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Aerodynamic Admittance Models for Buffeting Excitation of High and Slender Structures
Die dynamische Reaktion hoher, schlanker Bauwerke infolge Böenerregung wird maßgeblich durch die aerodynamische Admittanz bestimmt, welche die räumlich-zeitliche Übertragung der Windturbulenz auf die Druckverteilung an der Oberfläche eines Körpers beschreibt. Zur Ermittlung böeninduzierter Windlasten wird gewöhnlich von einem quasi-stationären Modell der aerodynamischen Admittanz ausgegangen. Die aerodynamische Übertragung wird dabei als unabhängig sowohl von der Zeit als auch von der Frequenz unterstellt. Der tatsächlich stark nichtlineare Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeits- und Richtungsfluktuationen der Turbulenz sowie den resultierenden Windlasten wird mittels diskutabler Methoden linearisiert. Solche Vereinfachungen können insbesondere bei hochturbulenter Strömung zu einer beträchtlichen Unterschätzung der fluktuierenden Windkräfte führen. Um beurteilen zu können, inwieweit konventionelle Admittanzansätze die Realität beschreiben, wurden neben theoretischen Untersuchungen Naturmessungen durchgeführt. Der Fachwerkschaft eines 344 m hohen Mastes wurde über eine Fläche von 360 m² mit auf Kraftmesszellen lagernden Fassadenelementen verkleidet. Durch die simultane Messung der auf die Fassaden wirkenden Windkräfte sowie des ungestörten Strömungsfeldes werden aerodynamische Admittanzmodelle vor dem Hintergrund einer sicheren Bemessung hoher, schlanker Bauwerke überprüft.The dynamic response of high and slender structures induced by turbulence buffeting is decisively determined by the aerodynamic admittance, which describes the spatial and temporal transfer function between the wind turbulence and the wind loads acting on a body´s surface. For the determination of turbulence-induced wind loads a quasi-steady admittance model is usually chosen. Such a model starts from the assumption that the aerodynamic transfer function is constant with respect to both time and frequency. The actually highly nonlinear relationship between the fluctuations of wind speed and wind direction on the one hand, and the resulting wind forces on the other, is linearised by methods which have to be discussed. Particularly in high-turbulent flow, the conventional linearised descriptions of the originally nonlinear wind-speed-to-wind-force relationship will produce a highly incorrect estimation of the dynamic part of the wind load. Besides theoretical investigations the effect of different quasi-steady approaches of the aerodynamic admittance function on the fluctuations of the wind loads are studied by full-scale measurements. The lattice shaft structure of a 344 m high guyed mast was equipped with cladding elements, which covered an area of 360 m² and are supported by load cells. When simultaneously measuring the wind forces acting on these elements and of the undisturbed turbulent flow, aerodynamic admittance models are checked for a safe design of high and slender structures such as masts and towers
Identification und simulation of unsteady buffeting admittance in the time-domain
Für abgespannte Maste ist der Wind die bemessungsrelevante und einzige regelmäßig wiederkehrende dynamische Einwirkung. Um Fragestellungen der Ermüdungssicherheit zuverlässig beantworten zu können, ist eine dynamische Analyse des Tragverhaltens unter böigem Wind erforderlich. Übliche Frequenzbereichsmodelle auf Basis von Admittanzfunktionen erfordern eine Linearisierung dieses nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens um einen Arbeitspunkt. Da auch zeitlich zurückliegende Windgeschwindigkeiten die momentane Windkraft beeinflussen, ist die aerodynamische Übertragung frequenzabhängig. Diese Frequenzabhängigkeit ist mit dem Begriff der instationären Übertragung verknüpft. Quasistationäre Ansätze zur