Energiebasierte Korrelation von strukturdynamischen Messungen mit numerischen Modellen für Strukturen mit hoher modaler Dichte

Aufgrund der stark wachsenden Weltbevölkerung und zunehmenden Globalisierung in Verbindung mit einem meist hohen Lebensstandard ist auch ein Anstieg des Luftverkehrsaufkommens über die letzten Jahrzehnte zu beobachten. Der Luftverkehr ist die schnellste und bequemste Art und Weise, um Güter und Personen über große Distanzen zu befördern. Eine Stagnation dieses Trends ist auch in Zukunft nicht zu erwarten. Die mit dem Luftverkehr steigenden Schadstoffemissionen haben einen zunehmend negativen Einfluss auf Umwelt und Atmosphäre. Durch das wachsende Umweltbewusstsein der heutigen Gesellschaft hat sowohl der Schutz der Umwelt als auch des Klimas einen hohen Stellenwert. Fehlende alternative Energiequellen zwingen die Luftfahrtforschung und -industrie neue und revolutionäre Technologien zu erforschen, um eine nachhaltige Energieversorgung auch in Zukunft zu sichern und die heutigen fossilen Brennstoffe zu ersetzen. Ein gesetztes Ziel der Luftfahrtforschung und -industrie ist eine Reduktion der Kohlenstoffdioxid- und Stickstoffemissionen um 75% und 90% pro Passagier und Kilometer bis zum Jahr 2050. Nicht nur die Schadstoffemissionen haben einen negativen Einfluss auf die Umwelt, sondern auch der von den Flugzeugtriebwerken erzeugte Lärm. Aus diesem Grund ist ein weiteres und nicht weniger wichtiges Ziel bis zum Jahr 2050 die Reduktion des wahrnehmbaren Schalllärms um 65%. Diese Ziele sind Bestandteil der Luftfahrtstrategie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) auf Basis der Strategic Research and Innovation Agenda der Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe (ACARE). Zudem fordert die Luftfahrtindustrie, aufgrund gestiegener Energiekosten, neue energieeffiziente Alternativen zu herkömmlichen Strahlentriebwerken. Bezüglich des Treibstoffverbrauchs und der Schadstoffemission sind moderne Turbopropturbinen eine solche energieeffiziente Alternative im Bereich der Kurzstreckenflugzeuge. Jedoch wird die Reduktion der Schadstoffemission durch erhöhte Lärmabstrahlung an den Triebwerken teuer eingekauft. Deshalb besteht ein Handlungsbedarf der Forschung, um das Ziel der Lärmminderung bis zum Jahr 2050 bei dieser alternativen Antriebstechnik zu gewährleisten. Eine weitere und unabdingbare Herausforderung, welche mit dem erhöhten Lärmpegel einhergeht, betrifft den Komfort der Flugzeugpassagiere. Durch die starke akustische Anregung auf der Außenhaut der Flugzeugkabine ist auch ein erhöhter Lärmpegel innerhalb der Flugzeugkabine unausweichlich. Dieser Zustand kann, ohne weitere Gegenmaßnahmen, auch gesundheitliche Folgen für die Passagiere haben. Ein besseres Verständnis des dynamischen und akustischen Verhaltens einer Flugzeugstruktur ermöglicht es, neue und kommerziell erfolgreiche Lärmminderungsmaßnahmen zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden schon frühzeitig in der Entwicklungsphase numerische Modelle eingesetzt. Der für die Akustik relevante Frequenzbereich bei tonaler Anregung durch die Turbopropturbinen ist der sogenannte mittlere Frequenzbereich. Numerische strukturdynamische Modelle, welche für vibroakustische Vorhersagen und Analysen eingesetzt werden, zeigen in dem mittleren Frequenzbereich oft signifikante Abweichungen zu experimentell ermittelten Daten. Die übliche Modellkorrelation, basierend auf experimentell ermittelten modalen Parametern, ist aufgrund der hohen modalen Dichte, die eine solche Flugzeugrumpfstruktur in diesem Frequenzbereich aufweist, fast unmöglich. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, welche eine aussagekräftige Korrelation zwischen den Ergebnissen eines Vibrationstests einer Flugzeugrumpfstruktur und deren numerischen Vorhersagen sowohl im tiefen als auch im mittleren bis hohen Frequenzbereich liefert. Die in dieser Arbeit angewendete und neue Methode zur Modellkorrelation wurde von der Statistical Energy Analysis (SEA) inspiriert. Die SEA ist eine auf kinetischen Energien basierende Methode für die Vorhersage von Lärm- und Schwingungspegeln im hohen Frequenzbereich. Bei der SEA wird die Struktur in leicht gekoppelte Substrukturen unterteilt und der kinetische Energiegehalt der Substrukturen in zuvor definierten Frequenzbändern ermittelt. Bei der Vorhersage des