Optimierung der Topologie von Lattice-Strukturen zur Erhöhung der Strukturdämpfung

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Alfred Wegener Institut (AWI) wurden Lattice-Strukturen (Gitteranordnungen aus einzelnen kleinen Strings) untersucht, die in Maschinen als Lager zum Einsatz kommen. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass die Anordnung der Strings einen signifikanten Einfluss auf die Steifigkeiten der Strukturen hat und in diesem Kontext unregelmäßige Konstruktionen zu bevorzugen sind. Da das Schwingungsverhalten technischer Systeme vor allem bzgl. der Amplituden in Resonanznähe durch das Dämpfungsverhalten bestimmt wird, wurde im aktuellen Projekt untersucht, ob durch eine künstliche Unordnung der Topologie auch die Dämpfung erhöht werden kann.
An vorhandenen additiv gefertigten Lattice-Strukturen wurde zunächst eine Parameteridentifikation vorgenommen. So wurden E-Modul, Dichte und Dämpfungskonstanten bestimmt. Mit dem identifizierten Modell wurde ein parametriertes FE-Modell der Lattice-Strukturen aufgebaut, was eine automatisierte Anpassung der Topologie und der Gitterstruktur ermöglichte. Mit heuristischen Optimierungsverfahren konnte so simulativ die Topologie mit der höchsten Dämpfung bzw. mit dem höchsten Verlustfaktor bestimmt werden.
Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchung ist, dass die Unordnung im Gitter sowohl zu einer Erhöhung als auch zu einer Verringerung der Dämpfung führen kann. Unregelmäßige Strukturen sind also nicht per se höher bedämpft. Außerdem wird bei einer Änderung der Gitterstruktur vorrangig die Steifigkeit geändert, wodurch die Dämpfung selbst immer relativ zur Steifigkeit betrachtet werden muss. Ein sinnvolles Maß dafür ist der Verlustfaktor, der die Verlustarbeit einer Periode ins Verhältnis mit der Formänderungsenergie setzt.