Beschreibung der Windlasten für den Zeitbereich erlauben zwar eine Berücksichtigung nichtlinearer Effekte, sind jedoch nur bei hohen Windgeschwindigkeiten zutreffend. In dieser Arbeit wird über Naturmessungen an einem 344 m hohen abgespannten Masten und deren Auswertung berichtet. Anhand der Messungen von Windgeschwindigkeit und - richtung bis in große Höhen kann das existierende Ingenieurmodell zur Beschreibung des natürlichen Windfeldes verifiziert und auf Basis simultan durchgeführter Windgeschwindigkeits- und Kraftmessungen am partiell verkleideten Mast ein instationäres Windlastmodell für die Böenwindlasten auf Basis linearer, zeitinvarianter Übertragungssysteme identifiziert werden. Eine Approximation der identifizierten aerodynamischen Admittanzen im Frequenzbereich erfolgt mittels rationaler Funktionen, deren Real- und Imaginärteile Paare der Hilbert- Transformation sind. Deren Rücktransformation in den Zeitbereich liefert ein Modell der kausalen instationären Übertragung auf der Basis von Impulsantwortfunktionen. Mit diesem identifizierten instationären Modell für die turbulenzinduzierten Windlasten erfolgt eine Simulation des Tragverhaltens abgespannter Maste unter böigem Wind im Zeitbereich unter Berücksichtigung des nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens des Tragwerks sowie aeroelastischer Effekte.For guyed masts wind is the only relevant and periodically occurring dynamic load. In order to predict the fatigue damage reliably, a dynamic analysis of these structures is required. On the one hand, buffeting wind loads can be modelled in the frequency domain on basis of aerodynamic admittance functions of the cross section. Due to the memory effects of the flow, previous wind velocity fluctuations affect the actual wind load. Hence, the aerodynamic transfer is basically a function of the frequency. These memory effects are associated with the concept of unsteady wind loads. On the other hand, a quasi steady model in the time-domain is available which is able to take the structural and aerodynamic non-linearities into account. However, the quasi steady theory is restricted to fully correlated surface pressures in high winds only. In this thesis full-scale measurements on a 344 m high mast are presented. Based on measurements of wind velocities and directions up to a height of 341 m the commonly used descriptions for the longitudinal and lateral components of natural turbulence are verified in order to validate the engineer’s model of the wind field. Simultaneous measurements of wind velocities and wind forces on the partly covered mast shaft are used to identify the complex aerodynamic admittance functions from multi-input-single-output, linear time-invariant models. These admittance functions are fitted with rational functions in the frequency domain whose real- and imaginary parts are Hilbert-transformation pairs. Hence, a transformation of the admittance functions into the time domain leads to a causal transfer via impulse responses. Results of buffeting wind loads predicted by means of these impulse response functions are use in a time-domain simulation of guyed masts behaviour under buffeting wind loads, including the non-linearities due to the sagging cables and aeroelastic effects
Analytische und numerische Modellbildung zur Kopplung der Insassen- und Fahrzeugdynamik am Beispiel reversibler Rückhaltesysteme
Die vorliegende Arbeit stellt ein reversibles Rückhaltesystem für den Einsatz in KFZ vor und zeigt eine Möglichkeit auf, dieses Straffersystem modellbasiert zu entwerfen. Dazu
wurde eine Simulationsumgebung entwickelt. Diese Simulationsumgebung soll es Ingenieuren ermöglichen, verschiedene Straffertypen für unterschiedlichste Fahrzeugmodelle
mit neuen Auslösealgorithmen zu entwickeln. An die einzusetzenden Simulationswerkzeuge und -modelle stellten sich dadurch folgende Anforderungen:
