07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben(2000) Löffler, Jürgen; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)Hohe Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit, dynamisches Fahrverhalten, Fahrkomfort und Fahrsicherheit sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung von Fahrzeugantrieben und elektronischen Systemen zur Fahrzeugsteuerung. Aufgabe eines Systems zur Steuerung des Fahrzeugantriebs ist es, einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen. In dieser Arbeit werden Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben vorgestellt. Ihre Funktionalität wird mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung für Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe nachgewiesen. Durch eine dynamische Adaption des Betriebszustands des Antriebstrangs an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen wird ein optimaler Fahrzeugbetrieb bei hohem Fahrkomfort und Fahrsicherheit erreicht. Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. Die in Echtzeit während des Fahrbetriebs ermittelte Lösung maximiert die dynamische Leistungsreserve, den Antriebstrang-Wirkungsgrad und die Emissions-Effizienz im Sinne einer Edgeworth-Pareto-Optimalität. Für die Optimierungskriterien werden physikalisch basierte Gütefunktionen definiert und in einer skalaren Zielfunktion zusammengefasst. Zur Optimierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit bei Gangwechseln des automatisierten Schaltgetriebes wird ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung für den Schaltvorgang vorgestellt, das auf der Lösung eines Problems der optimalen Steuerung beruht. Dazu wird der Verlauf von Zustandsgrößen des Antriebs mit B-Spline-Funktionen beschrieben, so dass ein physikalisch basiertes Zielfunktional minimiert wird. Die entwickelten neuen Verfahren wurden mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD implementiert und durch Simulation in Verbindung mit einem Modell des Fahrzeugs sowie mit Versuchsträgern erprobt.Item Open Access Zur aktiven Schallabstrahlungsminderung an Strukturen(2006) Hermann, Klaus; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer speziellen aktiven Schallminderungstechnik, der aktiven Schallabstrahlungsminderung (Active Structural Acoustic Control, ASAC). Mit ASAC wird die Schwingung einer Struktur derart beeinflusst, dass sie weniger Schallleistung abstrahlt. Dies erreicht man, indem gezielt zusätzliche Kräfte und/oder Momente auf der Strukturoberfläche eingeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein adaptives digitales ASAC-System modelliert, rechnerisch optimiert und das Modell im Experiment weiter untersucht. Als Struktur wird eine rechteckige Stahlplatte mit den Maßen 800 x 500 x 1 mm³ gewählt, die an den Rändern fest eingespannt ist. Die Anzahl der verwendeten Aktoren und Sensoren wird auf jeweils zwei begrenzt, um im Hinblick auf kostengünstige praktische Anwendungen des ASAC-Systems den Aufwand klein zu halten. Unter der Annahme idealer Verhältnisse werden mathematische Modelle für ASAC-Systeme mit unterschiedlicher Anregung entwickelt. Dabei wird der für eine effiziente Simulation von ASAC-Systemen wichtige mathematische Beweis erbracht, dass bei einem einzelnen ASAC-Aktor die Phase zwischen dem Schallanregungs- und Aktorsignal im optimalen Fall ein ganzzahliges Vielfaches von 180 Grad betragen muss. Mit mehreren ASAC-Aktoren ist dies nicht mehr zwingend notwendig. Jedoch wird in dieser Arbeit gezeigt, dass man auch in diesem Fall die Simulationsprogramme effizienter machen kann, wenn man annimmt, dass die Phasen zwischen den Schallanregungs- und Aktorsignalen jeweils ein ganzzahliges Vielfaches von 180 Grad betragen. Um mit maximal zwei ASAC-Aktoren im betrachteten Frequenzbereich bis 1 kHz eine deutlich hörbare Schallminderung zu erreichen, müssen ihre Positionen optimiert werden. