Schallabstrahlung bei nichtlinearem und lokal variierendem Dämpfungsverhalten von Mehrlagenverbunden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes „Schallabstrahlung bei nichtlinearem und lokal variierendem Dämpfungsverhalten von Mehrlagenverbunden“ wurden verschiedene Verbundwerkstoffe sowohl mit großem Dämpfungsvermögen als auch mit großen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten hinsichtlich ihres Dissipationsvermögens untersucht. Dies ermöglicht die präzise Simulation der Schallabstrahlung dünnwandiger Strukturbauteile basierend auf deren vibroakustischem Verhalten. Die Eigenschaften der Verbunde sind insbesondere durch Grenzflächen und lokale Inhomogenitäten unsicherheitsbehaftet und weisen teils starke Nichtlinearitäten auf. Basierend auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen anhand von Kragbalken mit variabler Anfangsauslenkung wurden Modelle zur Beschreibung des amplitudenabhängigen Dämpfungsverhaltens abgeleitet und parametrisiert. Die Amplitudenabhängigkeit ist daher sowohl in den nachgiebigen polymeren Bereichen als auch in den metallischen Decklagen nachweisbar. Im akustisch relevanten Bereich geringer Schwingungsamplituden im Bereich sind diese Effekte aber maßgeblich seitens der schubweichen Polymerkerne der Metall- Kunststoff-Verbunde zu finden. Bei Faser-Kunststoff-Verbunden sind deutlich größere Auslenkungen erforderlich, um diese Wirkung hervorrufen zu können. Durch Analyse der Dehnungsenergie im Rahmen von FEM-Struktursimulationen können die sowohl Homogenisierungstechniken für die Dämpfung der Verbundwerkstoffe als auch Aussagen zum Auftreten der Amplitudenabhängigkeit gewonnen werden. Dieser Ansatz ist sowohl für Materialien mit isotropen als auch mit beispielsweise durch Faserverstärkungen anisotropen Eigenschaften anwendbar. Zur Beschreibung der Schallabstrahlung konnte darüber hinaus ein sehr effizienter semianalytischer Ansatz entwickelt werden. Die enthaltenen Formulierungen geben Aufschluss über die Frequenzcharakteristik der Schallabstrahlung einzelner Moden. Die enthaltene Dämpfung ermöglicht zudem, deren Einfluss zu quantifizieren. In Bezug auf die Rechenzeit bietet die stochastische FEM-Analyse auf Basis des nichtinvasiven Verfahrens eine sehr effiziente Methode, um die Auswirkungen von Unsicherheiten in Simulationen zu berücksichtigen. Der Hauptbeitrag der Methode ist die Darstellung der zufälligen Parameter unter Verwendung einer analytischen Zufallsfunktion, zum Beispiel mittels der gPC-Entwicklung. Das Verfahren bietet den großen Vorteil, dass anstelle der Zufallsparameter die deterministischen Koeffizienten berechnet werden. Die stochastische Simulation verwendet Kollokationspunkte der Zufallsvariablen. Es wurde gezeigt, dass im Vergleich zu stichprobenbasierten Methoden wie Monte Carlo Simulation nur wenige Erkenntnisse über die Systemreaktionen erforderlich sind. Das Verfahren wurde insbesondere für die Dynamikanalyse von GF-PA6 Platten angewendet, um die Unsicherheiten in Faserorientierungen jeder Lage unabhängig von anderen Lagen zu erfassen und mit der FEM-Methode zu verbinden. Es ist gezeigt worden, dass die Eigenfrequenzen und Schwingungsmoden der Platten durch Unsicherheiten in der Faserorientierung beeinflusst werden. Die erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Auswirkungen der Unsicherheiten bei tiefen Frequenzen ignoriert werden können, aber diese Unsicherheiten dominante Einflüsse auf die Strukturreaktionen bei hohen Frequenzen haben. Die Ergebnisse zeigen, dass bei etwa 10% Schwankungen der ersten modalen Dämpfung die minimalen Übertragungsverluste in Höhe von 7% variieren. Es wurde auch gezeigt, dass die Methode hinreichend genaue Ergebnisse im Vergleich zu empirischen Daten liefert. Die Eigenfrequenzen werden in geringerem Maße von Unsicherheiten in Bezug auf die Dämpfungsparameter beeinflusst.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Uncertainty quantification in natural frequencies and radiated acoustic power of composite plates: Analytical and experimental investigation, Applied Acoustics, Vol. 87, S. 23-29, 2015
Sepahvand, K.; Scheffler, M.; Marburg, S.
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Acoustic transmission loss of fiber composite structures with random damping, INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, InterNoise16, Hamburg GERMANY, p. 886-1878, 2016
Sepahvand, K.
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Modelling and FEA-simulation of the anisotropic damping of thermoplastic composites, Advances in Aircraft and Spacecraft Science, 3(3), S. 331-349, 2016
Klaerner, M., Wuehrl, M., Kroll, L., Marburg, S.
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Spectral stochastic finite element vibration analysis of fiber-reinforced composites with random fiber orientation, Composite Structures, Vol. 145, S.119-128, 2016
Sepahvand, K.
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FEA-based methods for optimising structure-borne sound radiation, Mechanical Systems and Signal Processing, 89, S. 37-47, 2017
Klaerner, M., Wuehrl, M., Kroll, L., Marburg, S.
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Efficient Vibro-Acoustic Optimisation of a Thermoplastic Composite Oil Pan, SAE Technical Papers
Klaerner, M., Wuehrl, M., Kroll, L., Marburg, S.
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Spectral Representation of Uncertainty in Experimental Vibration Modal Data, Advances in Acoustics and Vibration, 2018
Sepahvand, K.; Geweth, Ch. A.; Saati, F.; Klaerner, M.; Kroll, L.; Marburg; S.
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Accuracy of vibro-acoustic computations using non-equidistant frequency spacing, Applied Acoustics, 145, S. 60-68, 2019
Klaerner, M., Wuehrl, M., Kroll, L., Marburg, S.
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Amplitude-Dependent Damping: Experimental Determination and Functional Interpretation for Metal-Plastic Composites, International Journal of Structural Stability and Dynamics, 19 (05), 1941001, 2019
Klaerner, M., Wuehrl, M., Kroll, L., Marburg, S.
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Stochastic non-parametric identification in composite structures using experimental modal data, UNCECOMP 2019, 3rd ECCOMAS Thematic Conference on Uncertainty Quantification in Computational Sciences and Engineering, Crete, Greece, 24–26 June 2019
Chandra, S.; Sepahvand, K.; Geweth, Ch. A.; Saati, F,; Marburg, S.