1. Die Simulationswerkzeuge müssen domänenübergreifend einsetzbar sein.
2. Die Simulationsumgebung muss modular aufgebaut sein, um größtmögliche Flexibilität zu gewährleisten.
3. Es muss eine detaillierte Modellierung der Interaktion zwischen Insassenmodell und Gurtmodell möglich sein.
4. Der Auslösealgorithmus muss auf einfache Weise in das Gesamtsimulationsmodell integriert werden können.
Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurden alle Modelle in der MATLAB
/Simulink-Umgebung aufgebaut. Neben der komplexen Modellierung des Gurtmodells war auch
die Implementierung eines Kontaktmodells notwendig. Der bereits vorhandene Auslösealgorithmus lag ebenfalls als Simulink
-Modell vor und konnte daher direkt in diese
Modellumgebung integriert werden. Um eine möglichst hohe Wiederverwendbarkeit zu garantieren, wurde bei der Modellierung sämtlicher Komponenten des Simulationssystems auf einfache Parametrierbarkeit
und Austauschbarkeit geachtet. Das Fahrzeugmodell ist beispielsweise vollständig modular aufgebaut. Mithilfe einer Bibliothek von Radaufhängungen und durch die volle
Parametrierbarkeit des Chassis-Moduls kann das generische Fahrzeugmodell jederzeit so umgestaltet werden, dass es als Simulationsmodell eines ganz spezifischen Fahrzeugs
dient. Die Schnittstellen vom Chassis zu den Radaufhängungen sind dazu eindeutig definiert. Ein wichtiger Effekt des Gurtsystems ist der sogenannte Filmspuleneffekt. Dieser Effekt
äußert sich durch einen Gurtbandauszug bei gesperrter Aufrollerachse. Es wurde für die Untersuchung des Filmspuleffekts ein Versuchsaufbau entwickelt. Damit wurde der
Effekt in dieser Arbeit mit 600 Versuchen untersucht und basierend auf den Ergebnissen, eine Modellgleichung entwickelt und ins Gesamtmodell implementiert. Diese Arbeit
zeigt den Aufbau der einzelnen Modelle und setzt diese zu einem Gesamtsystem zusammen. Zum Schluss der Arbeit werden die Simulationsergebnisse mit entsprechenden Messungen verglichen und die Güte des Modells diskutiert
Modellbasierte Optimierung dynamischer Fahrmanöver mittels Prüfständen
Inhalt dieser Arbeit ist die Darstellung einer systematischen, modellbasierten Methode zur Optimierung längsdynamischer Fahrmanöver auf Prüfständen. Hinsichtlich der straßennahen Abbildung von dynamischem Antriebsstrangverhalten werden Rollenprüfstände und Antriebsstrangprüfstände mit unterschiedlichen Regelungskonzepten untersucht. Die in der Arbeit beschriebene Vorgehensweise erleichtert die Applikation von Steuergeräteparametern und ermöglicht die objektive Beurteilung des Ergebnisses hinsichtlich der Zielgrößen Agilität, Komfort und mechanische Beanspruchung. Durch fahrmanöverspezifische Kennwerte wird das ursprünglich dynamische Übertragungsverhalten der Fahrmanöver auf statisches Übertragungsverhalten zurückgeführt. Dies ermöglicht die Anwendung statischer, empirischer Modellansätze. Durch Anwendungsbeispiele wird belegt, dass die verwendeten Modelle in der Lage sind, die Abhängigkeit der fahrmanöverspezifischen Kennwerte von den Applikationsparametern und den wesentlichen Randbedingungen, beispielsweise Motormoment und Motordrehzahl, abzubilden. Auf Basis der Modelle werden Optimierungen der Applikationsparameter einer Lastwechselkomfortfunktion und des Kupplungswechsels eines Automatikgetriebes durchgeführt
Untersuchung und Simulation der Ionisations- und Streudynamik von Photoelektronen mithilfe von Zwei-Farben-Feldern
