Der Einfluss geometrischer Wabenkernvariationen auf das Schalldämmmaß von massekonstanten Sandwichplatten

Abstract

Die Anzahl von Fahr- und Flugzeugen steigt jedes Jahr immer weiter an. Dies erhöht die Gesamtmenge an Schadstoffen sowie den Lärmpegel. 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 die Strukturmasse des Flugzeugs und die Lärmbelastung für die Insassen zu verringern. Die störenden Schallquellen befinden sich außerhalb der Flugzeugkabine, weshalb die Herausforderung darin besteht, besonders leichte und steife Strukturen mit möglichst geringer Schalltransmission zu entwerfen. Aktuell reduzieren Dämmmatten die Schalltransmission, bringen aber zusätzliche Masse ins Flugzeug und verringern somit den Leichtbauvorteil. Diese Arbeit untersucht für den Sandwichverbund als Leichtbauweise den Einfluss der Kerngeometrie auf das Schalldämmmaß. Das Sandwich besteht aus einem Wabenkern, verklebt mit zwei identischen Glasfaserhartgewebeplatten als Decklagen. Die Wabenkerngeometrie wird massekonstant verändert, wobei die Gesamtabmessung der Sandwichplatten mit 800 mm x 600 mm x 20 mm konstant bleibt. Die Kernvariationen umfassen Winkelvariationen, die Änderung der Wabenanzahl sowie Vergleiche zwischen regelmäßigen und unregelmäßigen Wabenkernen. Die Größe der Wabenzellen liegt bei den Untersuchungen im Zentimeterbereich. Als Herstellungsverfahren für die Wabenkerne wird der 3D-Druck mit Stereolithographieverfahren gewählt. Die Analyse der Sandwichplatten besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird mittels analytischer Berechnung der Einfluss der Kernvariation auf die Koinzidenzen der Sandwichplatte bestimmt. Im zweiten Teil werden die Kernvariationen mithilfe einer Simulation im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 2000 Hz untersucht. Dieser Frequenzbereich umfasst die Eigenformen der Sandwichplatten. Der dritte Teil beschäftigt sich mit der Validierung der Simulation durch experimentelle Messungen von ausgewählten Sandwichplatten im akustischen Transmissionsprüfstand. In der analytischen Untersuchung wird ein orthotropes Materialmodell für die Wabenkerne angenommen. Die geometrischen Veränderungen der Wabenkerne beeinflussen diejenigen Moduln, die zu einer Verschiebung der antisymmetrischen Koinzidenz führen. Die symmetrische Koinzidenz hingegen wird gar nicht durch die Kernvariation beeinflusst, da die hierfür relevanten Moduln nahezu unverändert bleiben. In der Simulation und im Experiment treten eigenformbedingte Schalldämmmaßminima auf. Besonders deutlich lassen sich die Schalldämmmaßminima der ersten und zweiten Eigenfrequenz identifizieren. Durch die Variation der Wabenkerne ändern sich die Frequenzen der Schalldämmmaßminima um bis zu 20 %. Neben den Schalldämmmaßminima, welche durch die Eigenfrequenz bedingt sind, treten weitere Minima auf. Diese sind durch die Hohlräume des Wabenkerns bedingt. Im Bereich der Hohlräume sind die Decklagen nicht gestützt. Diese Decklagensegmente können bei einer Anregung frei schwingen und sind alle gleich groß, wenn der Wabenkern regelmäßig ist. Dadurch entsteht ein Minimum im Schalldämmmaß, der der ersten Eigenfrequenz dieser Decklagensegmente entspricht. 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. Die geometrische Kernvariation stellt einen möglichen Designfreiheitsgrad dar, der zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Strukturen beitragen kann. Dies ermöglicht akustisch angepassten Leichtbau, ohne die Masse durch Dämmmatten zu erhöhen. Diese leichtbaukonforme Lösung für Verkleidungselemente kann dazu beitragen, den Passagierkomfort zukünftiger Fahr- und Flugzeuge zu verbessern.