Ausnutzen des stoßinduzierten intermodalen gezielten Energietransfers zur passiven Beruhigung der resonant erzwungenen Schwingungen rotationsperiodischer Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Malte Krack
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514021014

Die derzeitig vorherrschende Praxis im Ingenieurwesen besteht darin, Nichtlinearitäten wann immer möglich zu vermeiden und sich fast ausschließlich auf die lineare Schwingungstheorie zu stützen. Die vorgeschlagene Forschung steht im Gegensatz zu diesem Paradigma, da sie die bewusst starke Nichtlinearität ausnutzt, um passiven, skalenübergreifenden Energietransfer zu ermöglichen (welcher keine Entsprechung im linearen Bereich hat), um auf passive, robuste und vorhersagbare Weise eine beispiellose Schwingungsminderung zu erreichen. Um den intensiven Energieübertragungen zu induzieren, wird ein kleiner Stoßkörper frei in einen Hohlraum der zu beruhigenden Struktur platziert. Ganz im Gegensatz zum Impact-Dämpfer ist es hier das Ziel, eine lokale Dissipation in der Kontaktregion zu vermeiden. Dies hat den großen Vorteil, dass Schäden vermieden werden und das Systemverhalten viel besser vorhergesagt werden kann, da keine empirischen Gesetze zur Beschreibung der inelastischen Stöße und plastischen Kontaktschäden benötigt werden. Anstatt die lokale Dissipation im Kontaktbereich zu nutzen, wird die passive Schwingungsminderung durch intermodalen gezielten Energietransfer (IMTET) erreicht, d. h. durch irreversiblen Energietransfer von den kritischen niederfrequenten Moden auf hochfrequente Moden, was einen doppelten Vorteil mit sich bringt: Erstens nimmt die Schwingungsamplitude mit zunehmender Frequenz ab und zweitens wird die Schwingungsenergie von den hochfrequenten Moden viel effektiver und schneller dissipiert. Der IMTET über Frequenzen (Skalen) hinweg, wie er in diesem Projekt zum Zweck der Schwingungsminderung vorgeschlagen wird, ist von analogen irreversiblen Energiekaskaden inspiriert, die häufig in natürlichen Systemen auftreten (z. B. bei turbulenter Strömung). Das Konzept des IMTET wurde erst vor kurzem entwickelt und bisher nur für den Fall einzelner Strukturen mit wohl-separierten Eigenfrequenzen analysiert. In diesem Projekt wird IMTET zum ersten Mal für den Fall von rotationsperiodischen Strukturen (die aufgrund ihrer Beinahe-Symmetrie von Natur aus eng beieinander liegende Eigenfrequenzen aufweisen) analysiert. In der Technik gibt es viele Beispiele für solche Strukturen, darunter beschaufelte Turbinenscheiben, Generatoren mit Wickelköpfen und Kühltürme mit Beinen. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf Resonanzschwingungen, für die die Wirksamkeit von IMTET und insbesondere die stoß-induzierte Streuung der Energie mit geeigneten analytischen, numerischen und experimentellen Methoden untersucht werden soll. Die Abhängigkeit von IMTET zwischen den Sektoren und innerhalb der Sektoren von der Verstimmung, der Stärke der Kopplung zwischen den Sektoren, der Zentrifugalbelastung und unterschiedlichen Dissipationsmechanismen (aerodynamisch vs. Material vs. Trockenreibung) soll erstmals analysiert werden. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit Prof. A. F. Vakakis als Mercator Fellow durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen