Partikeldämpfer zur passiven Schwingungsdämpfung in flexiblen Mehrkörpersystemen
Beschreibung
Um Ressourcen zu sparen, gewinnt der Leichtbau heutzutage immer mehr an Bedeutung. Besonders bei Maschinen, die große Bewegungen ausführen, ist das Energiesparpotenzial sehr groß. Andererseits bedeutet eine geringere Masse in der Regel auch eine Reduktion der Steifigkeit, wodurch nicht vernachlässigbare Vibrationen auftreten können.
Eine aktive Dämpfung dieser Vibrationen kann sehr schwierig sein, da die großen Maschinenbewegungen und die elastischen Deformationen zeitgleich auftreten und sich gegenseitig beeinflussen. Eine passive Schwingungsdämpfung ist deshalb zu favorisieren. Diese ist in der Regel kosteneffizienter und führt von Natur aus auf ein stabiles System. Für den Einsatz in flexiblen Mehrkörpersystemen sollen hierfür Partikeldämpfer verwendet werden. Diese sind sowohl nicht sensitiv gegenüber Umwelteinflüssen, als auch genauso effektiv wie andere Dämpfungstechniken.
Bei Partikeldämpfer werden Partikel in Boxen gefüllt und diese an die vibrierende Struktur angebracht oder Hohlräume der vibrierenden Struktur werden befüllt. Durch Strukturvibrationen wird Energy auf die Partikel übertragen und dissipiert durch Reib- und Stoßvorgänge zwischen den Partikeln und den Partikel-Wand Kontakten.
Die Auslegung von Partikeldämpfern erfolgt hauptsächlich über Trial-and-Error, da bis jetzt keine systematischen Auslegungskriterien existieren. Um diese entsprechend zu entwickeln werden Partikeldämpfer sowohl simulativ mittels der Diskreten Elementen Methode, als auch experimentell, untersucht.
Experimentelle & Numerische Untersuchungen
Zur Untersuchung der Einflussparametern von Partikeldämpfern werden 2 verschiedene Setups verwendet.
Beim Setup I handelt es sich um einen Balken, der mittels zweier Seile aufgehangen wird. Der Partikeldämpfer, in Form einer Box, kann dabei frei auf dem Balken positioniert werden. Angeregt wird der Balken über einen Shaker am Balkenende. Zur Ermittlung der Übertragungsfunktion wird das Geschwindigkeitsprofil des Balkens mittels eines Laser Scanning Vibrometers erfasst. Es können somit mehrere Eigenmoden des System analysiert werden.
Für die simulativen Untersuchungen wird der Balken mit der Methode der Finiten Elemente diskretisiert. Die Partikelbewegung wird mittels eines selbstentwickelten Diskrete Elemente Codes ermittelt. Durch Kopplung beider Methoden kann die Dämpfung für das System numerisch bestimmt werden.
Sowohl aus den experimentell gewonnen Daten als auch aus den Simulationsergebnissen werden die Übertragungsfunktionen für die Balkenmesspunkte ermittelt. Aus diesen Daten können die Eigenfrequenzen und Dämpfungswerte bestimmt und miteinander verglichen werden.
Beim Setup II wird direkt die dissipierte Energie innerhalb des Partikeldämpfers untersucht, d.h. der Partikeldämpfer ist nicht an eine vibrierende Struktur gekoppelt. Beim experimentellen Versuchsaufbau wird der Partikeldämpfer mittels einer geregelten, harmonischen Kraft angeregt. Die Regelung erfolgt so, dass die Frequenz und Beschleunigungsamplitude der Box konstant bleiben.
Um die Energiedissipation zu berechnen wird die komplexe Leistung verwendet, die sich aus der Geschwindigkeit der Box und der Anregungskraft bestimmt. Nachfolgend ein Vergleich von Simulation und Experiment.
