This dissertation presents an exhaustive comparative study on optimization in structural acoustics. A combination of a commercially available finite element software package and additional user-written programs is used to modify the shape of a structure. This is done iteratively and without manual intervention to achieve significant improvements of the objective function. The optimization process continues automatically until the predefined maximum number of function evaluations is reached. The design variables are the structure's local geometry modification values at selected surface key-points. The objective of the optimization includes the minimization of the root mean square level of structure borne sound (a general measure of the vibrational sensitivity of a structure). In addition, the structural mass remains constant and the allowable ranges of design variable values are restricted by prescribed upper and lower limits. The optimization procedure is tested on the finite element model of a rectangular plate made of steel. Twelve different optimization methods are tested against each others. These methods are considered either as approximate or exact. The approximate optimization methods use either an approximated value of objective function, e.g., hybrid design of experiments and hybrid neural networks, or the approximated values of the first and the second derivatives of the objective function, e.g., method of feasible directions, sequential quadratic programming method, Newton method, limited memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno method for bound constrained problems, method of moving asymptotes, mid-range multi- oints method and controlled random search method. The exact optimization methods, e.g., genetic algorithms, tabu search and simulated annealing, are derivative-free methods and they use the exact value of objective function. Furthermore, a statistical approach is followed for the comparison of methods. Advantages and disadvantages of each optimization algorithm are reported in details. The rate of convergence (a measure of optimization speed) and the robustness level of each optimization method are evaluated. Some optimization methods are classified as fast, medium and slow. Method of moving asymptotes and mid-range multi-points method are introduced as the fastest methods. Finally, it is experienced that the use of e ective structural-acoustic analysis methods can drastically reduce the total optimization time. If the powerful optimization methods become equipped with effective (fast and reliable) structural acoustic analysis methods, then they can present more desirable optimization results in a shorter period of computation time. In this case, they can even be considered as a suitable replacement for the complex and the multi-stages hybrid optimization algorithms.

Die Eisenbahn wird in der Öffentlichkeit als umweltfreundliches Verkehrsmittel gesehen und ist für Personen und Fracht die bedeutendste Alternative zum Straßenverkehr. Die hohe Lärmbelastung, die die Bahn jedoch in Ballungsgebieten oder an stark belasteten Strecken verursacht, führt zu Akzeptanzproblemen in der Bevölkerung und zunehmend in der Politik. Eine Steigerung des Schienenverkehrs ist deshalb nur möglich, wenn die Schallabstrahlung der Schienenfahrzeuge in Zukunft spürbar reduziert werden kann. Im Geschwindigkeitsbereich des konventionellen Güter- und Personenverkehrs ist das Rollgeräusch die dominierende Schallquelle. Bei der Rollbewegung wird die Oberflächenrauheit von Rad und Schiene überfahren und wirkt als Erregung in der Kontaktzone. Rad und Schiene werden in Schwingung versetzt und strahlen Schall ab. Ziel dieser Arbeit ist es, einen ausführbaren CAE-Prozess aufzubauen und anzuwenden, der auf dem aktuellen Stand der Modellierungstechnik die Optimierung von Eisenbahnrädern nach akustischen Gesichtspunkten ermöglicht. Der Kernbestandteil dieses Prozesses sind effiziente Methoden, die es ermöglichen, für einen rotationssymmetrischen Radsatz binnen weniger Sekunden die im Rad-Schiene-System abgestrahlte Schallleistung zu berechnen. Die Modellierung der Schwingung und Schallabstrahlung des rotierenden Radsatzes bildet einen Schwerpunkt. Verschiedene Anregungshypothesen und -modelle werden gegenübergestellt und anhand eines Prüfstandsversuchs auf ihre Validität untersucht. Der Anregungsmechanismus des Rollgeräuschs wird aus der Literatur aufgearbeitet und ein Modell für die Schallvorhersage daraus entwickelt. Dabei spielt die Körperschallleistung des Rades eine entscheidende Rolle. Sie kann mit Hilfe der Ergebnisse einer numerischen Modalanalyse sehr schnell und automatisiert berechnet werden und stellt im Falle des Eisenbahnrades eine effiziente und brauchbare Alternative zu aufwendigen BEM-Simulationen dar. Die Wirkung der Rauheit wird mit einem Kontaktmodell untersucht und die Filterwirkung des Kontakts dabei ermittelt. Es werden Studien zur wegerregten Schwingung im Rad-Schiene-System vorgestellt, in denen sich einige Spezifika offenbaren. Nahe seinen Eigenfrequenzen zeigen sich für den Radsatz erwartungsgemäß erhöhte Schwingungsamplituden. Jedoch ist dies keine eigentliche Resonanz sondern ein Effekt von Antiresonanz bzw. Tilgung. Dies führt u. A. dazu, dass eine Erhöhung der Dämpfung zwar die Schwingung vermindert, die Wirkung jedoch weit hinter der unter Krafterregung zu erwartenden Reduktion zurückbleibt. Ein in ANSYS parametrisch modellierter Güterwagen-Radsatz wird hinsichtlich Masse und Schallleistung optimiert. Es zeigt sich ein Verbesserungspotenzial gegenüber beispielhaft gewählten Referenzradsätzen von ein bis drei Dezibel. Ein für den praktischen Einsatz verwendbares, akustisch optimiertes Rad ist im Rahmen der Arbeit nicht entwickelt worden. Der CAE-Prozess stellt jedoch ein Werkzeug dar, die konstruktiven Freiräume bei der Entwicklung von Radsätzen zielgerichtet so auszunutzen, dass hierbei ein möglichst leises Rad entsteht.