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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der akustischen Eigenschaften eines Körpers, insbesondere einer Rumpfstruktur eines Flugzeugs, sowie ein System zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Zur numerischen Berechnung akustischer Eigenschaften von Körpern, beispielsweise einer Rumpfschale oder einer Rumpfstruktur eines Flugzeugs, wird gewöhnlich in einem ersten Schritt manuell ein numerisches Modell des Körpers erstellt. In einem zweiten Schritt wird das Modell mit akustischen Belastungen beaufschlagt. In einem dritten Schritt erfolgt eine numerische Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode (FEM-Berechnung). Abschließend erfolgt in einem vierten Schritt eine Ergebnisauswertung. Insbesondere der erste Schritt ist äußerst zeitintensiv und aufgrund der manuellen Eingaben sehr fehleranfällig, da neben der manuellen Modellerstellung auch die Kontrolle des erstellten Modells manuell erfolgt. Zudem verursacht jede Änderung einen erheblichen Korrekturaufwand. Je nach Modellkomplexität und Anfall der Lastfälle werden für den ersten Schritt häufig mehrere Tage benötigt, wohingegen der erste, zweite und dritte Schritt jeweils innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden kann. Besonders im Hinblick auf geometrische Parameterstudien in frühen Stadien der Produktentwicklung, bei denen zwangsläufig eine Modifizierung des Körpermodells erfolgt, ergeben sich lange Antwortzeiten zur Beurteilung der jeweiligen Parameter.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur akustischen Analyse eines Körpers, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und mit dem flexibel und kurzfristig auf Modifikationen des zu untersuchenden Körpers reagiert werden kann, sowie ein System zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur akustischen Analyse eines Körpers, insbesondere einer Rumpfstruktur eines Flugzeugs, werden Daten zu Geometrie, Material, Randbedingungen und akustische Parameter des Körpermodells eingegeben. In einem zweiten Schritt wird auf Basis der eingegebenen Daten ein strukturmechanisch idealisierter Körper und eine einen Körperinnenraum simulierende Kavität als numerisches Modell erzeugt. Dafür wird zuerst die Geometrie des Körpers mit einem Knotenraster erfasst und in einem zweiten Schritt die finiten Elemente erstellt. Anschließend wird ein akustischer Belastungsfall durch Beaufschlagung des idealisierten Körpers bzw. Körpermodells mit zumindest einer Schalldruckwelle einer definierten Frequenz simuliert. Danach wird die Auswirkung der zumindest einen Schalldruckwelle auf das Körpermodell analysiert und abschließend ein Schalldämmmaß des Körpers bezogen auf die Frequenz ausgegeben.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich der Zeitaufwand für die Erstellung eines Körpermodells sowie für Modelländerungen erheblich von mehreren Tagen auf wenige Stunden reduzieren. Eine automatisierte Modellerstellung aus vordefinierten Parametern für Geometrie und Materialien wird ermöglicht. Des Weiteren erfolgt die Kontrolle des Modells nicht manuell, sondern automatisiert, so dass ebenfalls der Kontrollaufwand stark reduziert und zudem die Fehleranfälligkeit vermindert wird. Die Kontrolle der Eingabedaten wird innerhalb der Modellerstellung durchgeführt, so dass gewährleistet ist, dass das Modell keine geometrischen Unverträglichkeiten aufweist. Der reduzierte Zeitaufwand für die Modellherstellung und die Modellkontrolle erlaubt wiederum eine Fokussierung auf die Ergebnisdeutung und somit eine systematischere Auswertung der akustischen Analyse. Zudem erlaubt das Verfahren eine an die jeweilige akustische Problemstellung angepasste Netzfeinheit des Körpermodells zur Sicherstellung einer optimalen Analysequalität.
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Ferner können sowohl isotrope als auch anisotrope Körpermaterialien wie Verbundwerkstoffe modelliert werden. Des Weiteren wird eine Parallelisierung des Gesamtprozesses ermöglicht. Zusätzlich erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Integration jeder anderen Form von Belastung akustischer, statischer oder strukturdynamischer Art, so dass auch strukturmechanische Anforderungen untersucht werden können.