In dieser Arbeit werden orthogonale und parallele Zwei-Farben-Laserfelder verwendet, um die Wechselwirkung von Atomen mit starken Laserfeldern gezielt zu beeinflussen, indem die relative Phase rel zwischen beiden Feldkomponenten ( und 2) variiert wird. Dabei wird die Ionisations- und Streudynamik der Photoelektronen von Edelgasen untersucht, indem die von rel abhängigen Photoelektronenspektren mit einem Velocity-Map-Imaging-Spektrometer erfasst und mit der Methode der Phase-der-Phase-Analyse studiert werden. Die Messergebnisse werden mit einer erweiterten semiklassischen Simulation analysiert, die für beliebig polarisierte Laserfelder anwendbar ist und auch Streuereignisse höherer Ordnung berücksichtigt. Für orthogonale Zwei-Farben-Felder ( = 800 nm, 2 = 400 nm) wird eine untypische Ausrichtung der Feldpolarisationen verwendet, mit welcher die Auslenkung der Elektronen durch das 2-Feld direkt auf dem Detektor abgebildet werden können. Die Photoelektronenspektren von Neon und Xenon zeigen dabei einen deutlichen Phasenunterschied zwischen gestreuten und direkten Elektronen, sowie eine starke Abhängigkeit von dem verwendeten Gas. Weiterhin werden phasenabhängige Xenon Spektren in einem parallelen Zwei-Farben-Feld im kurzwelligen Infrarotbereich ( = 1800 nm, 2 = 900 nm) gemessen. Anhand der Phasenabhängigkeit der Spektren werden Rückschlüsse auf die Ionisationszeit der Photoelektronen gezogen, wobei die in diesem Wellenlängenbereich auftretende, charakteristischen Gabelstruktur als Benchmark genutzt wird. Mit dem semiklassischen Modell wird gezeigt, dass die Phasenabhängigkeit aufgrund der Modulation der Ionisationswahrscheinlichkeit durch das 2-Feld Informationen über die mittlere gewichtete Ionisationszeit der beitragenden Elektronen enthält. Die zusätzliche Modifikation der Elektronentrajektorien im Feld führt jedoch zu einer kleinen Verschiebung der gemessenen Phasenabhängigkeit, wodurch die ermittelten Ionisationszeiten um bis zu 80 as verschoben sind
Objektive Qualitätsbewertung von Fahrdynamiksimulationen durch statistische Validierung
Simulationen gewinnen in der Entwicklung technischer Produkte stetig an Bedeutung. Insbesondere in der Automobilindustrie erfordern die Effizienz- und die Effektivitätssteigerung der Entwicklungsprozesse belastbare Simulationsergebnisse. Die Fahrdynamiksimulation nimmt hierbei eine wichtige Stellung ein. Bisherige Validierungsansätze führen zu einem ungenügenden Vertrauensnachweis, sodass häufig Zweifel an der Repräsentativität der Simulationsergebnisse in Bezug auf das reale Systemverhalten geäußert werden.
Diese Forschungsarbeit stellt eine neue Methode für den objektiven Vergleich und die Bewertung der Übereinstimmungsgenauigkeit zweier Systemabbildungen vor. Ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Methode ist die Simulationsvalidierung, in der die Simulation und die praktische Messung die beiden Systemabbildungen sind. Beschrieben wird die Methode in dieser Arbeit für die Validierung von Fahrdynamiksimulationen, wobei als Referenz für die Simulationsergebnisse Messdaten aus dem Realversuch herangezogen werden. Dies entspricht einem typischen Anwendungsfall in der Automobilentwicklung und in der Fahrdynamikforschung. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile.
Im ersten Teil werden die Forschungsziele präzisiert. Auf Basis der Ist-Stand-Analyse und -Bewertung erfolgen eine Strukturierung des Validierungsprozesses und die Identifikation der Defizite, die den mangelhaften Vertrauensnachweis begründen.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der anwendungsneutralen Methodenentwicklung, d.h. ohne Fokussierung eines spezifischen Anwendungsgebiets. Die aus der Ist-Stand-Bewertung folgenden Anforderungen zur Überwindung der Defizite werden in der Konzeptdefinition und in der Prozessverbesserung berücksichtigt. Die Effektivität der neuen Validierungsmethode resultiert aus der gleichzeitigen Betrachtung der Simulationsqualität für verschiedene Systemvarianten, die in dieser Arbeit Fahrzeugen mit unterschiedlichen Eigenschaften entsprechen. Hierdurch wird das Simulationsmodell in mehreren Arbeitspunkten getestet, sodass über eine statistische Auswertung für jede Ausgangsgröße der Simulationsanwendung zwei statistische Validitätsmaße bestimmt werden können, die die Prädiktionsqualität für absolute Kennwerte und für Kennwertdifferenzen angeben.
