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Akustik
Numerische Simulation spielt große Rolle bei
der Optimierung akustischer Eigenschaften
Die zunehmende Belastung durch Geräusche und Lärm ist der Tribut, den die Industriegesellschaft als Preis für zunehmende Mobilität, Automatisierung und Bequemlichkeit zahlen muss. Hersteller ergreifen daher gezielt Maßnahmen zur Geräuschminderung. Einer der Beweggründe liegt in den oft rigiden Lärmschutzbestimmungen. Zudem wird die akustische Qualität eines Produkts heute als wesentliches Verkaufsargument betrachtet. Schließlich können Geräusche auch Indikatoren für mechanische Mängel sein. Wenn Geräusche starke Schwingungen und Vibrationen verursachen, kann das langfristig ein Produkt schädigen.
Damit Konstrukteure die akustische Leistung ihrer Produkte verbessern können, müssen sie zunächst Geräuschquellen nachvollziehen und alle Übertragungswege kennen. Hier sind numerische Analyseverfahren ein wichtiges Hilfsmittel. MSC Software bietet entsprechende Noise, Vibration, Harshness (NVH)-Lösungen, mit denen ein breites Aufgabenspektrum schwingungstechnischer und akustischer Fragestellungen bearbeitet werden kann. Einsatzbereiche sind nicht nur der Automobil- und Flugzeugbau, sondern zunehmend auch die Konsumgüterindustrie oder der Maschinenbau.
Zu den Stärken von MSC Software im Bereich Akustik zählen: |
Schwerpunkt von Akustikberechnungen sind Körper- und Luftschallanalysen. In Körperschallanalysen werden beispielsweise die Übertragung von Schwingungen in Gebäuden durch Erschütterungen und Erdbeben oder Motor- und Getriebegeräusche in Maschinen betrachtet. Mit Luftschallanalysen werden beispielsweise die Windgeräusche eines Fahrzeugs oder Flugzeugs untersucht. MSC Software bietet Lösungen, um die Schallabstrahlung in einem Fluid oder in geschlossenen Hohlräumen zu untersuchen. Mit den zahlreichen Möglichkeiten für die akustische Analyse können Anwender Schallwellen extrahieren, die Schallabstrahlung analysieren, schallabsorbierende Wände modellieren und die Schallausbreitung in Kanälen, in Zu- und Ableitungen oder in Verteilungsanlagen von Gebäuden, Flug- und Fahrzeugen untersuchen. |
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Um die strukturmechanischen Schwingungseigenschaften einer Komponente oder eines Systems zu verstehen, muss der Ingenieur die natürlichen Schwingungseigenschaften der Struktur kennen. Diese Eigenschaften werden auch als Schwingungsmodi bezeichnet. Zudem muss der Ingenieur wissen, wie die Struktur auf externe Belastungsfaktoren reagiert. Diese Untersuchungen erfolgen durch Frequenzganganalysen oder Berechnungen im Zeitbereich für transiente Belastungen. MSC Software bietet professionelle Lösungen mit Funktionen für die Berechnung des linearen und nichtlinearen Einschwingverhaltens in transienten Analysen sowie Frequenzganganalysen struktureller Komponenten, Systeme und mechanischer Baugruppen mit und ohne modale Reduktion. Wenn es auf Geräusche oder Haltbarkeit ankommt, können anhand dieser durch gekoppelte Akustikanalysen gewonnenen Schwingungsinformationen Prognosen für Innen- oder Außengeräusche oder Produktlebensdauervorhersagen erstellt werden. |
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Über die Eigenschaften einzelner Komponenten oder Subsysteme hinaus, interessiert vor allem das Verhalten von Gesamtsystemen. Hierzu werden NVH-Systeme oftmals mit der Mehrkörpersimulation kombiniert. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von Hybrid-Lösungen, bei denen spezifische Vorteile unterschiedlicher Systeme und Ansätze ausgenutzt werden. Ein Beispiel für eine solche Lösung ist Actran for Nastran. Durch die Integration von Actran-Modellen in eine MSC Nastran-Umgebung können so beispielsweise Untersuchungen voll ausgestatteter Karosseriestrukturen ermöglicht werden. Actran steuert umfangreiche Materialmodelle bei, während MSC Nastran hervorragende Eigenschaften zur Schwingungsanalyse bietet. Ein wesentlicher Punkt für die möglichst realistische Wiedergabe des Systemverhaltens ist die Berücksichtigung der jeweiligen Materialeigenschaften. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Materialien mit atypischen Eigenschaften und einem hohen Dämpfungsverhalten und akustischer Absorptionsfähigkeit. Diese Materialien kommen beispielsweise im Ausstattungsbereich, aber auch bei der Verkleidung geräuschemittierender Anlagen (z. B. Flugzeugtriebwerke) zum Einsatz. MSC Software verfügt hier über umfangreiche Bibliotheken unterschiedlicher Materialmodelle (elastisch, viskoelastisch, poroelastisch, Verbundwerkstoffe). |
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Mit der Strömungsakustik werden Geräusche untersucht, die von Schallquellen erzeugt werden, beispielsweise von turbulenten Strömungen innerhalb eines Fluids. Zudem kann die Ausbreitung des Schalls in diesem Fluid analysiert werden. Aus mit CFD-Codes durchgeführten Strömungssimulationen werden die aerodynamischen Schallquellen ermittelt und zur Berechnung der strömungsakustischen Geräusche verwendet. Diese Vorgehensweise können Anwender auch zusammen mit der vibrationsakustischen Analyse nutzen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, komplexe Probleme mit strömungs- wie auch vibrationsakustischen Aspekten zu modellieren. |
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Eine der Basisfunktionalitäten für eine nachfolgende Systemoptimierung ist es, die Quelle unerwünschter Schwingungen oder Geräusche zu kennen. MSC Software bietet hierzu eine auf der Frequenzgangfunktion (Frequency Response Function, FRF) beruhende Methode an. Dabei wird der Frequenzgang von Komponenten aufgrund von Einheitsbelastungen bei einer bestimmten Frequenz dargestellt. Die FRFs der Komponenten können anschließend kombiniert werden, um die FRFs von Baugruppen mit diesen Komponenten zu erzeugen. Auf diese Weise lassen sich auch die Übertragungswege analysieren und der Energiefluss kann von der Quelle zum Empfänger verfolgt werden. |
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