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Bei einem bevorzugten Verfahrensbeispiel wird der idealisierte Körper mit einem Schallfeld eines definierten Frequenzbandes aus einer Vielzahl von Schallquellen beaufschlagt, die jeweils eine Schalldruckwelle einer Frequenz aussenden. Dabei wird es zur größtmöglichen realistischen Figur bevorzugt, wenn die Schallquellen mit zufälligen Winkeln sphärisch um das Körpermodell angeordnet werden, so dass ein diffuses Schallfeld entsteht, das als Referenzschallfeld für die Erfassung von Schalldämmaßen üblicherweise benutzt wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel werden als Geometriedaten des Körpers Parameter wie Körperradius, Wandungsdicke, sowie Art, Orientierung, Maße und Abstände von Versteifungselementen eingegeben.
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Als Materialdaten werden Parameter wie, Dichte, Steifigkeiten, Schichtstärke und im Falle von anisotropen Körpermaterialien der entsprechende Verbundaufbau definiert.
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Als akustische Daten werden Parameter für die Kavität, die die Luft im Körpermodellinnenraum darstellt, Kennwerte für die Außenatmosphäre des Körpers, Kennwerte für das Dämmmaterial, die Frequenzbandbreite, für das das Schalldämmmaß bestimmt werden soll, die Anzahl und Entfernung der Schallquellen von dem Körpermodell, und der Abstand vom Körpermodell in der Kavität, in der die Auswertung der Schalltransmission erfolgt, definiert.
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Die numerische Analyse erfolgt als direkte Frequenzantwortberechnung. Derartige Berechnungen entsprechen einem Standard zur Ermittlung von Schalltransmissionseigenschaften und führen zu einem realitätsnahen Ergebnis.
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Das Schalldämmmaß wird aus dem Verhältnis der Schallintensitätsverteilung zwischen den auf den Körper einfallenden Schalls zur den die Kavität abgestrahlten Schalls ermittelt.
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Zur vollständigen Dokumentation des idealisierten Körpers bzw. zur Bewertung der numerischen Qualität des Modells und seiner strukturmechanischen Eigenschaften wird ein technischer Bericht und ein Qualitätsbericht ausgegeben, die die mechanischen Eigenschaften des Körpers sowie die numerische und geometrische Kennwerte des Modells enthalten.
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Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erstellung der akustischen Analyse eines Körpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche hat ein erfindungsgemäßes System ein Eingabemodul zur Eingabe von Daten, ein Knoten- bzw. Geometriemodul zur Erzeugung eines strukturmechanisch idealisierten Körpermodells und einer den Körperinnenraum simulierenden Kavität, ein Elementenmodul zur Definition der finiten Elemente des Körpers und der Kavität sowie zur Materialzuordnung, ein Lastmodul zur Simulation eines akustischen Belastungsfalls in der Form eines diffusen Schallfeldes, eine numerische Analyse mittels finiter Element Methode und ein Ergebnismodul zur Ergebnisauswertung Ausgabe eines Schalldämmmaßes.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden ein bevorzugtes Verfahren und eine bevorzugtes System der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung einer erfindungsgemäßen akustischen Analyse eines Körpers,
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2 Definition der Abmessungen von Längs- und Querversteifungen des Körpers,
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3 den Körper dargestellt als idealisierte Rumpfschale,
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4 Definition und Orientierung der Hautelementen der Rumpfschale,
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5 Ausrichtung der Versteifungselemente der Rumpfschale,
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6a ein Netzmodell der Rumpfschale,
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6b eine Detaildarstellung aus 6a,
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7 den prinzipiellen Aufbau eines diffusen Schallfeldes,
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8 eine Druckverteilung des auf die Rumpfschale einfallenden Schalls,
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9 eine Druckverteilung des von der Rumpfschale in die Kavität abgestrahlten Schalls, und
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10 ein Ergebnisdiagramm der akustischen Analyse.
