2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16907Partikeldämpfer sind einfach zu bauende passive Dämpfungselemente. Hierbei werden Behältnisse mit granularen Partikel befüllt und an die schwingende Struktur angebracht oder darin integriert. Aufgrund der Schwingungen werden die Partikel in Bewegung versetzt und durch Reib- und Stoßvorgängen zwischen den Partikeln wird Energie dissipiert. Dies sind nichtlineare Effekte die zu einem hoch nichtlinearen Verhalten der Partikeldämpfer führen können. Partikeldämpfer sind einfach anzuwenden, auch bei schon existierenden Maschinen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Dämpfer mindestens so effektiv wie andere Dämpfungsmethoden sein können. Die Mechanismen der Energiedissipation sind nicht auf eine einzelne Frequenz beschränkt sondern wirken über einen breiteren Frequenzbereich. Darüber hinaus sind Partikeldämpfer sehr anpassungsfähig, beispielsweise durch verschiedene Formen und Größen des Dämpferbehältnisses, der Anzahl der Partikel oder durch verschiedene Materialien. Trotz der großen Effizienz, welche durch experimentelle Studien gezeigt wurde, werden Partikeldämpfer bisher nur in wenigen sehr speziellen Ingenieursanwendungen eingesetzt. Dies mag daran liegen, dass die physikalischen Vorgänge in den Partikeldämpfern sehr komplex sind und noch nicht vollständig verstanden sind. Darüber hinaus basiert momentan der Entwurfsprozess für Partikeldämpfer großteils auf heuristischen Ansätzen sowie experimentellen trial-and-error Strategien.Das Ziel des beantragten Projekts ist die Entwicklung einer simulationsbasierten Entwurfsmethodik zur passiven Schwingungsdämpfung von Maschinen in Leichtbauweise mittels verteilter Partikeldämpfer. Durch solch eine simulationsbasierte Entwurfsmethodik, welche weitgehend unabhängig vom Anwendungsfall ist, wird es ermöglicht Partikeldämpfer auf eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungssysteme zu erweitern. Dies ist gerade für solche Leichtbausysteme interessant wo momentan effiziente passive Schwingungsdämpfungsmethoden fehlen. Zunächst ist vorgesehen kleine Partikeldämpfereinheiten zu entwickeln welche vordefinierte Eigenschaften haben. Diese einzelnen Partikeldämpfer sollen dann eine Art Baukasten bilden, welcher die Grundlage zur Entwicklung eines ganzheitlichen Dämpfungskonzeptes für einzelne Anwendungen bildet. Dabei sollen mehrere dieser Partikeldämpfer, unter Umständen mit unterschiedlichen Charakteristiken, optimal über die schwingende Struktur verteilt werden um maximale Energiedissipation über einen breiten Frequenz- und Amplitudenbereich zu erreichen. Für numerische Untersuchungen werden Modelle basierend auf der Diskreten-Elemente-Methode sowie Makromodelle, welche einfacher in flexible Mehrkörpersysteme eingebunden werden können, entwickelt. Diese Modelle bilden die Basis für die Entwicklung einzelner Partikeldämpfer. Die numerischen Arbeiten werden sehr eng durch experimentelle Untersuchungen begleitet. Als Motivationsbeispiel für die Methoden dient die Anwendung an einem aktiven flexiblen Mehrkörpersystem.Particle dampers are simply designed passive damping elements. Granular particles are embedded in a container attached to a vibrating structure or within holes embedded in the vibrating structure. Due to the structural vibrations momentum is transferred to the granular material and energy is dissipated due to inter-particle impacts and frictional effects. In the last decades there has been an increased interest in particle dampers. Particle damping is easy to apply even in already existing hardware and it has been shown that it can be at least as effective as other damping techniques. This effectiveness in dissipating energy is not restricted to a single frequency but exists over a broader frequency range which is not usual in conventional damping solutions. Moreover, particle dampers are highly adaptive with various forms and sizes and a variety of particle types and materials.Despite the efficiency of particle dampers which was demonstrated experimentally, so far they have been used only in few different engineering applications, mostly designed for a very specific system. This might be due to the fact, that the processes in the particle dampers are very complex and not fully understood yet. Also the design process is currently mostly based on experimental trial-and-error strategies.The research objective is the development of a new simulation-based design methodology for passive vibration damping of lightweight structures and machines using distributed particle dampers. By such a new simulation-based design methodology, which is in parts independent of the specific application, it will be possible to extend particle dampers to a variety of very different applications. This is especially of interest for lightweight systems where currently often efficient passive vibration damping methods are lacking. Firstly, independent of the application, it is aimed to develop small particle damper units with predefined characteristics. These individual particle dampers should form an assembly set, which is ultimately used in the overall damping concept for specific applications. Thereby, several of these particle dampers, possibly with different characteristics, should be distributed optimally over a flexible body in order to achieve a maximal damping efficiency over a wide range of frequencies and amplitudes. For numerical studies Discrete-Element-Method models and macro-models, which can be more easily integrated in flexible multibody systems, are developed. These models are the basis for the damper development. The numerical work is closely accompanied by experimental investigations. As motivation example the application of the developed methods on an active flexible multibody system is chosen.