Fysisch consistente vibroakoestische substructurering met continue interfaces: toegepast op conceptfase carrosserie-optimalisatie

In de afgelopen decennia heeft de voortdurende zoektocht naar betere geluids- en trillingsprestaties een sleutelrol gespeeld in het ontwikkelingsproces van nieuwe voertuigen, zowel om te kunnen voldoen aan de wetgeving inzake geluidsemissies als aan de groeiende verwachtingen van de klanten. Om aan deze verwachtingen te voldoen moet het product ten opzichte van de concurentie niet alleen beter zijn, maar ook sneller en tegen een lagere kostprijs op de markt gebracht worden. Om aan de krappe planningen en budgetten te kunnen voldoen, moeten automobielingenieurs vanaf het begin van het ontwikkelingsproces van een voertuig rekening houden met aspecten van lawaai, trillingen en geluidskwaliteit (NVH).

In deze context zijn substructureringsbenaderingen samen met ComputerAided Engineering (CAE) methoden van onschatbare waarde gebleken om de NVH prestaties reeds vanaf de eerste fasen van het ontwikkelingsproces te kunnen voorspellen. Substructureringsbenaderingen maken het mogelijk het gehele voertuig op te splitsen in zijn constitutieve onderdelen (bijvoorbeeld frame, aandrijflijn, banden, enz.) en hun bijdragen aan het totale interieur- en passeer-geluidsniveau afzonderlijk te analyseren gebruik makend van de CAE methoden. Wanneer beide instrumenten samen en effectief worden ingezet, kunnen ze worden gebruikt om het NVH-ontwerp van het voertuig door middel van meerdere iteraties te verbeteren, waardoor snel virtuele en experimentele modellen van afzonderlijke componenten kunnen worden samengesteld en gegevens kunnen worden verstrekt om het ontwerpproces vanaf de eerste stadia te sturen, terwijl de noodzaak van dure fysieke prototypes en arbeidsintensieve experimentele tests wordt verminderd.

Hoewel substructurering gebruikmakend van eindige-elementen- (FE) en experimentele modellen de winnende strategie lijkt te zijn, kan deze methode op moeilijkheden stuiten wanneer zij wordt toegepast op complexe systemen zoals voertuigen. Ten eerste vormt de aanwezigheid van grote interfaces (zoals bijvoorbeeld tussen de vloer van het voertuig en de bovenste delen) een aanzienlijke uitdaging voor het koppelingsproces. Een groot aantal interface vrijheidsgraden (DoFs) moet worden gedefinieerd op de interface van twee verbindende structuren, en hun positie moet op beide zijden samenvallen (voorwaarde voor compatibele interfaces). Dit impliceert dat in principe de koppeling van voertuigcomponenten afkomstig van verschillende modellen, nuttig in een vroeg ontwikkelingsstadium om nieuwe ontwerpoplossingen te verkennen, een post-processing stap zou vereisen om de interfaceknooppunten met elkaar te doen overeenstemmen te brengen. Dit is een zeer tijdrovende operatie die in de meeste gevallen manueel moet worden uitgevoerd.

In dit kader wordt een nieuwe substructureringsaanpak voorgesteld die continue interfaces aanpakt door slechts een kleine set van gekoppelde DoFs in aanmerking te nemen. Op deze wijze is de eis van ruimtelijke continuïteit tussen de componentmodellen niet langer nodig en kunnen subsystemen met incompatibele interfaces worden gekoppeld. Voor een geschikte interfacebeschrijving door middel van punten en patches wordt een inverse benadering gedefinieerd, die garandeert dat de invers verkregen subsysteemmodellen de fysische eigenschappen van reciprociteit en passiviteit bezit. Het potentieel van de gepresenteerde substructureringsaanpak wordt verkend aan de hand van een vereenvoudigd voertuigmodel. Er zal worden aangetoond dat één subsysteem met succes kan worden gekoppeld met verschillende tegenhangers, zelfs wanneer deze een verschillende locatie van koppelings-DoFs hebben. Gezien de mogelijkheid om componenten met onverenigbare FE-meshes samen te voegen, kunnen NVHingenieurs de bijdrage van ontwerpwijzigingen of nieuwe configuraties aan het totale cabinegeluid al tijdens de eerste modelleringsfasen kwantificeren. Dit zal autofabrikanten op efficiënte wijze ondersteunen bij het verlagen van de ontwerpkosten en het stimuleren van de diversificatiegraad van de automarkt.

Voortbouwend op de bovengenoemde benadering van inverse karakterisering wordt een methodologie ontwikkeld die dezelfde fysische eigenschappen van reciprociteit en passiviteit afdwingt op een op proeven gebaseerd model. Wanneer een experimenteel model inderdaad in een koppelingsschema wordt opgenomen, is een goede data-acquisitie vereist, die in veel gevallen moeilijk te realiseren kan zijn als gevolg van de omgeving en de testomstandigheden. Kleine onnauwkeurigheden in het gemeten subsysteemmodellen kunnen de voorspelling van het gedrag van het geassembleerde systeem drastisch beïnvloeden, waardoor het succes van het hele koppelingsschema in gevaar komt. Aangezien een gedetailleerde kennis van de soorten fouten die door de meetprocedure worden geïntroduceerd in het algemeen niet beschikbaar is, is het niet mogelijk de ‘ware’ subsysteemmodellen terug te vinden. Wat wel mogelijk is, is het definiëren van eisen waaraan de gemeten subsystemen a priori moeten voldoen om fysisch consistent te zijn: reciprociteit en passiviteit. De oplossing die in dit proefschrift wordt voorgesteld is dan ook om dergelijke fysische consistentie af te dwingen op de gemeten subsysteemmatrices tijdens een post-processing stap. De voorspelling van het dynamisch gedrag van het geassembleerde systeem wordt hierdoor aanzienlijk verbeterd.