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Gemäß dem Ablaufdiagramm in 1 unterteilt sich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur akustischen Analyse eines Körpers 2 in eine Körpermodellerstellungs- und Belastungsphase 10, in eine Berechnungsphase 20 und eine Ergebnisphase 30.
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Im Allgemeinen weist die Erstellungsphase 10 drei Teilschritte auf, wobei im ersten Teilschritt die geometrischen Randbedingungen des Körpermodells 4 und das zu untersuchende Frequenzband bzgl. der Netzfeinheit in Einklang gebracht werden, um daraus ein Finite-Elementen-Modell 4 (FE-Modell, s. 6a und 6b) zu erzeugen. In einem zweiten Teilschritt werden alle wesentlichen mechanischen Eigenschaften des FE-Modells 4 in einem Bericht dokumentiert, der zur strukturmechanischen Bewertung herangezogen werden kann. Zusätzlich werden alle numerischen und geometrischen Kenngrößen des FE-Modells 4 in einem weiteren Bericht dokumentiert. Diese Dokumentation bildet die Basis eines Qualitäts-managementsystems und kann mit weiteren Qualitätsanforderungen ergänzt werden. Der dritte Teilschritt integriert eine automatische, auf das FE-Modell 4 abgestimmte akustische Belastung, die den Anforderungen eines diffusen Schallfeldes gerecht wird.
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In der Berechnungsphase 20 werden alle nötigen Steuerungs- und Eingabedaten erzeugt, um im Rahmen einer direkten Frequenzantwortanalyse eine Lösung über die Finite-Elemente-Methode herbeizuführen. Die Wahl des jeweiligen Finite-Elementen-Solvers (FE-Solvers) ist unabhängig vom Verfahren, soweit der FE-Solver strukturdynamische Analysen umsetzen kann.
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In der Ergebnisphase 30 wird als Ergebnis ein Schalldämmmaß R des untersuchten Körpers über das gewählte Frequenzband ausgegeben, was eine akustische und strukturdynamische Bewertung des Körpers ermöglicht.
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Im Folgenden erfolgt eine detailliertere Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Durchführung des Verfahrens anhand einer Rumpfschale 2 eines Flugzeugs (s. 3).
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Das System 1 hat wie in 1 gezeigt ein Eingabemodul 11 zur Eingabe von Daten, ein Geometrie- bzw. Knotenmodul 12 zur Erzeugen des strukturmechanisch idealisierten Körpers 4 und einer einen Kabineninnenraum simulierenden Kavität, ein Elementenmodul 14 zur Definition von Elementen des Körpers 2 und der Kavität sowie zur Zuordnung der Materialien zu den Elementen, ein Lastmodul 17 zur Simulation eines akustischen Lastfalls, ein Analysemodul 21 zur Berechnung und ein Ergebnismodul 31 zur Auswertung und Ausgabe des Schalldämmmaßes R.
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Zu Beginn wird während der Körpermodellerstellungs- und Belastungsphase 10 über das Eingabemodul 11 zunächst die Geometrie der zu idealisierenden Rumpfschale 4 definiert. Hierbei werden globale Parameter wie Rumpfschalenradius, Stringer und Spantabstand sowie die unterschiedlichen Typen der Schalenkomponenten und deren Abmessungen definiert, wobei sie je nach der strukturellen Vorgabe als Einzelkomponenten aufgelöst oder als Integralbauteil idealisiert werden. Eine prinzipielle Definition der Abmessungen der Längs- und Querversteifungen ist in 2 gezeigt.
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Anschließend erfolgt die Definition der Vernetzung der Geometrie. Dabei stehen zwei Vernetzungsmethoden zur Auswahl. So kann die Vernetzung der Geometrie benutzerdefiniert über Elementenzahlen pro geometrischer Kante oder automatisiert in Abhängigkeit einer minimalen Elementanzahl pro Biegewellenlänge, die sich aus dem zu untersuchenden Frequenzband ergibt, erfolgen.
