{"id":27970,"date":"2021-09-23T13:15:56","date_gmt":"2021-09-23T11:15:56","guid":{"rendered":"https:\/\/php8.plastv.de\/?p=27970"},"modified":"2021-09-21T13:20:40","modified_gmt":"2021-09-21T11:20:40","slug":"vibroakustische-metamaterialien-reduzieren-strukturschwingungen-in-traegerraketen-komponenten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/plas.tv\/?p=27970","title":{"rendered":"Vibroakustische Metamaterialien reduzieren Strukturschwingungen in Tr\u00e4gerraketen-Komponenten"},"content":{"rendered":"<p><strong>In der Raumfahrtindustrie wird jedes Bauteil gr\u00fcndlich optimiert, um einen wirtschaftlich g\u00fcnstigen Betrieb zu gew\u00e4hrleisten. Zuk\u00fcnftige Tr\u00e4gerraketen-Konzepte werden noch leichter und zuverl\u00e4ssiger sein. Damit diese ehrgeizigen Anforderungen erreicht werden, ist die Entwicklung neuer Materialien und multifunktionaler Strukturen sowie innovativer Fertigungstechnologien unerl\u00e4sslich. Im Fraunhofer-Institut f\u00fcr Betriebsfestigkeit und Systemzuverl\u00e4ssigkeit LBF wurde die Umsetzung der vibroakustischen Metamaterialien-Technologie f\u00fcr eine zylindrische Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht. Diese stellt die Oberstufe einer konzeptionellen Ariane 6-Tr\u00e4gerrakete dar. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben konzeptionelle und numerische Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Es traten Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz auf. Mehr dazu auf der Messe \u00bbSpace Tech Expo Europe\u00ab, Bremen, 16. bis 18. November 2021, Fraunhofer-Stand N 40.<\/strong><\/p>\n<p>Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK) erm\u00f6glichen gro\u00dfe Masseneinsparungen bei Tr\u00e4gerraketen und werden f\u00fcr die Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen. Die Europ\u00e4ische Weltraumorganisation (ESA) will bis 2025 eine Oberstufe komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff f\u00fcr die neue Generation der Ariane 6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazit\u00e4t um zwei Tonnen zu erh\u00f6hen.<\/p>\n<p><strong>Hohes Potenzial: vibroakustische Metamaterialien<\/strong><\/p>\n<p>Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu metallischen Materialien ein h\u00f6heres Steifigkeits-Masse-Verh\u00e4ltnis aufweisen, k\u00f6nnen sie bei bestimmten Frequenzen zu h\u00f6heren Schwingungsamplituden f\u00fchren, die insbesondere in der Startphase kritisch sind. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Schwingungen sind vibroakustische Metamaterialien. Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur L\u00e4rm- und Schwingungsminderung eingesetzt. Vibroakustische Metamaterialien werden aus mehreren periodisch angeordneten Einheitszellen gebildet &#8211; dem kleinsten identischen Teil der Grundstruktur, auf dem ein Resonator (Feder-Masse System) sitzt. Die lokalen Resonatoren sind gezielt auf der Subwellenl\u00e4ngenskala der einfallenden Welle platziert. Sie sind auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, bei der eine Schwingungsreduktion erforderlich ist. Die Wechselwirkung zwischen den lokalen Resonatoren und der einfallenden Welle f\u00fchrt zu einem Stoppband &#8211; einem Frequenzbereich mit hoher Schwingungsreduktion.<\/p>\n<p>Das Potenzial von vibroakustischen Metamaterialien wurde sowohl f\u00fcr die Luftfahrt als auch f\u00fcr die Raumfahrt erkannt, wo sie beispielsweise bei der Nutzlastumhausung eingesetzt werden. Im Forschungsprojekt \u00bbSilent Running\u00ab liegt der Fokus auf dem Design von vibroakustischen Metamaterialien, die in der Oberstufe einer konzeptionellen Ariane 6-Tr\u00e4gerrakete eingesetzt werden sollen. \u00bbAm Fraunhofer LBF entwickeln unsere Fachteams effiziente numerische Routinen zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien. Diese Routinen werden f\u00fcr das Design von branchenspezifischen Produkten eingesetzt\u00ab, erl\u00e4utert Projektleiter Heiko Atzrodt, verantwortlich f\u00fcr die Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik im Fraunhofer LBF.<\/p>\n<p><strong>Konzeptionelle und numerische Ans\u00e4tze f\u00fcr ein Design mit hohen D\u00e4mpfungseigenschaften<\/strong><\/p>\n<p>Die Forschenden haben drei Konzepte von lokalen Resonatoren numerisch betrachtet und experimentell validiert. F\u00fcr eine detaillierte Untersuchung des Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien in einem endlichen Bauteil wurden Plattendemonstratoren aus CFK realisiert, die den Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts bilden. Die Resonatorkonzepte wurden simuliert und ihre Wirkung numerisch bewertet. Dazu werden die Resonatoren auf der CFK-Platte angebracht, um eine Metamaterialstruktur zu erzeugen. Im ersten Schritt wird die Wellenausbreitung der unendlichen, periodischen Struktur anhand des Dispersionsverhaltens (Zusammenhang zwischen der Wellenl\u00e4nge und -frequenz) einer einzelnen Einheitszelle untersucht. Damit werden Stoppb\u00e4nder im Frequenzbereich ermittelt, in denen keine freie Wellenausbreitung m\u00f6glich ist. Im n\u00e4chsten Schritt wird eine endliche Plattenstruktur modelliert, um Stoppb\u00e4nder in Frequenzgangfunktionen bei realen Randbedingungen auszuwerten. F\u00fcr alle Konzepte traten Reduktionen von Schwingungsamplituden von bis zu 30 dB im Frequenzbereich zwischen 150 Hz und 200 Hz in den numerischen Simulationen auf. Durch den gezielten Einsatz geeigneter Materialien wird zus\u00e4tzlich zum Stoppband ein verbessertes Schwingungsverhalten oberhalb des Stoppbandes erreicht.<\/p>\n<p><strong>Experimentelle Validierung<\/strong><\/p>\n<p>Das Schwingungsreduktionsverhalten von vibroakustischen Metamaterialien haben die Darmst\u00e4dter Forschenden experimentell an planaren Proben untersucht. \u00bbWir haben unser Ziel erreicht, f\u00fcr die drei Konfigurationen wird ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten nach der eingestellten Eigenfrequenz des Resonators beobachtet\u00ab, best\u00e4tigt Heiko Atzrodt den Projekterfolg.<\/p>\n<p>Die experimentelle Umsetzung einer CFK-Probeplatte mit der Anwendung vibroakustischer Metamaterialien-Technologie zeigt ab der Resonatoreigenfrequenz von rund 150 Hz ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten. Dank der Anwendung eines hochged\u00e4mpften Materials f\u00fcr die Resonatoren wird das Schwingungsverhalten auch nach dem Stoppbandbereich optimiert. Die Schwingungsreduktion betr\u00e4gt im erwarteten Stoppbandbereich bis 25 dB und im h\u00f6heren Frequenzbereich (ab circa 250 Hz) bis 15 dB.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>In der Raumfahrtindustrie wird jedes Bauteil gr\u00fcndlich optimiert, um einen wirtschaftlich g\u00fcnstigen Betrieb zu gew\u00e4hrleisten. 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