen ermöglicht wird, anstatt sich mit der Rohkarosserie (Body-in-White) begnügen zu müssen.
FFT hat besondere Expertise auf dem Materialsektor erworben. Eine umfangreiche Bibliothek unterschiedlicher Materialmodelle (elastisch, visko-elastisch, poro-elastisch, Verbundwerkstoffe), die in enger Kooperation mit den Herstellern aufgebaut wurde, ist speziell für den Ausstattungsbereich wichtig, wo oftmals Materialien mit atypischen Eigenschaften, wie beispielsweise einem hohen Dämpfungsverhalten und akustischer Absorptionsfähigkeit, eingesetzt werden.
MSC; Telefon: 089 431987-0; E-Mail: syllvett.tsialos@ mscsoftware.com

Die Bedeutung von NVH wächst kontinuierlich und wird auch zukünftig noch stark zunehmen, unter anderem durch eine weitere Elektrifizierung von Fahrzeugen, die den Innengeräuschpegel deutlich senkt. Die Simulation kann auf diesem Gebiet einen Beitrag leisten, der eine deutlich effektivere Produktentwicklung und -optimierung bewirkt. MSC ist hier mit seinen Simulationslösungen Nastran und Adams sehr gut aufgestellt. Mit Free Field Technologies hat man zudem ein innovatives Expertenteam hinzugewonnen, dessen Actran-Familie die Leistungsfähigkeit nochmals erheblich erweitert.
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