Charakterisierung und Modellierung des Dämpfungsverhaltens von hybriden Faser-Metall-Elastomer-Laminaten

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. ... mehrDer 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.

The persistent use of lightweight materials often leads to a reduction of the damping properties of the structures built from them, since materials that are particularly suitable for lightweight design applications usually exhibit low mechanical loss factors at high density specific Young's moduli. On the one hand, this can result in higher stresses for the material in case of an excitation at resonance, and on the other hand, the comfort or the precision to be achieved can be reduced by unwanted vibrations. The use of hybrid material systems can be used to optimize the material combination for a possible damping application. ... mehrThe layered structure of load-bearing face and middle layers separated by a visco-elastic damping layer can lead to a deliberately adjustable damping behavior.
The material, which is based on conventional fiber-metal laminates, consists of carbon fiber reinforced plastic layers, elastomer layers in different thicknesses and two different moduli as well as aluminum sheets. In this work the vibration and damping behavior of these hybrid laminates was characterized and modeled analytically. Therefore, the temperature and frequency dependent viscoelastic material properties of the polymeric constituents were characterized by dynamic mechanical and modal analysis. The resulting material data were used to investigate and analytically model the damping behavior in the hybrid composite based on the effects of the individual constituents and their interaction.
The characterization of the hybrid laminate structures was carried out by means of quasi-static three-point-bending tests, in which the shear behavior of the elastomer layers in the composite was measured by using digital image correlation during the loading. Based on these tests, the temperature and frequency dependent damping behavior under the same loading was characterized in dynamic mechanical analyses. By means of modal analyses on simple beam geometries, plane panels and three-dimensional components, a wavelength- and mode-specific damping and vibration behavior was characterized. The propagation and attenuation of running waves on a plate geometry were also investigated.
The hybrid material combination showed that different damping mechanisms dominate in different temperature and frequency ranges. By selectively changing individual material parameters, such as single layer thickness or fiber orientation, a positive effect of hybridization could be demonstrated, leading to an increase of the density specific stiffness and damping.