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit mehrere Optimierungsmethoden vorgestellt. Dabei wird gezeigt, wie Genetische Algorithmen zur effektiven Optimierung mehrerer ASAC-Aktorpositionen eingesetzt werden können. Die Leistungsfähigkeit des betrachteten ASAC-Systems wird mittels der abgestrahlten Schallleistung bewertet, die über die Schwingform der Struktur berechnet werden kann. Da das verwendete Hüllflächenschalldruckmessverfahren abhängig von der Modenverteilung zu unterschiedlichen systematischen Fehlern führt, die in der vorliegenden Arbeit noch näher erläutert werden, wird hier die Bewertung allein anhand des berechneten Schallleistungswerts vorgenommen und durch gemessene Werte der Schallleistung sowie durch im Experiment gewonnene subjektive Eindrücke ergänzt, weil hierdurch Erkenntnisse gewonnen wurden, die die Simulationen nicht liefern konnten. Als ASAC-Aktoren wurden Shaker und Piezoelemente verwendet. Der Einfluss der Kopplungsart zwischen der Platte und den Piezoelementen auf die Schwingform der Platte und damit auf das Schallminderungsergebnis bei ASAC wurde ebenfalls messtechnisch untersucht. Die Simulationen von ASAC mit einem einzigen punktförmig wirkenden und optimal platzierten Aktor ergaben im untersuchten Frequenzbereich 50 bis 500 Hz monofrequent Schallleistungsminderungen bis zu 17.2 dB, im Mittel 10.6 dB für die exemplarisch betrachteten Frequenzen 100 Hz, 150 Hz und 300 Hz, jeweils mit einem optimal platzierten Aktor. Wurde der Aktor intuitiv positioniert, wurden im Frequenzbereich 50 bis 500 Hz Schallleistungsminderungen von bis zu 12.3 dB erreicht. Die mittlere Schallleistungsminderung betrug für die Frequenzen 100 Hz, 150 Hz und 300 Hz lediglich 1.5 dB. In entsprechenden Simulationen mit zwei Piezoelementen als ASAC-Aktoren wurden im Frequenzbereich 300 bis 700 Hz Schallleistungsminderungen bis 15.0 dB berechnet, im Mittel 11.3 dB für die beispielhaft gewählten Frequenzen 300 Hz, 500 Hz und 700 Hz, jeweils mit optimalen Aktorpositionen. Mit intuitiv bestimmten Aktorpositionen betrug die Schallleistungsminderung exemplarisch für 300 Hz nur 2.4 dB. Es konnte beobachtet werden, dass das ASAC-System besonders bei höheren Frequenzen sehr empfindlich auf Veränderungen der Aktorpositionen bzw. der Frequenz reagierte. Im Experiment waren die berechneten Effekte, insbesondere die erzielten Schallpegelminderungen, subjektiv deutlich wahrnehmbar. Die gemessenen und berechneten Schallleistungswerte zeigten die gleichen Tendenzen. In der praktischen Realisierung spielt auch die Einspannung der Stahlplatte eine große Rolle. Hierzu konnte nachgewiesen werden, dass sich die vermeintlich fest eingespannte Platte für höhere Frequenzen zunehmend wie eine freie Platte verhält. Daraus ergibt sich, dass sich das betrachtete ASAC-System mit maximal zwei Aktoren bei höheren Frequenzen erst dann für praktische Anwendungen eignet, wenn die anregende Frequenz konstant ist und die Aktoren sehr genau platziert werden können. Für die Simulation ist ein sehr genaues Modell erforderlich. Dabei muss insbesondere die im Modell angenommene Einspannung der schwingenden Struktur annähernd der realen entsprechen.Item Open Access Automatische Längs- und Querführung einer Lastkraftwagenkolonne(2000) Gehring, Ottmar; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)Eine Möglichkeit, der ständig wachsenden Verkehrsüberlastung auf den Fernsstraßen zu begegnen, stellt die elektronische Kopplung von Fahrzeugen in Kolonnenverbänden dar. Hierbei wird die Fahraufgabe des Fahrers von einem System zur automatischen Fahrzeugführung übernommen, das eine deutliche Verringerung der Abstände zwischen den Fahrzeugen ermöglicht, den Verkehrsfluß harmonisiert und die Kapazität der Straße steigert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Regelungsalgorithmen, die zur Realisierung eines solchen dichten, automatischen Kolonnenverkehrs benötigt werden. Die gesamte Fahrzeugregelung besteht aus zwei getrennt voneinander entwickelten Teilen, der Längsregelung mit Gas- und Bremseingriff und der Querregelung, die ein Stellglied an der Lenkung ansteuert. Es werden Regelungsansätze hergeleitet, mit denen ein stabiles längs- und querdynamisches Verhalten der Fahrzeugkolonne erreicht werden kann. Die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Längs- und Querregelungsansätze wird durch Simulationsergebnisse und Testfahrtergebnisse mit Versuchsfahrzeugen verdeutlicht.Item Open Access The fast multipole boundary element method and its application to structure acoustic field interaction(2004) Fischer, Matthias; Gaul, Lothar (Prof. Dr.-Ing. habil.)The goal of the thesis is to provide an efficient simulation tool for the prediction of sound radiation from vibrating structures. Acoustic simulations are an important step to optimize the properties of a new product early in the design phase rather than curing mistakes afterwards. The boundary element method (BEM) is widely used in acoustics, since it allows the simulation of fields in unbounded domains. Only the surface of the sound radiating structure must be discretized with a very low cost for mesh generation and preprocessing. The limiting factor for the application of the BEM to large-scale simulations is its fully populated system matrix. It implies that computing time and memory requirements increase quadratically with the number of elements which cannot be handled even for moderately sized problems. The fast multipole BEM allows the computation of the BEM matrix-vector products at a quasi-linear numerical cost. The reduction is achieved by multilevel clustering of the boundary elements and the use of the multipole series expansion for the evaluation of the fundamental solution. In combination with an efficient iterative solver, multipole BEM simulations can be performed on large models consisting of more than 100,000 boundary elements. The generalized minimal residual method (GMRES) and multigrid solvers are most suitable for the solution of the BEM systems of equations. An approximate inverse preconditioner is developed for both approaches that restricts the number of required iterations and thus allows efficient multipole BEM simulations on fine discretizations and high frequencies. For the simulation of structure-acoustic field interaction problems, the coupled field equations must be solved. The structure is commonly discretized using finite elements, whereas for the acoustic field the BEM is favorable. A mortar FEM-BEM coupling algorithm is developed that allows the combination of non-conforming meshes. The high flexibility for the choice of discretizations offers a high efficiency, since specialized shape functions and adaptive mesh refinement can be used in the subdomains. The mortar coupling algorithm yields a saddle point problem that is solved using an inexact Uzawa algorithm. The iterative solver enables the use of the multipole BEM and thus coupled simulations on large boundary element models.Item Open Access Ein Beitrag zur Bestimmung der von dreidimensionalen Körperschallquellen abgestrahlten Luftschallleistung mit der direkten Finiten-Elemente-Methode(2007) Kraus, Max; Hübner, Gerhard (Prof. Dr.)Die Hauptbeurteilungsgröße der Schallemission von Maschinen und technischen Anlagen ist die Schallleistung. Eines der effektivsten und praktikabelsten Verfahren zur Bestimmung der von schwingenden Oberflächen abgestrahlten Luftschallleistung ist die Direkte Finite Elemente Methode (DFEM). Diese Berechnungsmethode ermöglicht aufgrund ihrer Einfachheit sehr kurze Berechnungszeiten bei gleichzeitig sehr geringem Speicherplatzbedarf. Sowohl die Schallstrahler als auch die starre Umgebung werden durch ein Netz von Monopolen ersetzt. Die insgesamt abgestrahlte Schallleistung ergibt sich durch die Summe der Monopol-Einzellleistungen und die Summe der Wechselwirkungsleistungen aller Monopolpaarungen. Da diese Monopole bei der Anwesenheit von Streukörpern nicht mehr in den Vollraum abstrahlen, muss zunächst die Rückwirkung der starren Umgebung auf die Schallleistungsabstrahlung der Monopole durch Modifikationsfaktoren berücksichtigt werden. Die Berechnung dieser Schallleistungsmodifikationsfaktoren dauerte bisher insbesondere bei höheren Frequenzen deutlich länger als die eigentliche Schallleistungsberechnung, da eine frequenz- bzw. abstandsabhängige Subdiskretisierung von Elementen der Umgebung durchgeführt werden musste. Um die Gesamtrechenzeit der DFEM zu senken, wurde eine neue Methode zur Bestimmung der Schallleistungsmodifikationsfaktoren entwickelt, die auf eine Subdiskretisierung verzichtet. Dabei wird jedes Oberflächenelement durch ein Kreisringteil mit gleichem Flächeninhalt ersetzt, so dass anstelle der zeitaufwändigen Summation der Subelemente eine analytische Integration erfolgen kann. Da die Form des Kreisringteils ein Integrationsgebiet darstellt, das an die radialsymmetrischen Abstrahleigenschaften eines Monopols angepasst ist, kann für das Integral eine Stammfunktion angegeben werden, so dass die Berechnung der Modifikationsfaktoren mit einer einfachen Formel durchgeführt werden kann. Die Anwendung dieser Methode, die als Kreissegment-Integration (KSI) bezeichnet wird, ergab verglichen mit der alten Methode eine 10 bis 100mal kürzere Gesamtrechenzeit – je nach Frequenzbereich und Elementanzahl – bei mindestens gleicher Genauigkeit. Verglichen mit der Standard-BEM ist die Standard-DFEM mit KSI jetzt etwa 100mal schneller und benötigt kaum Speicherplatz. Die KSI bot