Vibes brengt simulatie en experiment samen voor grote voertuigproducenten

Trillingen en geluid spelen een belangrijke rol bij veel alledaagse producten om ons heen, zonder dat we ons daarvan altijd bewust zijn. Een aansprekend voorbeeld is het rijcomfort van auto’s, dat te maken heeft met de voelbare trillingen van de weg en het hoorbare geluid van bijvoorbeeld de motor, de banden en de aerodynamica. De voortschrijdende trend van elektrificatie van de aandrijflijn én de toename van mechatronische systemen aan boord voegen daar tal van hoogfrequente geluiden aan toe. Dit stelt nog hogere eisen aan het trillings- en geluidsontwerp. Immers, een comfortabele en stille rijervaring draagt bij aan een gevoel van premiumness – iets dat allang niet meer alleen is weggelegd voor het topsegment van de automobielindustrie.

Andere gebieden waar trillingen een belangrijke rol spelen, zijn bijvoorbeeld (offshore) windturbines, hightech precisiemachinebouw en uiteraard de lucht- en scheepvaart. Een gemeenschappelijke trend in deze industrieën is de toename van modulair ontwerp, waarbij onderdelen door verschillende leveranciers worden ontwikkeld en geproduceerd. Ook dit stelt grote uitdagingen aan het trillings- en geluidsontwerp, dat met de huidige technieken alleen goed kan worden beschouwd wanneer het complete product is samengebouwd. Met andere woorden: een degelijke trillingsanalyse kan typisch pas worden uitgevoerd in de laatste fase van productontwikkeling. Dit leidt tot onnodige iteratieve ontwerpcycli waarbij meermaals relatief kleine veranderingen worden gemaakt aan de laatste prototypes van het eindproduct. Kostbaar, tijdrovend en ineffectief, als je het de oprichters van Vibes.technology vraagt.

Verdeel en heers

Vibes vindt het antwoord op dit probleem in de wetenschap van structuurdynamica. De vier oprichters, allen afkomstig van de TU Delft, zijn jarenlang actief betrokken geweest in onderzoeksprojecten en hebben nieuwe methodes ontwikkeld en gepubliceerd op het gebied van dynamic substructuring. Met deze technologie kunnen structuurdynamische modellen van componenten (de zogeheten substructuren) aan elkaar worden gekoppeld, waardoor de trillingseigenschappen (en daarmee ook het geluid) van het totale product kunnen worden gesimuleerd. Zodoende komen trillingsproblemen vroegtijdig aan het licht, wat een enorme tijd- en kostenbesparing oplevert.

Dynamic substructuring is een zeer populair onderzoeksthema omdat het perfect inspeelt op de modularisering van productontwikkeling. Het concept stamt uit de jaren zestig en wordt vaak gerelateerd aan de aloude strategie van ‘verdeel en heers’. Zo werd substructuring oorspronkelijk in de vliegtuigbouw toegepast om grote computermodellen op te splitsen in kleinere delen, die op hun beurt kunnen worden geanalyseerd met minder rekenkracht. Een ingenieur kan vervolgens de losse delen samenbouwen en de eigenschappen van het gehele product bepalen op een veel efficiëntere wijze. De substructuringmethodes worden traditioneel dus toegepast op het koppelen van numerieke modellen, die tegenwoordig standaard te berekenen zijn met cad/cae-softwarepakketten zoals MSC Nastran, Ansys en Solidworks.

Numerieke nauwkeurigheid

Een veel recentere trend binnen dynamic substructuring is het modelleren op basis van structuurdynamische metingen aan componenten. Jarenlang werden metingen alleen gebruikt om een numeriek verkregen model te valideren, door middel van methodes als experimentele modaalanalyse. En hoewel de numerieke technologie goed in staat is om het laagfrequente dynamische gedrag te simuleren (denk aan het rijcomfort van een auto), biedt zij zelden een betrouwbaar antwoord voor het hoogfrequentere akoestische bereik.

Metingen aan fysieke componenten beschrijven daartegen de ‘echte’ structuureigenschappen. Het ligt dus voor de hand om deze experimenteel bepaalde structuureigenschappen mede te gebruiken in het ontwerpproces. Dit betekent dat hybride simulaties mogelijk worden, waarbij numerieke én experimentele modellen worden gecombineerd door middel van dynamic substructuring. Een ingenieur krijgt hiermee de vrijheid om de meest optimale en efficiënte methode te gebruiken voor elk onderdeel, gebruikmakend van de fysieke onderdelen die in een vroege fase van ontwerp al beschikbaar zijn.

Een van de grootste uitdagingen schuilt echter in het experimenteel modelleren van componenten. Om werkelijk een brug te slaan tussen numerieke en experimentele structuurdynamica is het noodzakelijk het experiment met ‘numerieke nauwkeurigheid’ uit te voeren. Enerzijds vergt dit een cultuurverandering ten aanzien van het gebruik van metingen: de industrie moet inzien dat metingen wel degelijk de benodigde nauwkeurigheid kunnen bieden om van waarde te zijn in een vroege ontwerpfase.

Maar de grootste transformatie zit in het uitvoeren ervan, zodanig dat die nauwkeurigheid wordt behaald. Een ingenieur moet bijvoorbeeld precies weten waar trillingssensoren op een structuur moeten worden geplakt. Daarna moet de gehele meting in verband worden gebracht met de koppelpunten naar de verbonden structuren, zodanig dat dynamic substructuring kan worden uitgevoerd. Dit vergt jarenlange ervaring en een diep begrip van structuurdynamica, waardoor experimenteel modelleren tot dusver voornamelijk een academische exercitie bleef.

Rapid prototyping

Vibes wil deze drempel verlagen en de technologie beschikbaar maken voor elke ingenieur. De van de TU Delft afkomstige oprichters bundelen daartoe hun gezamenlijke ervaring uit industriële projecten en twee promotieonderzoeken, opgedaan over de afgelopen tien jaar. De combinatie van praktijkervaring en wetenschappelijk onderzoek heeft geleid tot een aantal methodes die het gehele experiment eenvoudig en inzichtelijk maken. Hierdoor wordt experimenteel modelleren uitvoerbaar voor elke ingenieur en dus ook economisch haalbaar voor industriële ontwikkelprocessen. Met de opkomst van rapid prototyping zal dynamic substructuring met experimentele modellen nog interessanter worden. Het vervaardigen van een prototype onderdeel zal snel en goedkoop worden en de ingenieur zal zich meer en meer kunnen afvragen op welke manier hij zo kostenefficiënt mogelijk een nauwkeurig model verkrijgt.

Momenteel werkt Vibes aan applicaties die de ingenieur begeleiden in alle stappen van experimenteel modelleren en nauw aansluiten op zowel de meettechniek als simulatiestandaarden. Dit geeft ons de mogelijkheid om de technologie op te schalen en ook oplossingen te bieden aan aanverwante markten, zoals de luchtvaart en scheepsbouw. Tegelijkertijd onderhouden we nauwe contacten met de technische universiteiten van Delft en München om de technologische pionierspositie van Vibes te waarborgen. Voor het komende jaar staan verschillende industriële projecten en demonstraties op internationale beurzen op de planning.