Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFExperimentelle und Simulative Bewertung der Strukturdynamik
Experimentelle Strukturanalyse von Leichtbaustrukturen
Im Hinblick auf die Ressourcenschonung und Energieeffizienz stellt der Leichtbau eine Schlüsseltechnologie dar und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Insbesondere als Beitrag zur Mobilität kann der Leichtbau mittels Faserverbundstrukturen zur Gewichtsreduktion und damit zur Minimierung von Schadstoffemissionen beitragen. Am Fraunhofer LBF wurde im Rahmen des Verbundprojekts Systemforschung Elektromobilität (FSEM II) ein Faserverbund-Leichtbaurad mit integriertem Elektromotor entwickelt und aufgebaut. Die im Vergleich zu herkömmlichen Materialen signifikant unterschiedlichen Materialeigenschaften müssen bei dieser Entwicklung berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck betrachtet das Fraunhofer LBF neben der Festigkeit die Strukturdynamik mittels kombinierter Methoden aus Experiment und Simulation.
CFK Leichtbaurad mit integriertem Elektromotor
Strukturanalyse mittels Laser-Scanning-Vibrometer und Sensorik am CFK-Rad
Eigenschwingform des CFK-Rades
Beschreibung des CFK Leichtbaurades
Das CFK-Leichtbaurad mit der Radgröße 6,5 x 15“ hat ein Gewicht von ca. 3,5 kg. Somit ergibt sich im Vergleich zu einem Stahlrad gleicher Größe je nach Radkonstruktion eine Gewichtsersparnis von bis zu 60%, die Gewichtsersparnis gegenüber einem Aluminium-Gussrad beträgt je nach betrachteter Konstruktion bis zu 56%. Mit dem Einsatz der Faserverbundwerkstoffe werden bei geringerem Gewicht höhere Steifigkeiten, Materialdämpfungen und eine höhere Schadenstoleranz im Vergleich zu Metallen erzielt. Neben dem Leichtbaupotenzial wird durch die Dynamikeigenschaften (höhere Eigenfrequenzen und Dämpfungen) eine geringere Schallabstrahlung ermöglicht.
Experimentelle Strukturanalyse zur Strukturoptimierung und Validierung von Simulationsmodellen
Die strukturdynamische Analyse des CFK Leichtbaurades erfolgt mit der Methode der experimentellen Modalanalyse mittels Strukturanregung mit einem elektrodynamischen Shaker und Messung der Antwortschwingungen mit einem 3D Laser-Scanning-Vibrometer. Zu diesem Zweck werden Kraftverläufe der eingeleiteten Anregung und Beschleunigungsverläufe der resultierenden Schwingungen im Zeitbereich gemessen und mittels der Fouriertrans-formation in den Frequenzbereich überführt. Im Frequenzbereich wird die zwischen Strukturanregung (Eingang) und Strukturantwort (Ausgang) resultierende Übertragungs-funktion ermittelt. Die Summation aller Übertragungsfunktionen ergibt den Summen-frequenzgang, aus dem die modalen Parameter (Eigenfrequenzen, Eigenvektoren und modale Dämpfung) identifiziert werden. Aus den modalen Parametern lassen sich die zugehörigen Eigenschwingformen ableiten und visualisieren.
Basierend auf den Analyseergebnissen erfolgt die Validierung des Simulationsmodells mittels der identifizierten modalen Parameter und einem MAC (Modal Assurance Criterion) Vergleich zwischen Experiment und Simulation. Mit dem validierten Simulationsmodell sind dann zielgerichtete Strukturoptimierungen möglich. Im Bezug auf das CFK Leichtbaurad sind Optimierungen hinsichtlich Masse und Biegesteifigkeit der Speichen sowie der Anpassung der Eigenfrequenz der Anbindung E-Motor und Rad vorgenommen worden.
Übertragbarkeit der Methodik auf kundenspezifische Problemstellungen
Die dargestellte Methodik, bestehend aus der Kombination von Experiment, Simulation und Optimierung, ist auf nahezu alle Strukturen anwendbar. Auf Basis verstetigter Methoden, individueller Algorithmen, angepasster Komplexität und der umfangreichen Erfahrung des Fraunhofer LBF im Bereich Strukturdynamik und Akustik können Systeme aus nahezu allen technischen Bereichen betrachtet werden.
Förderung und Partner
Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität (FSEM II)