- Finite Element Simulations of dynamically excited structures are mainly influenced by the mass, stiffness, and damping properties of the system, as well as external loads. The prediction quality of dynamic simulations of vibration-sensitive components depends significantly on the use of appropriate damping models. Damping phenomena have a decisive influence on the vibration amplitude and the…
- Die Finite-Elemente Simulation von dynamisch angeregten Strukturen wird im Wesentlich durch die Steifigkeits-, Massen- und Dämpfungseigenschaften des Systems sowie durch die äußere Belastung bestimmt. Die Vorhersagequalität von dynamischen Simulationen schwingungsanfälliger Bauteile hängt wesentlich von der Verwendung geeigneter Dämpfungsmodelle ab. Dämpfungsphänomene haben einen wesentlichen Einfluss auf die Schwingungsamplitude, die Frequenz und teilweise sogar die Existenz von Vibrationen. Allerdings ist die Entwicklung von realitätsnahen Dämpfungsmodellen oft schwierig, da eine Vielzahl von physikalischen Effekten zur Energiedissipation während eines Schwingungsvorgangs führt. Beispiele hierfür sind die Materialdämpfung, verschiedene Formen der Reibung sowie vielfältige Wechselwirkungen mit dem umgebenden Medium. Diese Dissertation befasst sich mit thermoelastischer Dämpfung, die in homogenen Materialien die dominante Ursache der Materialdämpfung darstellt. Der thermoelastische Effekt wird ausgelöst durch eine Temperaturänderung aufgrund mechanischer Spannungen. In der schwingenden Struktur entstehen während der Deformation Temperaturgradienten zwischen benachbarten Regionen unter Zug- und Druckbelastung. In Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz führen diese zu Wärmeströmen und irreversibler Umwandlung mechanischer in thermische Energie. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung recheneffizienter Simulationsmethoden, um thermoelastische Dämpfung in zeitabhängigen Finite-Elemente Analysen, die auf modaler Superposition beruhen, zu integrieren. Der thermoelastische Verlustfaktor wird auf der Grundlage der mechanischen Eigenformen und -frequenzen bestimmt. In nachfolgenden Analysen im Zeit- und Frequenzbereich wird er als modaler Dämpfungsgrad verwendet. Zwei Ansätze werden entwickelt, um den thermoelastischen Verlustfaktor in dünn-wandigen Plattenstrukturen, sowie in dreidimensionalen Volumenbauteilen zu simulieren. Die realitätsnahe Vorhersage der Energiedissipation wird durch die Verifizierung an experimentellen Daten bestätigt. Dafür wird ein Versuchsaufbau entwickelt, der eine Messung von Materialdämpfung unter Ausschluss anderer Dissipationsquellen ermöglicht. Für den Fall der Volumenbauteile wird ein Ansatz verwendet, der auf der Berechnung der Entropieänderung und damit der erzeugte Wärmeenergie während eines Schwingungszyklus beruht. Im Verhältnis zur Formänderungsenergie ist dies ein Maß für die thermoelastische Dämpfung. Für dünne Plattenstrukturen wird der Anteil an Biegeenergie in der Eigenform bestimmt und im sogenannten modalen Biegefaktor (MBF) zusammengefasst. Der maximale Grad an thermoelastischer Dämpfung kann im Zustand reiner Biegung auftreten, sodass der MBF eine quantitative Klassifikation der Eigenformen hinsichtlich ihres thermoelastischen Dämpfungspotentials zulässt. Die Ergebnisse der entwickelten Simulationsmethoden stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten überein und sind geeignet, um thermoelastische Dämpfungsgrade vorherzusagen. Beide Ansätze basieren auf modaler Superposition und ermöglichen damit zeitabhängige Simulationen mit einer hohen Recheneffizienz. Insgesamt stellt die Modellierung der thermoelastischen Dämpfung einen Baustein in einem umfassenden Dämpfungsmodell dar, welches zur realitätsnahen Simulation von Schwingungsvorgängen notwendig ist.