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Im Anschluss an die Vernetzung werden die Materialeigenschaften wie Dichte und Steifigkeiten und darüber hinaus bei anisotropen Materialien Schichtstärke und Lagenaufbau für jede einzelne Strukturkomponente hinterlegt.
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Nach der Eingabe der Geometriedaten sind alle notwendigen Informationen für die Generierung einer Finite-Element-Berechnung (FE-Berechnung) vorhanden. Damit eine akustische Analyse erfolgen kann, werden zusätzlich folgende akustische Spezifika definiert: die Eigenschaften der Kavität, die die Luft in dem Kabineninnenraum darstellt, sowie die Kennwerte für die Außenatmosphäre, die Kennwerte für das Dämmmaterial zwischen Rumpfaußenhaut und Kabine, das Frequenzband, in dem die akustische Analyse stattfinden soll, die Anzahl und die Entfernung der Schallquellen zur Rumpfaußenhaut zwecks Lasterstellung und der Abstand von der Rumpfschale in der Kavität, in der die Auswertung der Schalltransmission erfolgt.
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Danach werden globale Prozessparameter definiert. Dazu gehören zum einen der Name, den die Berechnung tragen wird und zum anderen der jeweilige Solver, beispielsweis ein NASTRAN-Solver, der zur Berechnung herangezogen wird. Zudem wird die translatorische und rotatorische Lagerung an den äußeren Kanten der Rumpfschale 2 für die FEM-Berechnung definiert. Zusätzlich kann ein Kabinendifferenzdruck für das Schallübertragungsverhalten berücksichtigt werden.
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Nachdem die Eingabe der vorgenannten Daten erfolgt ist, wird das Knotenmodul 12 aufgerufen. Dabei werden aus der generisch definierten Geometrie Kanten und Flächen hergeleitet. Entsprechend der sogenannten ,Method-of-Element-Number-Calculation' werden dabei für Methode 1 die Elementenlängen berechnet und die daraus resultierenden FE-Knotenkoordinaten abgeleitet.
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Bei Selektion der Methode = 2 berechnet eine Subroutine automatisiert die Elementenlängen in dem Maße, dass für den ausgewählten Frequenzbereich sichergestellt wird, dass bei der höchsten Frequenz eine anzugebende Anzahl Elemente pro Biegewellenlänge λ nach der Bestimmungsgleichung
definiert werden. Damit ist automatisch gewährleistet, dass das FE-Modell
4 an die Randbedingungen der akustischen Analyse angepasst ist. Als Referenz können alle möglichen Rumpfkomponentenflächen gewählt werden, wie z. B. die Hautfeldmitte oder ein Spantsteg. Bei dieser Netzdefinition sind die Haut und der Spant sogenannte Masterkomponenten, auf deren Basis die Definition der Stringerelemente bzw. der Clip- und Cleatelemente bestimmt wird. Unter Clip- und Cleatelementen werden dabei Verbindungsbeschläge der Spante an die Rumfschaleninnenhaut und an die Stringer verstanden.
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Ferner enthält das Knotenmodul 12 einen Algorithmus zur Gewährleistung der geometrischen Verträglichkeit. Wird durch die Eingabe eine geometrisch unzulässige Struktur der Rumpfschale 2 definiert, beispielsweise eine Durchdringung des Stringers mit dem Spant, so erkennt dieser Algorithmus die Durchdringung, beendet das Verfahren und beschreibt den Fehler in einem Qualitätsbericht.
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Zusätzlich zur strukturmechanischen Idealisierung der Rumpfschale 2 werden auch die Knoten der Kavität berechnet. Dabei wird die Knotendefinition für die Komponenten so berechnet, dass möglichst quadratische Elemente entstehen. Das Resultat der Quadrathaftigkeit unter Übereinstimmung mit der n-fachen Biegewellenlänge wird in einem geometrischen Bericht zusammengefasst. Die Knotenkoordinaten sowie die berechneten Kanten und Flächeninformationen werden über eine definierte Schnittstelle 13 an das Elementenmodul 14 übergeben.
