Efficient vibro-acoustic modelling of aircraft components with parameter uncertainties

Bei der Entwicklung technischer Systeme nimmt die Optimierung der vibro-akustischen Eigenschaften einen immer höheren Stellenwert ein. Neben messtechnischen Verfahren werden hierbei in zunehmendem Maße numerische Vorhersagemethoden verwendet. Die Grundvoraussetzung für eine hohe Ergebnisgüte ist dabei die genaue Kenntnis der Eingangsparameter des Modells. In der Regel lassen sich viele Parameter jedoch nur mit eingeschränkter Genauigkeit bestimmen, was zu Abweichungen zwischen vorhergesagtem und berechnetem Bauteilverhalten führen kann. Erschwerend kommt hinzu, dass in der Praxis selbst vermeintlich identische Produkte eine erhebliche Streuung hinsichtlich ihrer vibro-akustischen Eigenschaften aufweisen. Typische Ursachen hierfür sind unter anderem Produktionsschwankungen, Fertigungstoleranzen und variierende Einsatzbedingungen. Zuverlässige numerische Modelle müssen solche Parameterunsicherheiten berücksichtigen, um eine aussagekräftige und realitätsnahe Vorhersage zu ermöglichen. Hierzu existieren verschiedene Verfahren wie z. B. die stochastische Monte-Carlo-Simulation oder die auf der Fuzzy-Arithmetik basierende Transformationsmethode. Charakteristisch für beide Ansätze ist die wiederholte Auswertung desselben numerischen Modells für verschiedene Parameterkombinationen. Abhängig von der Menge der unsicheren Parameter und der gewünschten Genauigkeit ist dabei oft eine erhebliche Anzahl an Auswertungen notwendig, so dass diese Methoden bei komplexen und rechenaufwändigen vibro-akustischen Modellen an ihre Grenzen stoßen. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit der ‘iterative method for multiple evaluations’ (IMME) eine neue Methode entwickelt, die die speziellen Eigenschaften von vibro-akustischen Berechnungsmodellen ausnutzt und über einen iterativen Kopplungsansatz von Fluid und Struktur eine deutliche Beschleunigung unsicherer Mehrfachberechnungen erlaubt. Dazu werden die verschiedenen Methoden zur Berücksichtigung von Parameterunsicherheiten gegenübergestellt und die Theorie der Finite-Elemente-Methode für akustische Problemstellungen erläutert. An Hand einer Aluminiumplatte wird die Eignung des verwendeten Finite-Elemente-Modells zur Vorhersage akustischer Kenngrößen nachgewiesen und eine Bestimmung der entsprechenden unsicheren Ergebnisgrößen vorgenommen. Hierauf aufbauend erfolgt eine umfassende Untersuchung und Optimierung der IMME, deren hohe Effizienz weiterhin für drei verschiedene Komponenten der Flugzeugkabine gezeigt wird. Für die untersuchten Bauteile ergeben sich dabei mögliche Rechenzeitreduktionen bis zum Faktor 100.