Im dritten Teil erfolgt die Anwendbarkeitsanalyse in fahrdynamischen Validierungsstudien. Hier bewährt sich das neue Validierungskonzept und der überarbeitete Prozess ist ohne domänenspezifische Adaptionen durchführbar. Die Ergebnisse werden in einem Validitätsbewertungsbericht zusammengefasst, der neben der statistischen Validität auch Informationen über Versuchsunsicherheiten und zulässige Toleranzintervalle enthält.
Die Bewertung der neuen Validierungsmethode führt zu dem Ergebnis, dass sie die Anforderungen erfüllt und durch die Steigerung des Vertrauens zu einem größeren Nutzen simulationsbasierter Untersuchungen in der Fahrdynamikforschung beiträgt
Optimierte Netzverträglichkeit von Gleichstrom-Schnellladesystemen durch aktive Netzbeeinflussung
Leistungsstarke Gleichstrom-Schnellladesysteme bewirken in öffentlichen Niederspannungsnetzen erhebliche Netzrückwirkungen. Normative Anforderungen an die Spannungsqualität limitieren deshalb die möglichen Netzanschlusspunkte. In dieser Arbeit wird ein Schnellladesystem mit minimalen Netzrückwirkungen und aktiver Netzbeeinflussung konzipiert und an einer maßstabsgetreuen Nachbildung eines Schnellladesystems experimentell validiert, was den Netzanschluss der Ladesysteme stark vereinfacht
Optimierte Netzverträglichkeit von Gleichstrom-Schnellladesystemen durch aktive Netzbeeinflussung
Der Aufbau einer leistungsstarken Gleichstrom-Schnellladeinfrastruktur ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Elektromobilität. Diese Arbeit verbessert bestehende Regelungsverfahren der eingesetzten aktiver Gleichrichter, minimiert die Anforderungen an den Netzanschlusspunkt und gestattet die aktive Filterung der Spannungsqualität. Eine maßstabsgetreue Nachbildung eines solchen Schnellladesystems stellt die Validierung des Forschungsansatzes sicher
Untersuchungen zum Einsatz von Flachlautsprechern an schallreflektierenden Grenzflächen
During the last two decades multichannel audio reproduction systems and the
trend for amore flat design of media devices have lead to an increased
demand in flat panel speakertechnologies.With a depth of a few centimeters
these devices shall allow a space saving andunremarkable integration into
rooms while providing the acoustic quality of a conventionalconus
loudspeaker. Current flat panel speakers can be designed with a depth less
than 10 cm.However if they are mounted directly in front of a wall or
maintained within a flat case anunacceptable quality loss occurs.In this
thesis the reasons for the deterioration of sound quality have been
investigated.Therefore existing flat panel speaker technologies have been
analysed and possible solutionshave been proposed. If flat panel speakers
without enclosure are maintained directly in frontof a wall, reflections
and interferences between sound parts from the front and the back ofthe
membrane lead to an increased acoustic short circuit and to comb filter
eects. On theone hand this eect can be prevented applying a loudspeaker
enclosure. On the other handthe air volume inside the enclosure acts as an
additional spring and influences the vibrationbehavior of the membrane. The
smaller the case is the greater is the springs counterforce.This leads to
an decreased sound pressure level in the low frequency range.Because of
this a new flat panel speaker technology based on array like arranged
miniaturetransducers built in a case is proposed. Through the usage of many
single transducer enoughdriving power can be realized counteracting against
