Strukturanalysen: Frequenz- und Zeitbereich
Übersicht Strukturanalysearten
Die FEM bietet dem Benutzer mehrere Analysearten an, die im folgenden vergleichend dargestellt werden:
Neben den genannten Analysearten lassen sich in Sonderfällen sogar statische Analysen einsetzen, um akustische Probleme zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist das Knarren von Cabrios. Aneinanderreibende Teile in Fugen sind mitunter Ursache von Geräuschproblemen bei Cabrios. Dieses Knarren/Knistern wird vom Kunden als mindere Verarbeitungsqualität empfunden. Zur Abhilfe versucht man, die Verdrehsteifigkeit von Cabrios möglichst hoch zu wählen. Diese Optimierung lässt sich durch die statische Bestimmung der Verdrehsteifigkeit mit der FEM durchführen (s. nachfolgende Tabelle).
Erzielte Fortschritte bei der Erhöhung der Verdrehsteifigkeit von Cabrios am Beispiel der BMW Z3 und Z4
Maschinenakustische Berechnungsverfahren der FEM im Frequenzbereich:
Die am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Berechnung von Betriebsschwingungsformen mittels der Finiten-Element-Methode (FEM):
wobei die rechnerische Modalanalyse noch zusätzlich die Eigenfrequenzen des akustischen Systems berechnet. Beide Verfahren sind Bestandteil der meisten FEM-Programme und oft sogar in CAD-Programmen verfügbar, die intern ein FEM-Modul haben.
Bewertung der verschiedenen Dämpfungsmodelle in den FEM-Berechnungsvarianten:
Dämpfungsmodell
|
Anzahl Dämpfungsparameter
|
Pro/Con
|
Proportionaldämpfung
|
max. 2
|
viel zu wenig Parameter für praktische Fälle
|
Modale Dämpfung
|
Für jede Eigenmode kann eine modale Dämpfung angegeben werden
|
macht Sinn, um (Dämpfungs)-Ergebnisse aus der experimentellen Modalanalyse in FEM-Rechnungen zu übernehmen.
|
Frequenzdiskrete Dämpfung
|
1 bis zu beliebigen Frequenzabhängigkeiten
|
- Flexible Möglichkeit, Rechnungen mit Messungen abzustimmen.
- Allerdings kennt man die Frequenzabhängigkeit oft nicht so genau.
- Auch für stärker gedämpfte Systeme geeignet
|
|
Pro und Contra von zeitlich expliziten Analysen:
+ Modellierung von Stossphänomenen möglich
+ Modellierung stark nichtlinearer Systemen z.B. mit aneinander gleitenden/reibenden Körpern
- sehr kleine Zeitschritte: ca. 1 µs ! hohe Rechenzeiten
- aufwendigere Dämpfungsmodellierung: Dämpferelemente statt unpraktikabler Proportionaldämpfung
Die zeitlichen Aufwände in der Tabelle unten für die einzelnen Analysearten sind grobe Richtwerte
Analyseart
|
Relativer Aufwand für die Netzgenerierung und die Analyseaufbereitung
|
Relative Lösungzeit der FEM
|
Systemart
|
Numerische Modalanalyse
|
1
|
1
|
Lineare Systeme mit Proportionaldämpfung
|
Frequenzdiskrete Analyse
|
2
|
10
|
frequenzvariable Dämpfung
|
zeitl. explizite Analyse
|
5 bis 10
|
100 bis 1000
|
stark nichtlineare Phänomene
|
|
Siehe auch
|