Lekka konstrukcja i NVH

Projekt badawczy LeichtFahr

Wraz z partnerami z przemysłu i nauki, Novicos bada nowe metody obliczeniowe do przewidywania właściwości akustycznych w lekkich konstrukcjach.

Właściwości akustyczne pojazdów odgrywają kluczową rolę w podejmowaniu przez klientów decyzji o zakupie. Zazwyczaj hałas i wibracje wewnątrz pojazdu są postrzegane jako irytujące, ale niektóre z nich, takie jak hałas silnika, są pożądane jako akustyczne sprzężenie zwrotne lub nawet postrzegane jako cecha jakościowa. W tym kontekście coraz ważniejsza staje się ocena i wpływanie na zachowanie akustyczne na wczesnym etapie rozwoju pojazdu.

Jednocześnie w przemyśle motoryzacyjnym istnieje wyraźny trend w kierunku stali o wysokiej wytrzymałości i lekkich konstrukcji. Celem koncepcji lekkich konstrukcji jest zmniejszenie zużycia energii przez pojazdy, a tym samym zapewnienie zgodności z przepisami dotyczącymi emisji spalin określonymi przez UE. Jednakże, ponieważ powstające wibracje są w mniejszym stopniu redukowane przez lżejszą konstrukcję, zastosowanie lżejszych materiałów ma również znaczący wpływ na zachowanie wibroakustyczne pojazdu. Kluczowym pytaniem jest zatem, w jaki sposób można zharmonizować lekką konstrukcję z NVH.

Przewidywanie zachowania wibroakustycznego - FEM, BEM, SEA

Określenie tego wymaga zazwyczaj bardzo złożonych modeli akustycznych. Metody numeryczne, takie jak metoda elementów skończonych (MES) lub metoda elementów brzegowych (BEM), są szeroko stosowane do przewidywania zachowania wibroakustycznego przy niskich i średnich częstotliwościach lub w dziedzinie czasu. Przy wyższych częstotliwościach oraz w przypadku dużych i złożonych systemów technicznych długość fali jest krótka w porównaniu do całego rozważanego systemu. Gęstość modów własnych również znacznie wzrasta. Aby efektywnie wykorzystać MES, w tym przypadku wymagana jest duża liczba elementów skończonych, co również zwiększa koszty obliczeń.

Niższe koszty można osiągnąć dzięki zastosowaniu BEM. W tym przypadku struktury 3D są zredukowane do modeli powierzchni 2D, a tym samym uproszczone. Główną wadą jest jednak mniejszy zakres możliwych rozwiązań numerycznych ze względu na duże uproszczenie. Ponadto zarówno FEM, jak i BEM mogą reagować niezwykle wrażliwie na odchylenia parametrów. Z tego powodu metody statystyczne, takie jak Statystyczna Analiza Energii (SEA), są wykorzystywane głównie do symulacji w zakresie wysokich częstotliwości.

W przypadku SEA system jest podzielony na kilka sprzężonych podsystemów, a zachowanie akustyczne każdego z nich jest opisane określoną liczbą równań. Chociaż liczba równań do rozwiązania w SEA jest stosunkowo niewielka, odpowiednich modeli nie można wyprowadzić bezpośrednio z danych CAD, a modelowanie wymaga wysokiego poziomu wiedzy specjalistycznej. Ponadto SEA nie dostarcza żadnych informacji na temat przestrzennego rozkładu energii, a zatem efekty takie jak tłumienie lub wzbudzenie strukturalne nie mogą być opisane lokalnie.

Obliczenia oparte na gęstości energii - EFEM

Analiza przepływu energii (EFA) została opracowana jako podejście alternatywne. Opisuje ona rozkład energii w kategoriach średniej gęstości energii na danym obszarze. Centralny bilans energetyczny EFA został następnie przekształcony w równanie różniczkowe cząstkowe, w którym wykorzystano podobieństwo między propagacją energii akustycznej a przewodzeniem ciepła. Na tej podstawie gęstość energii można teraz obliczyć za pomocą istniejących metod MES - EFA staje się metodą elementów skończonych opartą na energii (EFEM).

Podczas gdy konwencjonalna MES opiera się na przemieszczeniach, EFEM opiera się na uśrednionych w czasie i miejscu gęstościach energii. Oznacza to, że obliczenia mogą być również przeprowadzane w wyższym zakresie częstotliwości ze stosunkowo wysokim poziomem dokładności. Ze względu na niewielki wysiłek związany z dyskretyzacją, możliwe jest symulowanie nawet dużych i złożonych struktur, takich jak kompletne pojazdy lub statki, przy jednoczesnym uwzględnieniu efektów lokalnych.

W przeciwieństwie do SEA, EFEM nie wymaga ograniczenia tłumienia między podsystemami lub siły sprzężenia podczas definiowania podsystemów. Umożliwia to przeprowadzanie szczegółowych analiz, na przykład w celu dokładnego zdefiniowania obciążeń zewnętrznych, uwzględnienia dowolnie rozłożonego tłumienia lub analizy wyników zależnych od częstotliwości i rozłożonych przestrzennie.

Podstawowe równania energetyczne są tworzone na podstawie elementów, analogicznie do MES. Ponieważ te elementy lub podsystemy są znacznie mniejsze niż w SEA, umożliwiają one dokładniejsze modelowanie i bardziej szczegółowe przewidywanie przepływów i rozkładów energii w badanej strukturze. Ze względu na podejście oparte na energii, możliwa jest jednak znacznie grubsza dyskretyzacja w porównaniu do konwencjonalnej MES/BEM, dzięki czemu większe struktury mogą być również badane w zakresie wysokich częstotliwości. Różne przykłady zastosowań z obiecującymi wynikami pokazują ogromny potencjał EFEM do analizy dużych struktur.

EFEM osiąga swoje granice przy obliczaniu bardzo małych elementów. Zasadniczo najkrótsza odległość rozważanego komponentu powinna odpowiadać co najmniej 2,47-krotności długości fali, aby uzyskać wiarygodny wynik. Jeśli mniejsze komponenty są traktowane jako część większej struktury, należy zastosować modelowanie odbiegające od standardu EFEM.

Informacje na temat projektu LeichtFahr można znaleźć na stronie internetowej LeichtFahr.