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Das Elementenmodul 14 vergibt zunächst Identitäten (IDs) für die Knoten. Zur Elementendefinition werden die Knoten über einen Vernetzungsalgorithmus in Vierergruppen so zusammengefasst, dass ein finites Element eindeutig definiert und orientiert ist. Diesen Elementen werden durch den Vernetzungsalgorithmus die in 4 gezeigten Element-IDs zugeordnet.
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Über einen weiteren Algorithmus werden die Materialeigenschaften aus aus den Eingabedaten berechnet und den Elementen zugewiesen. Besonders bei anisotropen Materialien wie Verbundwerkstoffen, bspw. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, ist die Material- und Elementorientierung von Bedeutung, die automatisiert für das jeweilige Element ermittelt wird. Eine beispielhafte Ausrichtung der Elemente für einzelne Rumpfkomponenten wie Stringer, Clip und Cleat ist in 5 gezeigt.
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Nachdem das Rumpfschalenmodell 4 vernetzt wurde, erfolgt dieselbe Prozedur der Elementdefinition und Materialzuordnung für die Kavität.
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Daraufhin werden entsprechend der Eingabe für die numerische Analyse die Steifigkeits- und Materialkarten sowie die Lagerungsbedingungen über Einschränkung der Freiheitsgrade an den Kantenknoten des Rumpfschalenmodells 4 erstellt.
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Anschließend wird die Analysedatei beispielsweise im Format herausgeschrieben, der von einem Nastran FE-Solver verarbeitet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist ein in den 6a und 6b gezeigtes feinvernetztes FE-Modell 4 der Rumpfschale 2 erstellt, das auch für strukturmechanische Detailuntersuchungen geeignet ist.
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Abschließend wird im Elementenmodul 14 ein Bericht für die Dokumentation 15 der strukturmechanischen Eigenschaften des Modells 4 erstellt.
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Zusammenfassend werden folgende Dokumentationen 15 von dem Knotenmodul 12 und dem Elementenmodul 14 zur Verfügung gestellt: Analysedefinition für den FEM-Solver, FEM-Idealisierung der Rumpfschale 2, FEM-Idealisierung der Kavität, Zusammenfassung der eingegebenen Daten, Dokumentation der Elementseitenverhältnisse und der Biegewellenlängen pro Laminat zur Absicherung der numerischen Qualität, sowie Dokumentation der Struktureigenschaften der Rumpfschale 2 zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften.
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Der Geometriebericht enthält in einem Abschnitt eine ausführliche Dokumentation des Seitenlängenverhältnisses der realisierten Elemente sowie der Anzahl der Elemente pro geometrischer Kante. In einem anderen Abschnitt enthält der Bericht einen Abgleich der realisierten Elementlängen mit den akustisch geforderten Elementlängen.
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Ein beispielhafter strukturmechanischer Bericht enthält die Anzahl der FEM-Knoten und Elemente, aus der sich die Dauer für die FEM-Berechnung abschätzen lässt. Ferner werden pro Rumpfkomponente jeweils die Dicken, die Querschnittsflächen, die spezifischen und normierten Gewichte, die Elastizitätsmodule, die Dehn- und Biegesteifigkeiten sowie die Laminateigenschaften nach der Mehrschichten Theorie (Classical-Laminat-Theory bzw. CLT) beschrieben.
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Anschließend wird über eine definierte Schnittstelle 16, die in direkter Verbindung 18 mit der Schnittstelle 13 steht, das Lastmodul 17 zur Simulation eines akustischen Belastungsfalls aufgerufen. Hierbei werden wie in 7 gezeigt eine Vielzahl von als Punkte dargestellte Schallquellen 6 mit zufälligen Winkeln sphärisch um das Körpermodell 4 der Rumpfschale 2 angeordnet. Diese senden pro Frequenz eines vordefinierten Frequenzbandes ebene Schalldruckwellen mit zufälliger Phasenverschiebung aus. Die resultierende frequenzabhängige Druckverteilung auf der Rumpfschalenaußenhaut errechnet sich aus der akustischen Belastung des so definierten diffusen Schallfeldes.
