Der Einfluss geometrischer Wabenkernvariationen auf das Schalldämmmaß von massekonstanten Sandwichplatten

Abstract

Die Nachfrage nach Mobilität lässt die Zahl von Fahr- und Flugzeugen immer weiter steigen. Dies steigert auch die Gesamtmenge an Schadstoffen wie Kohlenstoffdioxid und Stickoxiden sowie den Umgebungslärm. Deshalb wirkt die Politik mit Auflagen oder Forschungsprogrammen der Erhöhung von Schadstoffen und Lärmemissionen entgegen. Insbesondere in der Luftfahrt werden ständig leichtbaukonforme Lösungen gesucht, um zum einen die Strukturmasse des Flugzeugs und zum anderen die Lärmbelastung für die Insassen zu verringern. Die Lösungswege sind dabei vielfältig und umfassen z. B. die Werkstoffvariation, die Kraftpfadoptimierung oder den Einsatz von Verbundbauweisen. Da sich die störenden Schallquellen außerhalb des Flugzeugs befinden, besteht die Herausforderung darin, besonders leichte und steife Strukturen zu entwerfen, die gleichzeitig eine geringe Schalltransmission ermöglichen. Dämmmatten kompensieren in der Luftfahrt eine zu hohe Schalltransmission, bringen aber zusätzliche Masse ins Flugzeug und verringern damit den Leichtbauvorteil. Diese Arbeit untersucht für die Sandwichverbundbauweise den Einfluss der Kerngeometrie auf das Schalldämmmaß, wobei die Masse des Verbundes konstant bleibt. Das Sandwich besteht immer aus einem Wabenkern, verklebt mit zwei identischen Glasfaserhartgewebeplatten als Decklagen. Die Decklagen und die Sandwichabmessungen von 800 mm x 600 mm x 20 mm bleiben im Rahmen dieser Arbeit konstant. Die Geometrievariation der massekonstanten Wabenkerne wird in Abhängigkeit von den maximalen Sandwichabmessungen, der Anzahl an Waben in horizontaler sowie vertikaler Richtung, dem Wabenwinkel und einer vorgegebenen Masse beschrieben. Die Größe der Wabenzellen liegt bei den Untersuchungen im Zentimeterbereich. Da kommerzielle Wabenkerne Zellgrößen im Millimeterbereich besitzen, sind die in dieser Arbeit generierten Wabenkerne nicht frei erhältlich. Stattdessen wird auf den 3D-Druck mit Stereolithographieverfahren als Herstellungsverfahren zurückgegriffen, um experimentelle Untersuchungen durchführen zu können. Die Analyse der Sandwichplatten mit verschiedenen Wabenkerne besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird die Kernvariation analytisch betrachtet und ein besonderes Augenmerk auf die Auswirkung der Kernänderung auf die Koinzidenzen der Sandwichplatte gerichtet. Im zweiten Teil wird der Kern von Sandwichplatten mithilfe einer Simulation variiert und der Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 2000 Hz untersucht. Dieser Frequenzbereich umfasst die Eigenformen der Sandwichplatten. Die Kernvariationen umfassen Winkelvariationen, der Vergleich von regelmäßigen und unregelmäßigen Wabenkernen sowie die Änderung der Wabenanzahl, was einer Größenvariation der Waben entspricht. Der dritte Teil beschäftigt sich mit der Validierung der Simulation mithilfe der experimentellen Vermessung von ausgewählten Sandwichplatten im akustischen Transmissionsprüfstand. Die analytische Untersuchung zeigt, dass die Wabenkernvariation zu einer Veränderung der Elastizitäts- und Schubmoduln führt und somit die antisymmetrische Koinzidenz der Sandwichplatte verändert. Die symmetrische Koinzidenz ändert sich durch die Kernvariation nur geringfügig, weil die mechanischen Eigenschaften in Dickenrichtung des Sandwichs annähernd gleich sind. Diese Koinzidenz kann durch die Doppelwandresonanz, bestehend aus den Decklagenmassen und dem Kern als Federelement, approximiert werden. Sowohl in der Simulation als auch im Experiment treten im Frequenzbereich eigenformbedingte Schalldämmmaßminima auf. Bei allen Sandwichplatten lassen sich die Schalldämmmaßminima bei der ersten und zweiten Eigenfrequenz deutlich identifizieren. Durch die Variation der Wabenkerne ändern sich die Frequenzen der Schalldämmmaßminima um bis zu 20 %. Die dritte und die vierte Eigenfrequenz der Sandwichplatten sind im Schalldämmmaßverlauf nicht für alle Platten eindeutig zu identifizieren und können nur mithilfe einer strukturdynamischen Analyse eindeutig bestimmt werden. Bei diesen Untersuchungen tritt ein weiterer Effekt auf, der eindeutig mit den Wabenkernen in Verbindung steht. Die Form der Wabenkernhohlräume definieren Decklagensegmente, die nicht durch den Kern gestützt und frei beweglich sind. Ist der Kern regelmäßig, sind alle Segmente gleich groß und im Schalldämmmaß treten ein zusätzliches Minimum sowie eine Erhöhung auf. Die Frequenz des Schalldämmmaßminimums sowie die Erhöhung können durch die Variation des Kerns gezielt angepasst werden. Wird die Schalldämmmaßanpassung durch die Decklagensegmente der Biegesteifigkeit und der Kernschubsteifigkeit des Sandwichs gegenübergestellt, ist kein eindeutiger Zusammenhang zwischen den mechanischen Größen und dem Schalldämmmaß festzustellen. So beeinflusst z. B. die Orientierung der Wabenkernwände das Schalldämmmaß und die Biegesteifigkeit in gleicher Richtung, während bei der Variation der Wabenanzahl ein gegensätzliches Verhalten zwischen Schalldämmmaß und Biegesteifigkeit festzustellen ist. Alle betrachteten geometrischen Kernvariationen zeigen einen unbeachteten Freiheitsgrad für das Design von Sandwichstrukturen. Dadurch werden akustisch angepasste Leichtbaustrukturen möglich, deren Masse nicht durch Dämmmatten erhöht werden muss. Diese leichtbaukonforme Lösung für Verkleidungselemente kann dazu beitragen, den Passagierkomfort zukünftiger Fahr- und Flugzeuge zu verbessern.