Benchmark von FE-Rumpfmodellierungsansätzen für vibroakustische Kabinenlärmuntersuchungen

Kurzfassung

Aufgrund der Zielsetzung des European Green Deal liegt ein wesentlicher Fokus der Luftfahrtforschung auf der Entwicklung neuartiger Flugzeugkonfigurationen mit emissionsarmen Antriebssystemen unter Berücksichtigung nachhaltiger Brennstoffe. Zwischen einer wirksamen Reduktion des spezifischen Treibstoffverbrauchs und den Anforderungen an den akustischen Komfort in der Flugzeugkabine besteht jedoch ein deutlicher Zielkonflikt, da insbesondere effiziente Antriebssysteme, wie Open Rotor Triebwerke, zu erhöhtem Lärmpegel in der Kabine führen. Um nachträgliche Maßnahmen zur Lärmminderung, welche sowohl kostenintensiv sind als auch mit zusätzlicher Masse einhergehen, zu vermeiden, werden zwangsläufig vibroakustische Modelle für die Kabinenlärmbewertung solcher Konzepte bereits in frühen Entwurfsphasen benötigt. Hierfür werden gegenwärtig überwiegend detaillierte FE-Rumpfmodelle eingesetzt, in denen Strukturkomponenten ausschließlich durch Schalenelemente ausmodelliert und Nietverbindungen explizit berücksichtigt werden, da dieser Ansatz die höchste Modelltreue für die Kabinenlärmvorhersage verspricht. Zusammen mit einer wellenzahlaufgelösten Element-Diskretisierung sind solche Modelle jedoch mit hohem numerischem Aufwand verbunden. Dies gilt insbesondere für umfassende Kabinenlärmuntersuchungen, in denen mehrere hundert Frequenzlinien simuliert werden müssen. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit zwei alternative Rumpfmodellierungsansätze für den FEM-Solver NASTRAN, die dem hochdetaillierten Referenzmodell gegenübergestellt werden: Ein Modell, in dem die strukturelle Kopplung anstelle von Nietelementen über kontaktflächenbasierte Formulierungen erfolgt, sowie ein Modell, in dem balkenförmige Strukturen, beispielsweise Stringer und Spante, durch Balkenelemente unter Berücksichtigung einer knotenkonformen Vernetzung idealisiert werden. Die Untersuchung stützt sich auf den Abgleich numerischer Ergebnisse mit experimentellen Daten der Forschungsplattform Acoustic Flight-Lab, die eine vereinfachte A320-Rumpfstruktur repräsentiert. Die Modellgenerierung erfolgt mit FUGA (Fuselage Geometry Assembler) auf Basis von Flugzeugentwurfsdaten im CPACS-Format (Common Parametric Aircraft Configuration Schema). Die Ansätze werden hinsichtlich ihrer Modellgüte für die Kabinenlärmbewertung anhand geeigneter Korrelationskriterien, ihres nutzbaren Frequenzbereichs sowie ihres Ressourcenverbrauchs verglichen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Frage, inwieweit insbesondere das kontaktflächenbasierte Modell als recheneffizientere Ersatzmodellierung des detaillierten Nietmodells eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen zukünftig als Grundlage für die Auswahl des Rumpfmodellierungsansatzes für Flugzeug-Vorentwurfsmodelle dienen.