Good Vibrations

Die Untersuchung des Einflusses struktureller Komponenten auf die Eigenschwingungen von Strukturen ist für viele Anwendungsbereiche von großem Interesse. Mögliche Anwendungsfelder sind u. a. Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt, Bauwesen und Optik.

In der Natur finden sich verschiedenste reguläre und irreguläre Gitter- und Wabenstrukturen, die häufig unterschiedliche Funktionen erfüllen. Insbesondere die Schalen mariner Einzeller zeigen eine große Vielfalt solcher Geometrien. So sind die Silikatschalen von Kieselalgen (Diatomeen) beispielsweise sehr leicht und permeabel und weisen gleichzeitig eine hohe Festigkeit auf. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die Strukturen aufgrund ihrer Unregelmäßigkeiten spezielle Schwingungseigenschaften besitzen, um die Alge vor äußeren Vibrationen durch Fressfeinde zu schützen.

In diesem Projekt wird untersucht, inwiefern eine gezielte Nutzung dieser Strukturunregelmäßigkeiten die Schwingungseigenschaften positiv beeinflussen kann. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg sollen hierbei die Magnetuntergestelle eines neuen Teilchenbeschleunigers PETRA IV optimiert werden, um gleichzeitig eine hohe erste Eigenfrequenz und Steifigkeit sowie eine geringe Masse zu erreichen (http://photon-science.desy.de/facilities/petra_iv_project/index_eng.html).

In ersten Untersuchungen wurden parametrischen Konstruktionen verschiedenster dreidimensionaler Gitter- und Wabenstrukturen basieren auf Algorithmen, die Strukturen in Anlehnung an biologische Strukturen generieren, durchgeführt. Der Einsatz multikriterieller Optimierungsrechnungen unter Verwendung der Evolutionsstrategie erlaubte das Auffinden bestmöglicher Parameterkombinationen zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigten ein hohes Potenzial der Gitter- und Wabenstrukturen zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens von Strukturen. So ließen sich Strukturen gleicher Steifigkeit und unterschiedlicher erster Eigenfrequenz entwickeln, wobei die Massen stets innerhalb eines zulässigen Bereichs blieben. Hierbei führten unregelmäßige Strukturen zu deutlich höheren ersten Eigenfrequenzen und Steifigkeiten als regelmäßige. Weitere Ansätze zur Generierung und Modifizierung unregelmäßiger Strukturen, u.a. unter Nutzung der Topologieoptimierung, bestätigten deren Potenzial zur positiven Beeinflussung der Eigenfrequenzen von Leichtbaustrukturen.