Viskoelastische Dämpfungsoptimierung von Flügelschwingungen

Kurzfassung

Um den Treibstoffverbrauch zu reduzieren, werden Flugzeuge in Leichtbauweise konstruiert. Aufgrund der hohen Steifigkeit bei einer geringen Masse sind Leichtbaustrukturen anfällig gegenüber Vibrationen und Schwingungen, woraus negative Folgen für sicherheits- und komfortspezifische Aspekte resultieren. Eine Methode, um Schwingungen zu reduzieren, ist das Ausstatten der Flugzeugflügel mit der Constrained Layer Damping-Technologie (CLD), bei der eine auf die Grundstruktur aufgeklebte viskoelastische Kernschicht von einer steifen Deckschicht eingezwängt wird. Dabei wird neben dem Dämpfungsvermögen des Systems auch die Masse des Fluggerätes erhöht, was den Zielen des Leichtbaus zuwiderläuft. Deshalb bedarf es einer masseorientierten Dämpfungsoptimierung des CLD Systems. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die Schichtdicken und die in Segmente aufgeteilten Schichtbreiten von CLD-Systemen unter Einhaltung einer Massebeschränkung optimiert werden können. Dadurch wird die Anzahl der Freiheitsgrade des Optimierungsproblems gegenüber bisherigen Untersuchungen deutlich gesteigert, wodurch eine höhere Dämpfung erreicht werden kann. Die zu maximierende Zielgröße der Optimierungen ist der Verlustfaktor des Systems, welcher das Dämpfungsvermögen kennzeichnet. Die Berechnungen erfolgen mithilfe von Modellen, die mit dem Finite-Elemente-Programm MSC Nastran erzeugt werden. Am Beispiel einer generischen Balkenstruktur werden die modalen Verlustfaktoren der Biegemoden optimiert. Die Optimierungsmethoden werden auf Basis der resultierenden Ergebnisse bewertet. Abschließend werden Dämpfungsoptimierungen am Modell eines Flügelmittelkastens vorgenommen. Die Ergebnisse der Dämpfungsoptimierungen zeigen, dass die in bisherigen Untersuchungen häufig genutzten Genetischen Algorithmen nur mit einem sehr großen Rechenaufwand Strukturen mit einem hohen modalen Verlustfaktor ermitteln können. Es wurde ein kombiniertes Verfahren aus einem Nelder-Mead-Simplex und einem Gauß-Seidel-Verfahren entwickelt, welches deutlich leistungsfähiger ist. Anhand der Optimierungsergebnisse können neue Erkenntnisse zur Gestaltung von CLD-Systemen gewonnen und ein Beitrag zum dämpfungsfördernden Design von Flugzeugflügeln geleistet werden.