Charakterisierung und Modellierung des Dämpfungsverhaltens von hybriden Faser-Metall-Elastomer-Laminaten
Creators: name: Sessner, Vincent
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Hybrid
Constrained Layer Damping
Dämpfung
Elastomer
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
Faser-Metall-Laminat
Faser-Metall-Elastomer-Laminat
Charakterisierung
Modellierung
Modalanalyse
Dynamisch-mechanische Analyse

description: Die konsequente Anwendung von Leichtbaumaterialien rückt auch deren Dämpfungseigenschaften zunehmend in den Vordergrund. Materialien, die sich besonders für Leichtbauanwendungen eignen, führen oftmals zu einer Verschlechterung der Dämpfungseigenschaften, da Werkstoffe bei hohen dichtespezifischen E-Moduln üblicherweise geringe mechanische Verlustfaktoren aufweisen. Damit können sich zum einen höhere Belastungen für das Material im Falle von Anregungen im Resonanzbereich ergeben, zum anderen kann auch der Komfort oder die zu erzielende Präzision in Mess- oder Fertigungstechnischen Anwendungen durch ungewollte Vibrationen verringert werden. Der Einsatz von hybriden Materialsystemen kann dabei genutzt werden, um die Materialkombination gezielt auf eine mögliche Dämpfungsanwendung zu optimieren. Der schichtförmige Aufbau aus lasttragenden Rand- und Mittelschichten, die von einer viskoelastischen Dämpfungsschicht getrennt sind, kann dabei zu einem gezielt einstellbaren Dämpfungsverhalten führen. Die in Anlehnung an herkömmliche Faser-Metall-Laminate aufgebauten Materialien bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, Elastomerschichten in verschiedenen Dicken und zwei verschiedenen Härten sowie Aluminiumblechen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Vibrations- und Dämpfungsverhalten dieser hybriden Laminate charakterisiert und mit einer analytischen Modellierung abgeglichen. Dazu wurden die temperatur- und frequenzabhängigen viskoelastischen Materialeigenschaften der polymeren Konstituenten mit Hilfe von dynamisch-mechanischen Analysen und Modalanalysen charakterisiert. Die daraus gewonnenen Materialdaten wurden genutzt, um das Dämpfungsverhalten im hybriden Verbund auf Grundlage von Effekten der einzelnen Konstituenten und deren Interaktion zu untersuchen und analytisch zu modellieren. Die Charakterisierung der hybriden Laminataufbauten erfolgte mittels quasistatischen Drei-Punkt-Biegeversuchen, bei denen insbesondere das Scherverhalten der Elastomerschichten im Verbund mittels digitaler Bildkorrelation während der Belastung gemessen wurde. Auf Basis dieser Versuche wurde das temperatur- und frequenzabhängige Dämpfungsverhalten unter der gleichen Beanspruchung in dynamisch-mechanischen Analysen charakterisiert. Mit Hilfe von Modalanalysen an einfachen Balkengeometrien, ebenen Platten sowie dreidimensionalen Bauteilen wurde zusätzlich das wellenlängen- und modenspezifische Dämpfungsverhalten charakterisiert. Ebenso wurde die Ausbreitung und Dämpfung von laufenden Wellen an einer Plattengeometrie charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass durch die hybride Materialkombination verschiedene Dämpfungsmechanismen in unterschiedlichen Temperatur- bzw. Frequenzbereichen dominieren. Durch die gezielte Veränderung einzelner Materialparameter, wie der Einzelschichtdicke oder Faserorientierung konnte ein positiver Effekt der Hybridisierung nachgewiesen werden, der zu einer Erhöhung der dichtespezifischen Steifigkeit und der Dämpfung führte.