kinetischen Energiegehalts einer Substruktur wird eine Analogie zum Wärmeaustausch zweier Strukturen genutzt. Denn auch die kinetische Energie der leicht gekoppelten Substrukturen folgt dem Energieerhaltungssatz. Grundsätzlich wird ein Ausgleich der Energieniveaus der einzelnen Substrukturen angestrebt. Der kinetische Energietransfer zwischen den Substrukturen lässt sich mit Hilfe von Kopplungsverlustfaktoren bestimmen. Diese Kopplungsverlustfaktoren lassen sich nicht nur modellieren, sondern auch experimentell aus der Anregungsenergie und den kinetischen Gesamtenergien der Substrukturen einer invarianten Gesamtstruktur ermitteln. Um die kinetische Gesamtenergie einer Substruktur experimentell zu analysieren, wird die diskrete kinetische Energie räumlich über Substrukturen und spektral über Frequenzbänder aufintegriert. Bei der in dieser Arbeit vorgestellten Methode zur Korrelation von experimentellen und simulierten Daten wird analog vorgegangen. Die räumlich und spektral integrierten kinetischen Energien dienen dem Korrelationskriterium als Korrelationsgröße. Das neue Korrelationskriterium gibt dem Anwender die Möglichkeit, weniger gut korrelierende Frequenzbänder zu identifizieren. In diesen Frequenzbändern muss das numerische strukturdynamische Modell angepasst werden, um die Korrelation zu den Testergebnissen im mittleren und hohen Frequenzbereich zu erhöhen. Auch zeigt die Methode, in welchen Bereichen der Struktur eine solche Anpassung notwendig ist. Mit den räumlich und spektral integrierten Energieverteilungen ist es zudem möglich, stark lokales Schwingungsverhalten einfacher zu interpretieren. Energietransferpfade und kinetisch energiereiche Bereiche einer Struktur sind aufgrund des unregelmäßigen Charakters des lokalen Schwingungsverhaltens oft schwierig zu identifizieren. Die integrierten Energieverteilungen liefern eine gemittelte bzw. globale Betrachtung des lokalen Schwingungsverhaltens. Große Abweichungen in einzelnen Bereichen der integrierten kinetischen Energieverteilung zwischen numerischen Modellen und Testmodellen deuten auf nicht berücksichtigte Transferpfade hin. Diese sowohl räumlich als auch spektral globalisierende und mittelnde Eigenschaft der integrierten kinetischen Energieverteilungen ermöglicht eine gezielte Anpassung, der für die Vorhersage struktureller und akustischer Eigenschaften bzw. Schwingungsbarkeit des neuen Korrelationskriteriums mit realen Testdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass das neue Korrelationskriterium zu einer robusten und aussagekräftigen Korrelation führt, auch in Gegenwart von Unsicherheiten in Modellparametern oder aufgrund von Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs in tiefen, mittleren und hohen Frequenzbereich. Eine solche Einteilung ist wichtig, um den Gültigkeitsbereich einzelner Verfahren und Vorhersagemethoden, bezüglich vibroakustischer Problemstellungen, aus den gemessenen Übertragungsfunktionen einer realen Strukturen zu identifizieren. Der tiefe Frequenzbereich ist geprägt von einzelnen, eindeutig trennbaren Resonanzstellen und einem globalen Schwingungsverhalten der Struktur. Den hohen Frequenzbereich wiederum kennzeichnet meist eine hohe modale Dichte, starke modale Überlappung und zudem ein stark lokales Schwingungsverhalten. Der Übergangsbereich zwischen tiefem und hohem Frequenzbereich definiert den mittleren Frequenzbereich. Die in dieser Arbeit neu vorgestellte Methode zur Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs in einen tiefen, mittleren und hohen Frequenzbereich basiert auf einer Strukturwellenzahlanalyse. Die Strukturwellen einzeln gemessener Betriebsschwingungsformen lassen sich mit Hilfe einer 2D-Fourier-Transformation identifizieren. Eine Analyse dieser Strukturwellen gibt Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten einzelner Strukturkomponenten und ermöglicht sowohl eine Charakterisierung des Schwingungsverhaltens der Gesamtstruktur als auch die Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs. Mit Hilfe der Wellenzahlanalyse lassen sich die Frequenzbereiche globalen und lokalen Schwingungsverhaltens voneinander trennen. Diese Arbeit erörtert, anhand der gemessenen Schwingungsantworten einer Flugzeugrumpf-ähnlichen Laborstruktur, das Prinzip der Wellenzahlanalyse und nimmt eine Einteilung des gemessenen Frequenzbereichs vor

Formalized Knowledge Management for the Aircraft Cabin Design Process

The design process of an aircraft cabin as well as the cabin systems are driven by design rules and certification requirements. These are necessary to ensure a secure air travel. Furthermore, the cabin should provide a comfortable area for the passengers and a pleasant working environment for the cabin crew. To improve the flight experience and to generate new use cases for the airlines, new technologies and innovations are required. However, the cabin itself is a complex system, which is subdivided into many subsystems (System of Systems). In addition, the interactions of the different systems may not be directly apparent for the partners involved. For that reason, this paper demonstrates a framework for the methodical design of an aircraft cabin and its systems. Therefore, a Central Data Model is established where the design knowledge, the requirements and the connections of the systems are formalized. The parameters are then used to automatically design the cabin systems. Subsequently, the data created in the model is linked with the 3D-geometries of the components and visualized using a virtual reality (VR) environment. Control elements make it possible to highlight relevant systems and their interdependences to get a more intuitive and enhanced overview for integrating new technologies or to evaluate the cabin design

An Approach for Linking Heterogenous and Domain-Specific Models to Investigate Cabin System Variants

This paper presents an approach to link heterogeneous and domain-specific models. The background of this research is the complete investigation and comparison of cabin system variants, where many different aspects have to be represented. These include functional requirements, safety regulations, and geometric properties (e.g. installation space). However, these cannot always be validated or represented with just one model, as different levels of detail are required. Therefore, different discipline models have to be created, which in turn increases the complexity as a whole. Furthermore, the system to be represented by the models, such as the aircraft cabin, is already complex in itself. The many dependencies among each other and subsystems make it difficult to integrate new variants or technologies (e.g. liquid hydrogen) into the existing system architecture. The approach presented here therefore shows how the data and models of the different disciplines can interact with each other in order to be able to investigate variants holistically. This is demonstrated using the design of hatrack variants for a commercial aircraft

A collaborative knowledge-based method for the interactive development of cabin systems in virtual reality

Progressive digitization in the development phase of systems is leading to shorter development times and lower costs. At the same time, the interactions in more complex systems are increasing and become more nested, which affects the understanding of system dependencies for humans as well as modeling these. This results in the challenge of digitizing the knowledge (rules, regulations, requirements, etc.) required to describe the system and its interrelationships. An example of such a system is the aircraft. In practice, usually, the technical design of the cabin and its systems is done separately from the preliminary aircraft design and the cabin results will be integrated late in the aircraft development process. In this paper, a proposal is given for a conceptual design method that enables a cabin systems layout based on preliminary aircraft design data (parameter set). Therefore, a central data model is developed that links cabin components to several disciplines to enable an automated layout. Here, knowledge is stored in an ontology. Linking the ontology with design rules and importing external parameters, missing information needed for preliminary design of cabin systems can be generated. The design rules are based on requirements, safety regulations as well as expert knowledge for design interpretation that has been collected and formalized. Using the ontology, an XML data structure can be instantiated which contains all information about properties, system relationships and requirements. So, the metadata and results of heterogenous domain-specific models and software tools are accessible for all experts of the layout process in a holistic manner and ensure data consistency. Using this XML data structure, a 3D virtual cabin mockup is created in which users have the possibility to interact with cabin modules and system components via controllers. This virtual development platform enables an interaction with complex product data sets like the XML file by visualizing metadata and analysis results along with the cabin geometry, making it even better comprehensible and processable for humans. So, various new cabin system designs can be iterated, evaluated, and optimized at low cost before the concepts are validated in a real prototype. For this, the virtual environment provides a platform that integrates all related disciplines, experts, research partners or the entire supply chain to improve communication among all stakeholders by directly participating and intervening in the evaluation and optimization process. Moreover, the use of VR is being investigated as a new technology in pre-design phase to exploit the potential of knowledge acquisition in immersive environments early in the development stage

Model-based design and multidisciplinary optimization of complex system architectures in the aircraft cabin

The aviation industry is currently facing major challenges due to environmental and socio-economic trends toward sustainable and digitalized aviation. Revolutionary, more powerful and efficient technologies must be rapidly integrated into aircraft,while aircraft manufacturers must demonstrate the required safety. To support the implementation of new concepts, the DLR Institute of System Architectures in Aeronautics is researching methods for end-to-end digitalization from the preliminary design phase to assembly and production. In this context, Model-Based Systems Engineering (MBSE) and Multidisciplinary Design Optimization are important approaches for the development of complex systems. This paper presents a method for the end-to-end use of digital models for multidisciplinary optimization of system architectures. The Systems Modeling Language (SysML) is used to represent the system architecture. The focus is on the cabin and cabin systems, since theyare highly coupled to other aircraft systems and have dynamic, customer-specific configuration requirements. The system architecture in SysML is instantiated and configured by the interface to the aircraft fuselage and cabin design parameter sets in the Common Parametric Configuration Schema. The subsequent coupling of the generated system architecture model with the cabin system design model developed in Matlab allows a multidisciplinary optimization of the system properties. A sensitivity analysis is performed using the Passenger Service Unit as an example. The effects of different cabin configurations on the system architecture are investigated and interdisciplinary synergies are identified and analyzed. The results of this analysis are discussed in this paper

