Gekoppelte Simulationen von Struktur und Luft werden als natürliche
Erweiterung der reinen Strukturdynamik angesehen. Diese Erweiterung ist
erforderlich, da sich der Schall im Fahrzeug aus Luft- und Körperschall
zusammensetzt. Der Schall verschafft dem Fahrer den Eindruck von
Komfort und akustischer Qualität des Fahrzeugs.
Zunächst wird das Innere eines Fahrzeugs mit sog. Fluid-Elementen
modelliert, welche wie klassische Volumenelemente aussehen, aber
Druckfreiheitsgrade abbilden. Um die physikalische Kopplung von
Struktur und Luft herzustellen, werden Kopplungselemente verwendet,
die sowohl Verschiebungs- als auch Druckfreiheitsgrade haben und die
erforderlichen Koppelmatrizen bereitstellen.
Um die Modellierung von Fluid- und Kopplungselementen für das Innere
eines Fahrzeugs zu erleichtern, stellt VisPER einen Assistenten (Wizard)
zur Verfügung, der ausgehend von einem bestehenden Strukturmodell
Schritt für Schritt und weitgehend automatisch das Fluid-Netz und die
Kopplung zur Struktur erstellt.
Typischerweise werden die Kopplungselemente kompatibel mit der
Struktur erstellt, während die Fluid-Elemente für die Luft inkompatibel
vernetzt werden, da die Luft in der Regel deutlich gröber vernetzt
wird als die Struktur. Der Assistent ermittelt die Elementgröße für
das Fluid aufgrund des gewünschten Frequenzbereichs.
Die Luft kann zur Dämpfung des gekoppelten Systems in zweifacher Weise
beitragen: die volumetrische Dämpfung definiert die Absorption im
Fluidvolumen, während die Oberflächenabsorption über die
Kopplungselemente spezifiziert wird und die Normalimpedanz der
Kopplungsfläche definiert.
Lösung des gekoppelten Systems
Nach der Fertigstellung des Fluid-Struktur-Modells sind die weiteren
Berechnungsschritte recht analog zum Vorgehen in der Strukturdynamik
wie oben beschrieben:
- Eine gekoppelte Eigenwertanalyse ermittelt die
gekoppelten Eigenfrequenzen und Eigenformen. Die Eigenformen
bestehen dabei aus zwei sich ergänzenden Teilen,
einer Verschiebungsform für die Struktur und einem
Druckfeld für das Fluid.
- Anregungen im Fluid können über ein Drucksignal angegeben werden.
- Auf der Basis der gekoppelten Eigenfrequenzen und Eigenformen
ist eine modale Frequenzganganalyse und modale Zeitintegration
in derselben Weise möglich wie für die Struktur alleine.
Dynamisches Antwortverhalten des gekoppelten Systems
Neben den modalen Verfahren steht auch eine direkte Frequenzganganalyse
für gekoppelte Fluid-Struktur-Modelle zur Verfügung.
Aus einer gekoppelten Berechnung erhält man die gleichen
Strukturergebnisse wie aus der Strukturdynamik alleine. Zusätzlich
erhält man das Druckfeld in der Luft und Übertragungsfunktionen von
Strukturknoten auf Fluidknoten und umgekehrt. Darüber hinaus kann im
Druckfeld die Schallschnelle (als Vektor oder als Betrag) ermittelt
werden.
Zusätzlich zur Luft im Fahrzeug kann auch die Luft um das Fahrzeug in die
gekoppelte Rechnung einbezogen werden. Damit können auch
Schalldurchgangsaufgaben berechnet werden (von der Straße oder vom
Luftschall an das Ohr des Fahrers).
