Unerwünschte Schwingungen und Geräusche sind insbesondere im Fahrzeugbau problematisch, da zum einen der Komfort im Fahrzeuginnenraum beeinträchtigt wird und zum anderen Materialermüdung von Fahrzeugkomponenten eintreten kann. Die Ursache von Schwingungsproblemen liegt oftmals in der ungünstigen Auslegung und Anordnung von Nebenaggregaten. Ein Beispiel hierfür sind fluidbefüllte Leitungssysteme, die aufgrund von funktionsbedingten Druckpulsationen und starker Kopplung zwischen Fluid und Struktur beträchtliche Schwingungsamplituden aufweisen. Die Körperschallübertragung zu angrenzenden Fahrzeugkomponenten wie etwa dem Bodenblech führt letztlich zu störenden Vibrationen und Geräuschen. Ursache von Druckpulsationen sind beispielsweise Pumpen- und Ventilbetrieb von Kraftstoff- und Bremsleitungssystemen. Die Bremshydraulik ist zudem ein wesentlicher Bestandteil von Fahrsicherheitssystemen wie etwa dem Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP), das mittels hochdynamischer Aktorik ebenfalls zu beträchtlichen Druckpulsationen im Bremsleitungssystem führt. Ziel der Arbeit ist die effiziente Simulation von druckinduzierten Schwingungen in Leitungssystemen sowie die Validierung der Simulationsergebnisse anhand eines neu entwickelten Leitungsprüfstands. Darüber hinaus werden effektive Maßnahmen zur Schwingungsreduktion aufgezeigt. Dies erlaubt eine aus schwingungstechnischer Sicht möglichst optimale Auslegung von Leitungssystemen in einem frühen Entwicklungsstadium. Der hydraulische Rohrleitungsprüfstand für die Untersuchung fluidbefüllter Kfz-Leitungssysteme besteht im Wesentlichen aus einer hydroakustischen Pulsationsquelle und einer Hydraulikleitung. Die dynamische Pulsationsquelle besteht aus zwei Piezo-Stapelaktuatoren, die über einen Leistungsverstärker angesteuert werden und senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung und auf gegenüberliegenden Seiten der Leitung angeordnet sind. Die gegenphasige Auslenkung der Piezo-Aktuatoren erzeugt dynamische Druckpulsationen innerhalb der wasserbefüllten Leitung. An die Pulsationsquelle werden verschiedene Rohrleitungen angeschlossen und hydraulische sowie vibroakustische Frequenzgänge gemessen, um das dynamische Verhalten der Leitungssysteme zu bewerten. Besonderer Fokus liegt auf einer gekrümmten Stahlbremsleitung, die über zwei Befestigungselemente (Clips) mit einer Platte verbunden ist. Aus Gründen der Handhabbarkeit wird Wasser anstelle von Bremsflüssigkeit verwendet. Die akustischen Eigenschaften der beiden Flüssigkeiten sind jedoch vergleichbar. Die Modellierung des Leitungssysteins erfolgt mittels dreidimensionaler FEM und einer effizienten Substrukturtechnik. Die Anwendung des Craig-Bampton-Verfahrens auf Systeme mit akustischer Fluid-Struktur-Kopplung hat sich in vorangegangenen Arbeiten als besonders geeignet erwiesen. Dabei werden die Freiheitsgrade (FHG) einzelner Substrukturen im Modalraum reduziert, wobei die FHG der Komponenten-Interfaces als physikalische FHG erhalten bleiben, um geeignete Kopplungsbedingungen zu formulieren. Die Methode wird in der vorliegenden Arbeit erweitert. Viele Leitungssysteme haben keinen einheitlichen Leitungsquerschnitt und zeichnen sich durch Änderungen des Innendurchmessers aus. Ein Beispiel hierfür sind Blenden innerhalb von Kraftstoffleitungen. Ein verringerter Durchmesser der Fluidsäule muss bei der Modellierung der Leitung berücksichtigt werden, da sowohl ein erhöhter Dämpfungseffekt als auch eine Frequenzabweichung der hydraulischen Resonanzen eintritt. In der vorliegenden Arbeit wird eine gerade Leitung mit einer Blende betrachtet und der Einfluss des Blendendurchmessers sowie der Blendenlänge auf die hydraulische Übertragungsfunktion quantifiziert. In der Simulation wird der Leitungsabschnitt mit der Blende als eigene Substruktur betrachtet. Das Fluiddämpfungsmodell wird dabei lokal an die verschiedenen Substrukturcn mit unterschiedlichen Innenradii augepasst. Abschließend wird die entwickelte Substrukturtechnik auf ein Kraftstoffleitungssystem angewandt, welches bei der Benzindirekteinspritzung eingesetzt wird. Das Leitungssystem zeichnet sich durch zahlreiche flexible Komponenten-Interfaces aus, weshalb die Kopplung der entsprechenden Substrukturen nicht mehr als starr angenommen werden kann. Die Variation axialer Interface-Steifigkeit und der resultierende Einfluss auf druckinduzierte Schwingungen ist von besonderem Interesse. Da das untersuchte Leitungssystem sehr viele FHG und sich wiederholende Komponenten aufweist, ist der Einsatz der Substrukturtechnik besonders effizient.

    Noise and vibration problems of automotive fluid-filled piping systems often originate from hydroacoustic sources. The hydraulic excitation of brake pipes due to the hydraulic modulator found in driving-safety systems and the operation of fuel pumps are important examples. The resulting pressure pulsations along with acoustic fluid-structure coupling lead to structural excitation of the aforementioned pipes and undesired sound transmission to attached panels. In this thesis, such pressureinduced vibrations are quantified by dynamic measurements and numerical simulations. Efficient passive means are developed to reduce vibration levels. The measurements are conducted using a hydraulic test bench with a pressure source operating in the kHz-range. The computation of fluid-filled piping systems is realized using finite element based substructuring techniques. A combination of an extended Craig-Bampton method for fluid-structure coupled piping systems and a consecutive interface reduction is developed. Hereby, the remaining interface degrees of freedom between different substructures are further reduced using an appropriate interface reduction basis. The proposed model order reduction accelerates the computation of transfer functions in three-dimensional piping systems. A frequencydependent fluid damping model including friction effects close to the pipe wall is integrated in the substructuring technique to obtain realistic vibration levels. Adequate coupling procedures are described to assemble reduced components. An impedance boundary condition is implemented in the simulation environment to replace large structures by a combination of measured and analytical point impedances. To reduce pressure-induced structural vibrations, the mounting position of the pipe is optimized. Another passive means to reduce the structure-borne sound induced on the target structure is the use of pipe clips as decoupling elements. The results of the harmonic analysis are validated by measured transfer functions. The simulation approach is finally applied to a large-scale fuel piping system, which is characterized by numerous flexible interfaces. It is shown how to add flexibility between substructures and how a varied interface stiffness influences the dynamic behavior of the piping system.


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    Title :

    Hdyro- and vibroacoustic analysis of piping systems using efficient substructuring and dynamic measurements


    Contributors:


    Publication date :

    2011


    Size :

    122 Seiten, Bilder, Tabellen, 98 Quellen




    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    English