Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften von Metamaterialstrukturen

In diesem Projekt steht die quantitative sowie qualitative Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften von Metamaterialstrukturen hinsichtlich der Reduktion von Schwingungsamplituden im Fokus. Grundlegendes Merkmal von Metamaterialstrukturen ist die Existenz von Sperrbändern (Bandgaps), die durch gezieltes Strukturdesign im Frequenzbereich verschoben werden können und maßgeblich die Schwingungsreduktion darstellen. (Siehe Abbildung 1)

Zur Berechnung des Bandgaps wird häufig das Bloch-Theorem verwendet. Dabei werden komplexe Randbedingungen auf die Finite-Elemente-Struktur einer Einheitszelle angewendet. Damit kann das Bandgap einer Struktur aus unendlich vielen Einheitszelle quantitativ bestimmt werden. Dynamische Effekte aufgrund von Randreflexionen werden dabei vernachlässigt. Um genauere Beschreibungen des Bandgaps für endliche Strukturen zu erhalten, ist es notwendig, die Metamaterialstruktur als Ganzes zu beschreiben. Die Modellierung und Simulation des Übertragungsverhaltens von Metamaterialstrukturen erfordert aufgrund der teilweise komplexen Geometrien für effiziente Rechnungen verschiedene Modellreduktionsmethoden, wie die dynamische Kondensation oder die Craig-Bampton Reduktion. (Siehe Abbildung 2)

Ein weiterer wesentlicher Aspekt dieses Forschungsvorhabens ist die experimentelle Validierung der Berechnungen. Zu diesem Zweck werden die entworfenen Metamaterialstrukturen mittels 3D-Druckverfahren hergestellt und das dynamische Übertragungsverhalten im Labor untersucht. Die Anregung erfolgt entweder mit einem Impulshammer oder einem elektrodynamischen Shaker, während die Schwingungsantworten berührungslos auf der gesamten Struktur mit Hilfe der Laser Scanning Vibrometrie gemessen werden.

Die Bezeichnung Metamaterial wird oftmals mit der periodischen Anordnung einer identischen Einheitszelle gleichgesetzt, was nicht ausschließlich zutrifft. Neben periodischen Anordnungen werden auch die Variation der Abstände zwischen zwei Resonatoren sowie die systematische Verstimmung der Resonatoren untereinander auf den Einfluss des Bandgaps sowohl simulativ als auch experimentell untersucht.