Multi-fidelity Parametric Cabin Component Modeling Approach for Application-driven Geometry Generation

The aircraft cabin geometry is essential at many stages of the aircraft design process, ranging from preliminary design to detailed virtualisation. At each stage, for analysis purposes, a geometry model with an appropriate fidelity level is required. The aircraft cabin includes full-height components like closets, galley, and lavatory. This paper proposes a methodology, which derives CAD geometry for aircraft cabin full-height components from a set of design parameters at multiple distinct fidelity levels. Based on the complexity and for demonstration purposes, the galley model is selected.The galley's parametric description is based on data provided by the Common Parametric Aircraft Configuration Schema (CPACS), an established data model for aircraft design, and enhanced by component-specific parameters. The multi-fidelity model is the combination of low fidelity and high-fidelity models based on this description. The CAD geometry generation has been implemented using the Open Cascade Technology (OCCT) library. The multi-fidelity model provides consistent CAD geometry according to the model generation requirements of different disciplines based on the same set of parameters. The approach presented helps to accelerate multi-disciplinary design cycles, as tailored geometry with as little overhead as possible is available for disciplinary model generation. The CAD geometry generated in this model can be applied to experience aircraft cabin designs in virtual reality or to analysesthe dependencies between the aircraft cabin components and other systems. Furthermore, it can be used to validate the proposed enhanced cabin schema containing more detailed data about the cabin components

Virtual reconfiguration and assessment of aircraft cabins using model-based systems engineering

In order to create a detailed digital cabin, virtual models are combined with the geometric data of physical cabin components. This digital cabin can be used to analyse maintenance times, find optimization potential or test the integration of new technologies (e.g. hydrogen powered systems). This requires different levels of detail of the virtual cabin model as well as an automated data (e.g. 3D models, parameters) transfer infrastructure between them. However, this model structure is challenged by the complexity of the system to be mapped due to subsystems and interconnections. In addition, it requires an integration and preparation of the transmitted data (3D models, process data). This paper presents a method that addresses these challenges and introduces an architecture for building a virtual cabin for reconfiguration and analysis of new cabin variants. Model-based systems engineering is used to create a digital model of the aircraft cabin and its systems. The model is used for an automated reconfiguration of the cabin and consists of formalized knowledge and requirements. In addition, a 3D scan process is applied that digitizes the physical cabin subcomponents (e.g. riser duct) to increase the level of detail and to consider uncertainties. Subsequently, all data and models are visualized in a virtual reality environment in which users can interact with it and make direct changes to the layout. These changes are automatically transferred to the conceptual cabin design process for an automated reconfiguration and examination of the layout regarding the requirements. As a result, a baseline architecture for the digital cabin has been created, which enables fast system reconfigurability, traceability of changes, identification of interdependencies, and investigation of new cabin variations (retrofit)

Applying an Interior VR Co-Design Approach for the Medical Deployment Vehicle of the Future

Designing the cabin of future rescue helicopter concepts is characterized by a high level of complexity. Besides the technical and mission-specific requirements of the helicopter system, new cabin designs must particularly meet the individual requirements to provide a high level of functionality and usability for all user groups. In addition, the prototyping, planning and execution of user tests is enormously time-consuming and costly, which increases the complexity of the development process. The implementation of a user-centered design approach in conjunction with an optimized prototyping and feedback process can provide an effective solution in this context. Therefore, this paper aims to present the applied Co-Design process for the design of a novel rescue helicopter cabin using an immersive prototyping and feedback process. As part of this approach, the focus is on conducting and evaluating user workshops with a particular emphasis on medical crew and pilots with experience in air rescue. The first phase of each workshop initially involves exchanging experiences, challenges, and problem scenarios from daily operations through a discussion among participants. The second workshop phase involves brainstorming and idea exchange for a novel concept using a digital concept board and notes. With the help of a moderator, these ideas are then transferred to the virtual reality mockup using the Gravity Sketch tool and reevaluated and optimized by participants in real-time. This approach provides a significant contribution to the development of a future emergency medical deployment vehicle concept for the DLR project Chaser in course of the DLR guiding concept 4 “Rescue Helicopter 2030”. Moreover, the combination between the Co-Design process and the immersive prototyping and optimization approach in virtual reality offers new and effective opportunities for a more efficient and user-centered cabin design. Additionally, this approach can be applied to the design of further and future cabin concepts, making them more tangible and evaluable for end-users