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
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (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.

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