auch die Möglichkeit, sehr große ebene Oberflächenbereiche von starren Körpern mit sehr wenigen Segmenten zu diskretisieren, wodurch zusätzlich Rechenzeit gespart werden konnte. In künftigen Arbeiten ist noch zu untersuchen, inwiefern die Anwendung eines Multigrid-Verfahrens den quadratischen Rechenaufwand der eigentlichen Schallleistungsberechnung weiter senken kann. Durch ihre Einfachheit besitzt die DFEM allerdings nicht die guten Konvergenzeigenschaften der BEM. Die größten systematischen Abweichungen werden von den Wechselwirkungsabständen zwischen den Monopolpaaren verursacht. Es wurde daher auch untersucht, wie die Wechselwirkungsabstände eines Doppelmonopols auf einer starren Kugel zu wählen sind. Dazu wurde zunächst eine exakte Schallleistungslösung für den beliebig schwingenden und beliebig auf einer starren Kugel angeordneten Doppelmonopol hergeleitet. Aus den Einzelleistungs- und Wechselwirkungstermen dieses Kugel-Doppelmonopols wurde – analog zur ebenen Platte bzw. zum Vollraum – eine 3D-DFEM aufgebaut, die die starre Kugel in die Herleitung einbezieht und somit alle an der Kugel auftretenden Beugungseffekte berücksichtigt. Die guten Konvergenzeigenschaften zeigten, dass die Genauigkeit dieser Kugel-DFEM nur noch von der Diskretisierungsdichte abhängt. Der Wechselwirkungsterm der Kugel-DFEM wurde nun mit dem Wechselwirkungsterm der Standard-3D-DFEM verglichen. Die Untersuchungen zeigten zunächst, dass der Wechselwirkungsterm der Standard-3D-DFEM betragsmäßig zu groß ist. Um den exakten Term zu erhalten, muss die Amplitude des DFEM-Terms mit zunehmender Frequenz immer stärker gemindert werden. Die größten Minderungen sind notwendig, wenn sich zwei Monopole auf der Kugel fast gegenüberliegen. Desweiteren ist der Wechselwirkungsabstand zwischen den Monopolen bis zu 20% größer zu wählen als der kürzeste oberflächengeführte Abstand, insbesondere dann, wenn sich zwei Monopole auf der Kugel fast gegenüberliegen und wenn sich die Luftschallwellenlänge in der Größenordnung der Kugelabmessungen befindet. Weiterführende Untersuchungen sollten sich auf die statistische Absicherung der DFEM-Rechengenauigkeit konzentrieren. Das Fernziel sind Modellierungsregeln für allgemein gestaltete Maschinenoberflächen, die bei einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Diskretisierungsdichte eine für die Praxis ausreichende Genauigkeit garantieren. Die Angabe der Genauigkeitsgrenzen kann in Form von statistischen Grenzen erfolgen, wie sie bei der internationalen Standardisierung von Messverfahren üblich sind, wo z.B. mit 95% Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Genauigkeit garantiert wird.Item Open Access Methoden zur objektiven Bewertung des Geradeauslaufs von Personenkraftwagen(2005) Dettki, Frank; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)Bei der Entwicklung eines neuen Fahrzeugs werden die verschiedensten Maßnahmen bei der Fahrwerksabstimmung durchgeführt, um bestimmte fahrdynamische Akzente hinsichtlich Komfort oder Sportlichkeit zu setzen. Bei all diesen Maßnahmen dürfen aber bestimmte Grundeigenschaften nicht verlorengehen. Eine dieser Grundeigenschaften ist der Geradeauslauf. Es ist auch wichtig, dass der Fahrer die Geradeauslaufstabilität über das Lenkrad vermittelt bekommt. Mit dem Begriff Geradeauslaufstabilität sind hier beide Aspekte gemeint: die fahrzeugeigene Geradeauslaufstabilität und das subjektiv empfundene Lenkgefühl bei kleinen Korrekturbewegungen um die Lenkungsmitte. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, um die Geradeauslaufstabilität objektiv zu bewerten. Diese neue Methode erlaubt es, fahrerunabhängige Kennwerte für den Geradeauslauf zu generieren. Das Prinzip besteht aus einem Vergleich zwischen gemessener und berechneter Giergeschwindigkeit. Die berechnete Giergeschwindigkeit ergibt sich mit Hilfe eines modifizierten Einspurmodells aus dem gemessenen Lenkradwinkel. Die Differenz aus der gemessenen und berechneten Giergeschwindigkeit, der Giergeschwindigkeitsfehler, wird in einem Diagramm in Abhängigkeit der gemessenen Störgrößen (Wind, Fahrbahnquerneigung) dargestellt. Das Fahrzeug ist umso empfindlicher auf Störungen je größer der Gradient in diesem Diagramm ausfällt. Für die vollständige Beschreibung der Geradeauslaufstabilität ist die Charakterisierung des Lenkgefühls notwendig. Es werden Kennwerte vorgestellt, die das Lenkgefühl und die dazugehörige Fahrzeugreaktion (Lenkungsansprechen) objektiv beschreiben.