Modellelemente Fügestellendämpfung

Finite-Elemente (FEM) und elastische Mehrkörpersimulations (eMKS) Modellelemente für Fügestellendämpfung – FVA 980 I, gefördert durch die FVA
Die unter dem Begriff "Noise, Vibration, Harshness" (NVH) zusammengefassten hör- und fühlbaren Eigenschaften von Produkten stellen ein wichtiges Kriterium in der Kaufentscheidung des Kunden dar. Eine frühzeitige Auslegung des Produktes im Hinblick auf das NVH-Verhalten erspart die Herstellung kostenintensiver Prototypen und damit auch von Ressourcen. Dabei prägt ausgehend von den dynamischen Anregungen des Systems das Übertragungsverhalten von der Anregung zum Anwender (bspw. dem Fahrer) das akustische Systemverhalten. Dieses wird neben den Resonanzfrequenzen maßgeblich durch die Dämpfung beeinflusst, die hauptsächlich in den Fügestellen zwischen Bauteilen entsteht. Die Modellierung des Anregungs- und Transferverhaltens der Struktur mit Hilfe von Finite-Elemente-Methoden (FEM) sowie elastischer Mehrkörpersimulation (eMKS) ermöglicht eine frühzeitige Optimierung des NVH-Verhaltens.

Das Vermögen des Transferpfads, Schwingungen zu dämpfen, spielt bei der Optimierung eine entscheidende Rolle für das wahrgenommene Geräuschverhalten. Fügestellen, wie bspw. Schraubenverbindungen verschraubter Gehäusestrukturen, prägen dabei das Dämpfungsverhalten des Transferpfads maßgeblich, wohingegen Dämpfungseffekte im Material der einzelnen Bauteile üblicherweise gegenüber den strukturdynamischen Effekten in der Fügestelle vernachlässigbar sind. Für eine modellbasierte Analyse und Optimierung des NVH-Verhaltens technischer Systeme sind daher geeignete Modelle der strukturdynamischen Eigenschaften von Fügestellen erforderlich.

Im vorangegangenen Projekt FVA 905 I wurden ein Modellierungsvorgehen und ein Modellierungsleitfaden zur Abbildung von Fügestellenverhalten in FE- & eMKS-Umgebungen entwickelt. Als Modellansätze wurden in der FEM das Zero-Thickness-Element und in der eMKS das Reduced-Iwan-Element genutzt. Die benutzerdefinierten Routinen sind prototypisch implementiert und am akademischen Anwendungsbeispiel validiert, jedoch noch nicht auf ihre industrielle Anwendbarkeit geprüft. Dafür bedarf es der Verbesserung der numerischen Stabilität und der Anwenderfreundlichkeit.

Die Routinen wurden dazu zu Projektbeginn initial an die Industrie übergeben, um zu prüfen, ob die Voraussetzungen zur Ausführung der Routinen vorhanden sind. Daraufhin ist seitens der Forschungsstelle eine ausführliche Benutzerdokumentation erarbeitet worden, die in Form eines Beta-Workshops vorgestellt wurde. Danach sind die Industriepartner in eine Testphase übergegangen. Hierbei wurden die Routinen im industriellen Umfeld getestet. Das Feedback aus dieser Testphase wurde an die Forschungsstelle weitergeleitet, die dann die Routinen hinsichtlich Anwenderfreundlichkeit und numerischer Stabilität verbessert hat. Zu den Verbesserungen gehören unter anderem ein teilautomatisiertes Vorgehen zur Modellierung des Fügestellenverhaltes in der FEM und die Empfehlung von Solver-Einstellungen in der eMKS, die auf Basis einer Rechenzeitstudie ermittelt worden sind. Die optimierten Routinen wurden in Form eines Software-Pakets durch die FVA an die Industriepartner übergeben.

Das Projekt 980 I der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.