Constrained-layer damping in hybrid fibre metal elastomer laminates and its tolerance to damage

Faserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer herausragenden gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit häufig als Leichtbaumaterial verwendet. In Kombination mit zusätzlichen Metallschichten, allgemein als Faser-Metall-Laminate (FML) bezeichnet, bieten solche Hybride zusätzlich eine hohe Widerstandsfähigkeit und Toleranz gegenüber Schädigung. Wie bei den meisten Leichtbaumaterialien gehen diese Vorteile jedoch mit Nachteilen einher. Insbesondere die hohe Steifigkeit und die niedrige Massendichte solcher Materialien oder Materialsysteme machen die entsprechenden Strukturen anfällig für Schwingungen, da herkömmliche Leichtbaumaterialien in der Regel nur eine vernachlässigbare Materialdämpfung bieten. ... mehrDie Zugabe nachgiebiger Schichten aus viskoelastischen Elastomeren innerhalb des ansonsten steifen Laminats kann die erreichbare Dämpfung signifikant erhöhen. Dieses Prinzip ist als constrained-layer damping (CLD) bekannt. Eine solche Hybridisierung ermöglicht stark gedämpfte und leichte Laminatstrukturen, die auf spezifische Dämpfungseigenschaften abgestimmt werden können. Insbesondere untersucht diese Arbeit hybride Faser-Metall-Elastomer-Laminate (FMEL), bestehend aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), Aluminium und verschiedenen Elastomeren in unterschiedlichen Laminatkonfigurationen.

Diese hybriden FMEL bieten eine enorme Gestaltungsfreiheit hinsichtlich Materialauswahl, Schichtdicken und allgemeinem Laminataufbau. Da Herstellung und Charakterisierung neuer Laminate aufwendig sind, sind Vorhersagemodelle nötig, um optimale Designs im Voraus zu finden. Die Entwicklung eines solchen Modells steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Hierzu wird ein analytisches Modell auf Basis einer Platten­theorie zur schnellen und präzisen Vorhersage des statischen Verformungsverhaltens, der modalen Eigenschaften und der Antwort auf erzwungene Schwingung der Laminate präsentiert. Anschließende Studien, die dieses Modell anwenden, untersuchen verschiedene FMEL hinsichtlich ihres Dämpfungsverhaltens, um allgemeine Zusammenhänge zwischen Laminatparametern und der erreichbaren Dämpfung aufzudecken.

Darüber hinaus ist bekannt, dass Elastomermaterialien bei mäßigen oder hohen Verformungen eine progressive zyklische Erweichung, den sogenannten Mullins-Effekt, aufweisen. Der aktuelle Stand der Forschung liefert keine Aussagen zum Einfluss des Mullins-Effekts in CLD-Laminaten, weshalb diese Arbeit experimentelle und numerische Methoden anwendet, um einen Einfluss auf das Dämpfungsverhalten hybrider CLD-Laminate aufzudecken.

FML und insbesondere FMEL wird eine hohe Toleranz gegenüber Schädigungen zugesprochen. Die Toleranz des intrinsischen CLD-Mechanismus gegenüber verschiedenen Arten von Schädigungen ist bisher jedoch gänzlich unbekannt. Die vorliegende Arbeit schließt diese Forschungslücke, indem experimentell das Auftreten von Schlagschäden in verschiedenen FMEL charakterisiert wird. Anschließend werden numerische Modelle dieser geschädigten Laminate verwendet, um den Einfluss der auftretenden Schädigungsarten auf die Dämpfungseigenschaften der FMEL zu identifizieren.

Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit die Komplexität und zahlreichen Abhängigkeiten des CLD-Mechanismus innerhalb von FMEL. Sie präsentiert experimentelle, analytische und numerische Methoden zur Vorhersage der Dämpfungseigenschaften solcher Laminate, vornehmlich um deren Toleranz gegenüber Schäden zu bewerten.

Fibre-reinforced polymers (FRPs) are widely used as a lightweight material of choice due to their outstanding weight-specific mechanical properties such as stiffness and strength. The combination with sheets of metal, commonly referred to as fibre metal laminates (FMLs), additionally provides a high resistance and tolerance to damage. As with most lightweight materials, these advantages come at a cost. In particular, the high stiffness and low mass density of such materials or material systems make the resulting structures prone to vibrations as conventional lightweight materials usually offer only negligible material damping. ... mehrThe addition of highly compliant layers consisting of viscoelastic elastomer materials within the otherwise stiff laminate can significantly increases the achievable damping, following the principle of constrained-layer damping (CLD). Such a hybridisation then allows for highly damped lightweight laminates, which can be tailored to achieve specific damping capabilities. In particular, this work considers hybrid fibre metal elastomer laminates (FMELs), consisting of carbon fibre-reinforced polymer (CFRP), aluminium and different elastomer compounds in various laminate configurations.

These hybrid FMELs offer a tremendous design freedom with regard to material selection, layer thicknesses and general laminate lay-up. Since manufacturing and testing of new laminates can be cumbersome, predictive models are desirable in order to find optimal designs beforehand. The development of such a model based is subject of this work. In particular, an analytical model based on a unified plate theory for the rapid and precise prediction of the laminates’ static deformation behaviour, modal characteristics and steady-state response is presented. Subsequent studies applying this model investigate different FMELs with regard to their damping behaviour in order to uncover general correlations between laminate parameters and the achievable damping.

Furthermore, elastomer materials are known to exhibit progressive cyclic softening, called Mullins effect, when subjected to moderate or high strains. As there is no previous research on the role of the Mullins effect in CLD laminates, this work employs experimental and numerical methods in order to uncover an influence on the damping behaviour of hybrid CLD laminates.

FMLs and FMELs in particular are known for their tolerance to damage. The tolerance of the intrinsic CLD mechanism with regard to different types of damage, however, is so far entirely unexplored. The present work addresses this research gap by employing experimental methods for the determination of low-velocity impact damage in different FMELs. Subsequently, numerical models of those damaged laminates are used in order to identify the influence of the occurring types of damage on the damping capabilities of FMELs.

Overall, this work highlights the complexity and numerous dependencies of the CLD mechanism within FMELs. It presents experimental, analytical and numerical methods for predicting the damping capabilities of such laminates, in particular in order to optimise and assess its tolerance to damage.