the air volumes stiness. Additionallythe distribution of the driving force
and the subdivision of the sound radiating area in partialareas allows a
piston-shaped vibration behavior and a optimized radiation
characteristic.The developed flat panel speakers dimensions are 75 cm 55
cm 2:4 cm. The frequencyrange is 100Hz to 20 kHz (-6 dB limiting
frequency). Mounted on a wall the speakers meansound pressure level is 88
dB/1W/1 m. Combined with a subwoofer the new developedflat panel speaker
can replace a conventional loudspeaker. To achieve the required
soundpressure level within cinemas or concert halls multiple flat panel
speakers have to becombined.The stereo setup of the final flat panel
speaker developed within this thesis was presentedat the “Internationale
Funkausstellung“ 2009 in Berlin.Mehrkanalige Audiowiedergabesysteme und der Trend zu einem immer flacheren
Design bei Mediengeräten haben das Interesse an Flachlautsprechern in den
letzten 20 Jahren deutlich gesteigert. Mit einer Bautiefe von wenigen
Zentimetern sollen diese eine platzsparende,unaufällige Integration im Raum
ermöglichen und gleichzeitig die akustischen Eigenschaften eines
konventionellen Lautsprechers aufweisen. Bisher eingesetzte
Flachlautsprechertechnologien bieten bereits eine Bautiefe von weniger als
10 cm. Allerdings kommt es zu inakzeptablen Klangbeeinträchtigungen, wenn
diese platzsparend direkt an der Wand oder in einem flachen Gehäuse
betrieben werden.Das Ziel dieser Arbeit bestand daher in der Ermittlung der
Ursachen der Klangbeeinträchtigungen und in der Herleitung von
Lösungsansätzen. Hierzu wurden die bereits auf dem Markt vorhandenen
Flachlautsprechertechnologien analysiert. Beim gehäuselosen
Flachlautsprecher führen im wandnahen Betrieb Reflexionen und Interferenzen
zwischen den Schallanteilen beider Membranseiten zu einer Verstärkung des
akustischen Kurzschlusses und zu kammfilterartigen Amplitudenverläufen.
Durch die Verwendung eines Lautsprechergehäuses kann dies verhindert werden.
Allerdings beeinflusst das Luftvolumen im Gehäuse das Schwingungsverhalten
der Membran wie eine zusätzliche Feder. Je kleiner das Gehäuse ist, desto
größer ist die Kraft, die diese Feder der Membranbewegung entgegensetzt.
Dies führt zu einem geringeren Schalldruckpegel im Tieftonbereich.Aus
diesem Grund wurde eine neue Flachlautsprechertechnologie entwickelt. Die
Basis dafür bildet der Einsatz von Miniaturschallwandlern, die in Arrays
gruppiert und mit einem Gehäuse versehen werden. Durch die Verwendung von
vielen Einzeltreibern kann bei einer geringen Bautiefe genügend
Antriebskraft realisiert werden, um der Steifigkeit des Luftvolumens
entgegen zu wirken. Die Verteilung der Antriebskraft und die
Unterteilungder schallabstrahlenden Fläche in Teilflächen ermöglicht
weiterhin ein kolbenförmiges Schwingungsverhalten und eine optimierte
Abstrahlcharakteristik.Der entwickelte Flachlautsprecher besitzt die
Abmessungen 75 cm , 55 cm , 2;4 cm und überträgt den Frequenzbereich von 100
Hz bis 20 kHz (-6 dB-Grenzfrequenzen) mit einemKennschalldruckpegel von 88
dB/1W/1m bei direkter Wandmontage. Im Heimbereich kann dieser
Flachlautsprecher in Kombination mit einem Subwoofer den konventionellen
Lautsprecher ersetzen. Zur Beschallung von Kino- bzw. Konzertsälen ist der
Einsatz mehrerer Flachlautsprecher notwendig, um den erforderlichen
Schalldruckpegel zu erzielen.Die Ergebnisse der Entwicklung wurden in Form
eines Stereo-Setups auf der Internationalen Funkausstellung 2009 in Berlin
präsentie