Granulare Mischungen mit maßgeschneiderten Dämpfungseigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Steeb
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424876160

Lärm und unkontrollierte Vibrationen sind in vielen industriellen und geotechnischen Anwendungen problematisch. Akustische Wellen auf Straßen und Schiene, oder verursacht durch Erdbeben, pflanzen sich durch die typischerweise granularen Strukturen im Boden, in Beton, oder in Asphalt mit einer ganz eigenen Charakteristik fort, wobei das Material die Geschwindigkeit, die Dämpfung und den Frequenzbereich der transmittierten Wellen beeinflusst.In unserem innovativen Projekt wollen wir granulare Materialien in „granulare Dämpfer“ verwandeln indem wir sowohl Teilcheneigenschaften als auch die Mischungszusammensetzung der weichen bzw. steifen Teilchen einer granularen Mischung in weiten Bereichen variieren.Das Ziel ist, effektive Materialeigenschaften wie Dämpfung oder Dispersion zu optimieren, und Frequenzfilterung durch Bandlücken optimal auszunutzen. Um dieses Ziel zu erreichen werden wir das Projekt von zwei Seiten aufrollen: Einerseits werden wir physikalische Experimente durchführen in denen wir Materialien mit unterschiedlichsten dämpfenden und elastischen Eigenschaften in allen Mischverhältnissen kombinieren. Andererseits werden wir dazu komplementär auch direkte Teilchen-Simulationen (DEM) durchführen um die mikromechanischen Mechanismen abzubilden und die effektiven Eigenschaften der Mischung quantitativ zu modellieren und zu verstehen. Nach sorgfältigster Analyse werden sowohl die experimentellen als auch die numerischen Daten dazu verwendet um ein stochastisches makroskopisches Modell weiterzuentwickeln das den Transport von Energie zwischen verschiedenen Frequenzbändern mit einer Master-Gleichung beschreibt. Dies kann schlussendlich dazu verwendet werden um in vielen Anwendungen neue, bessere Materialeigenschaften zu erzielen.Vorarbeiten: In den letzten Jahren habe wir bereits Wellenausbreitung und Dämpfung in granularen Mischungen von weichen und harten Teilchen unter verschiedenen hydrostatischen Kompressionsdrücken untersucht. Bisher konzentrierten wir uns auf mono-disperse Glas-Gummi Mischungen um das Zusammenspiel von Komposition und Spannungszustand zu verstehen. Ein überraschendes Ergebnis ist dabei, dass wir leichtere Packungen mit 15-20% Gummi herstellen konnten die bessere elastische und viel bessere Dämpfungseigenschaften hatten. Arbeitsplan: Zuerst wollen wir den kombinierten Einfluss von verschieden großen weichen und harten Teilchen in Mischungen untersuchen. Nach sorgfältiger Analyse im Frequenz-Raum werden wir die komplexe Wechselwirkung zwischen Teilchen- und System-Eigenschaften, sowie zwischen Energie-Absorption und -Propagation benutzen um ein stochastisches Model reduzierter Ordnung zu formulieren, das die Fortpflanzung von Wellen für alle Frequenzen in Raum und Zeit vorhersagen kann. Innovativ ist, dass wir nicht nur die niedrigeren Eigenfrequenzen modellieren, sondern alle Frequenzen, da insbesondere die hohen Frequenzen am wichtigsten für die Dämpfungseigenschaften in der Anwendung sind.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1897: Calm, Smooth and Smart - Novel Approaches for Influencing Vibrations by Means of Deliberately Introduced Dissipation
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stefan Luding