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TU Berlin

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Dr.-Ing. Torsten Kohrs

Ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Wellenausbreitung in Leichtbauprofilen mit fachwerkähnlichem Kern

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Körperschallausbreitung in Leichtbauprofilen mit fachwerkähnlichem Kern. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung eines vereinfachten, zweidimensionalen Modells, das auf gekoppelten, analytisch zu beschreibenden Balken beruht. Es repräsentiert einen schmalen Streifen der Leichtbauplatte oder kann als Modell für Linienkrafterregung parallel zu den inneren Stegen verwendet werden. Nach der Modellentwicklung und der experimentellen Validierung wird es für die Untersuchung der Wellenausbreitung in Leichtbau-Plattenstreifen verwendet. Eine Studie unter Berücksichtigung unterschiedlicher grundsätzlicher Fachwerkkonstruktionen mit schrägen und geraden Versteifungen zeigt deutliche, prinzipielle Unterschiede. Typische Effekte periodischer Systeme werden nachgewiesen, insbesondere für Profilstreifen mit ausschließlich vertikalen Versteifungen. Die fertigungsbedingten radialen Übergänge an den Verbindungsstellen angrenzender Stege führen zu einer deutlichen Versteifung, während die zusätzliche Masse an diesen Stellen von untergeordneter Bedeutung ist. Der Wellenzahl-Inhalt von periodischen Leichtbauprofilstreifen wird unter Verwendung der Theorie mehrfach gekoppelter periodischer Systeme ermittelt, wobei die Dispersionseigenschaften typischer Profilgeometrien untersucht werden. Die Lösung des Eigenwertproblems für die Transfermatrizen bildet die Grundlage für das Verständnis der Wellenausbreitung in (unendlichen) Profilstreifen. Sechs charakteristische Wellen in jede Richtung werden identifiziert, die entweder ausbreitungsfähig, abklingend oder schwingend abklingend (komplex) sind. Jede charakteristische Welle enthält mehrere Wellenzahlkomponenten mit unterschiedlicher Amplitude, welche die so genannte 'Space harmonic series' bilden. Die ermittelten charakteristischen Wellenformen bilden die Grundlage für die Bestimmung der relativen Anteile in der 'Space harmonic series'. Mit Hilfe der dynamischen Steifigkeitsmatrix eines einzelnen Grundelements des periodischen Systems wird die Schwingungsantwort für unendliche Leichtbauprofilstreifen ermittelt. Die charakteristischen Wellenamplituden für ausgewählte Kraftanregungen in Verbindung mit den zugehörigen Wellenzahlspektren bilden die Grundlage für strukturakustische Untersuchungen. Die ermittelten Eingangsmobilitäten demonstrieren das typische Durchlass- und Sperrbandverhalten periodischer Systeme. Eine kurze Betrachtung des Einflusses von Periodizitätsabweichungen verdeutlicht, dass recht hohe, zufällige Längenänderungen der Grundelemente bis zu ca. 5 % nur einen geringen Einfluss auf die Strukturdynamik der Plattenstreifen haben.
Im zweiten Teil der Arbeit wird das Modell des zweidimensionalen Profilstreifens auf ein volles dreidimensionales Modell der Leichtbauplatte erweitert. Für die untersuchten Leichtbauprofile mit einer Periodizität in nur einer, der seitlichen Richtung, sind die Dispersionseigenschaften geprägt von einer frequenzabhängigen, stark gerichteten Wellenausbreitung, die im höheren Frequenzbereich in Erscheinung tritt. In diesen Bereichen sind lokale Schwingungsmuster von entscheidender Bedeutung. Für tiefe Frequenzen, in denen globale Plattenwellen vorherrschen, kann die Leichtbauplatte zu äquivalenten Platten reduziert werden. Für Profile mit Diagonalversteifung ist die globale Orthotropizität begrenzt und eine globale Biegewellenausbreitung ohne signifikante Richtungsabhängigkeit tritt auf. Für Profile, die ausschließlich vertikale Versteifungen aufweisen, kann ein stark orthotropes Verhalten mit deutlich höheren Wellenzahlen in lateraler Richtung, senkrecht zu den Versteifungen, beobachtet werden.
Das stark periodische Verhalten, das für die Profilstreifen beobachtet wird, wird in eine räumliche Verteilung von Sperr- und Durchlassbereichen überführt. Daraus ergibt sich, dass die Sperrbänder der zweidimensionalen Betrachtung für punkterregte Leichtbauplatten an Bedeutung verlieren. Dies manifestiert sich in steigenden Realteilen der Eingangsmobilitäten im Bereich der lateralen Sperrbänder. In diesen Frequenzbereichen wird die eingespeiste Körperschallleistung hauptsächlich in longitudinaler Richtung entlang der Versteifungen transportiert. Unterschiedliche Methoden für die Extraktion der theoretischen und experimentellen Dispersionseigenschaften werden angewendet und die Ergebnisse diskutiert. Die theoretischen Dispersionseigenschaften und Mobilitäten werden für die Leichtbau-Bodenplatte eines Regionalzuges ermittelt und durch Messungen validiert.

Dissertation : http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2008/2060/
Betreuer : Prof. Dr.-Ing. B.A.T. Petersson

Veröffentlichungen

T. Kohrs and B.A.T. Petersson (2006). Investigation of the two-dimensional wave propagation in typical light-weight profiles. Proceedings of the IX International Conference on Recent Advances in Structural Dynamics. Southampton, UK (CD).



Sarradj, E. and Geyer, T. and Brick, H. and Kirchner, K.-R. and Kohrs, T. (2012). Application of Beamforming and Deconvolution Techniques to Aeroacoustic Sources at Highspeed Trains. NOVEM - Noise and Vibration: Emerging Methods, Sorrento


Adresse

Dr.-Ing. Torsten Kohrs
Bombardier Transportation
PGR-TSSV
Am Rathenaupark
D-16761 Hennigsdorf
Tel.: +49 3302 89-4036
Fax: +49 3302 89-3669


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