Leichtbau mit vibroakustischen Metamaterialien
Neue Materialklasse beeinflusst das Schwingungsverhalten in Maschinen.
Im Maschinen- und Autobau treten oft Schwingungsprobleme auf. Forschende am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickeln daher Anwendungen mit vibroakustischen Metamaterialien für ein optimiertes strukturdynamisches Verhalten. Vibroakustische Metamaterialien können Schwingungen verringern und versprechen Vorteile im Schwingungsverhaltens gegenüber konventionellen Maßnahmen. Zudem können sie wegen ihres geringen Gewichts die Energieeffizienz etwa von Fahrzeugen verbessern.
Vibroakustische Metamaterialien erzeugen Stoppbänder – Frequenzbereiche, in denen keine freie Wellenübertragung stattfindet – durch die Nutzung von Lokalresonanzen. Die lokalen Resonatoren werden periodisch auf einer Grundstruktur angeordnet. Jeder Resonator stellt ein Feder-Masse-System dar, welches auf eine oder mehrere Resonanzfrequenzen abgestimmt ist. Durch das Schwingverhalten der Lokalresonatoren werden negative effektive Masseeigenschaften der Gesamtstruktur erzeugt. Es entsteht eine schwingungsarme Leichtbaustruktur mit reduzierter akustischer Abstrahlung.
In mehreren Projekten arbeiten Forschende des Fraunhofer LBF gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der Entwicklung einer Designsystematik von Metamaterialien und an deren Modellierungen für die Simulation und Optimierung von Materialkomponenten in einem virtuellen Fahrzeugprototyp. Die Leichtbau- und Komfortwirkung werden anhand von Demonstratoren in realen Fahrzeugen evaluiert. Aufgrund der geringen Größe der verwendeten Resonatoren lassen sich vibroakustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau bedeutsamen statischen, fahrdynamischen und sicherheitsrelevanten Auslegungsanforderungen vereinbaren. Sie ermöglichen eine starke Reduktion von Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich bei gleichzeitig geringem Gewicht. So lässt sich der Zielkonflikt zwischen Leichtbau und Schwingungs- sowie Lärmbelastung lösen.
Fh.-LBF / JOL