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Danach beginnt die Berechnungsphase 20. In dieser wird mittels des Analysemoduls 21 auf Basis der FE-Methode unter Verwendung eines FE-Solvers für direkte Frequenzantwortberechnungen die akustische Analyse durchgeführt. Dabei kann die Analyse direkt aus dem Verfahren oder manuell gestartet werden. Die numerische Analyse errechnet über die Fluid-Struktur-Kopplung zwischen der idealisierten Rumpfschale 4 und Kavität, die das Kabineninnere repräsentiert, eine frequenzabhängige Schalldruck-verteilung in der Kavität.
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Abschließend wird die Ergebnisphase 30 durchgeführt. Das Ergebnismodul 31 wird aufgerufen und es erfolgt eine Auswertung der FEM-Simulation. Hierbei wird zunächst wie in 8 gezeigt aus der Druckverteilung auf der Rumpfschalenaußenhaut eine einfallende Schallintensität J1 abgeleitet. Dann wird wie in 9 gezeigt aus der Druckverteilung in der Kavität die abgestrahlte Intensität J2 ermittelt. Über das logarithmische Verhältnis von einfallender zur abgestrahlten Intensität wird anhand der Gleichung R = 10 log (J2/J1) ein Schalldämmmaß R ermittelt, welches die akustische Charakteristik der Rumpfschale 2 widergibt.
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Im Terzband gemittelt ergibt sich für das Schalldämmmaß R über die Frequenz ein in 10 gezeigter beispielhafter Kurvenverlauf, anhand dessen das strukturelle Design der Rumpfschale 2 akustisch bewertet werden kann. Die ausgegebenen Kurven eignen sich insbesondere zum Vergleichen von Rumpfschalen 2 mit unterschiedlichem Design (z. B. Steifenteilung, Lagenaufbau etc.) und zur Feststellung von schalenbezogenen Auffälligkeiten.
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Offenbart ist ein Verfahren zur akustischen Analyse eines Körpers, insbesondere einer Rumpfstruktur eines Flugzeugs, mit den Schritten:
- – Eingabe von) Daten zu Geometrie, Material, Randbedingungen und akustische Parameter des Körpers,
- – Erzeugen eines strukturmechanisch idealisierten Körpers und einer einen Körperinnenraum simulierenden Kavität auf Basis der eingegebenen Daten als numerisches Körpermodell,
- – Erfassen der Geometrie des Körpers mit einem Knotenraster und Erstellen von finiten Elemente,
- – Simulieren eines akustischen Belastungsfalls durch Beaufschlagung des Körpermodells mit zumindest einer Schalldruckwelle einer definierten Frequenz,
- – Analyse der Auswirkung der Schalldruckwelle auf das Körpermodell, und
- – Ausgabe eines Schalldämmmmaßes (R) des Körpers bezogen auf die Frequenz.
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Darüber hinaus ist ein System zur Durchführung eines derartigen Verfahrens mit einem Dateneingabemodul, einem Geometrie- bzw. Knotenmodul, einem Elementenmodul, einem Lastmodul, einem Analysemodul und einem Ergebnismodul offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Rumpfschale
- 4
- Körpermodell
- 6
- Schallquelle
- 10
- Erstellungs- und Belastungsphase
- 11
- Eingabemodul
- 12
- Geometrie- bzw. Knotenmodul
- 13
- Schnittstelle
- 14
- Elementenmodul
- 15
- Dokumentation
- 16
- Schnittstelle
- 17
- Lastmodul
- 18
- Verbindung
- 20
- Berechnungsphase
- 21
- Analysemodul
- 30
- Ergebnisphase
- 31
- Ergebnismodul
