Modeling and simulation of metallic, particle-damped spheres for lightweight materials

Lightweight materials play an ever growing role in today's world. Saving on the mass of a machine will usually translate into a lower energy consumption. However, lightweight applications are prone to develop performance problems due to vibration induced by the operation of the machine. The Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials in Dresden conducts research into the damping properties of composite materials. They are experimenting with hollow, particle filled spheres embedded in the lightweight material. Such a system is the technical motivation of this thesis. Ultimately, a numerical experiment to derive the coefficient of restitution is required. The simulation developed in this thesis is based on a discrete element method to track the individual particle and sphere trajectories. Based on a potential based approach for the particle interactions deployed in molecular dynamics, the behavior of the particles can be controlled effectively. The simulated volume is using reflecting boundaries and encloses the hollow sphere. In this work, a highly flexible memory structure was used with a linked cell approach to cope with the highly flexible mass of particles. This allows for a linear complexity of the method in regard to the particle number by reducing the computational overhead of the interaction computation. Multiple numerical experiments show the great effect the particles have on the damping behavior of the system.

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In vielen technischen Anwendungen spielt heute der Leichtbau eine große Rolle, denn durch Gewichtseinsparungen lässt sich auch Energie einsparen. Allerdings birgt der Leichtbau die Gefahr einer erhöhten Störanfälligkeit gegenüber Vibrationen, die durch die Operation von Maschinen entstehen können. Das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Dresden beschäftigt sich mit den Möglichkeiten einer Schwingungsdämpfung durch Verbundwerkstoffe. Dabei wird in die Leichtbaustruktur eine Vielzahl von Hohlkugeln eingebracht, die mit Keramikpartikeln gefüllt sind. Diese Fragestellung bildet die technische Motivation für diese Arbeit. Ziel ist, ein Experiment zur Bestimmung des Restitutionskoeffizienten numerisch nachzubilden. Die Simulation basiert auf einer Diskreten Elemente Methode um die Trajektorien der einzelnen Partikel und der Kugel berechnen zu können. Basierend auf einem Potentialansatz für die Interaktionsberechnung in der Molekulardynamik kann das Reibungsverhalten vielfältig angepasst werden. Das Simulationsvolumen wird durch reflektierende Randbedingungen abgeschlossen und umfasst die Kugelhülle. Dazu kam eine hochflexible Speicherstruktur zum Einsatz, um die heterogene Verteilung der Partikel im Raum mit einer effizienten Linked Cell Methode abbilden zu können. Dadurch wird eine in der Partikelzahl lineare Komplexität erreicht. Umfangreiche numerische Experimente zeigen den großen Effekt der Partikelfüllung auf das Dämpfungsverhalten.