Development of a simulation framework for dynamically loaded multifunctional composite structures and evaluation of vibration control performance

Abstract

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die dynamische belastete multifunktionale mit Polymerelektrolyt beschichtete Kohlefaser (PeCCF) in einer Faserverbundstruktur untersucht. Die PeCCF Faserverbundstruktur ist eine multifunktionale Struktur, die Belastung aufnehmen und gleichzeitig elektrische Energie speichern und transportieren kann. Wegen des elektrischen Widerstands der PeCCF Faserverbundstruktur steigt die Temperatur in der Schicht, wodurch sich die Steifigkeit der Polymerelektrolyt Beschichtung reduziert. Die Steifigkeit ist zusätzlich abhängig von der Faserorientierung und Faservolumenanteil. Mit dieser multiphysikalischen Eigenschaft wird eine potentielle Leistung der PeCCF Composite Struktur zur Schallreduktion und Vibrationskontrolle erwartet, weil die Eigenfrequenzen der Struktur von der Steifigkeit abhängig sind. In dieser Arbeit wird eine Simulation der linear elastischen Faserverbundstruktur in COMSOL und Matlab durchgeführt, um das Potential zur Vibrationskontrolle und Schallreduktion zu analysieren. Außerdem werden geeignete Parameter optimiert, damit der Kabinenlärm in bestimmten Flugphasen reduziert werden kann. Die entwickelte Struktur hat weiterhin eine ausreichende Steifigkeit, um die Anforderungen an eine Flugzeugstruktur zu erfüllen.

Within the framework of this master’s thesis, a dynamically loaded multifunctional polymer electrolyte coated carbon fibre (PeCCF) composites structure is investigated. The PeCCF composite structure is a multifunctional structure, which provide the load bearing function simultaneously can store and transport electric energy. Due to electric resistance in the composite structure, the structure interior temperature rises which reduces the stiffness of polymer electrolyte coating, so that the structural stiffness is significantly reduced. Moreover, the structural stiffness depends on fibre orientation and fibre volume fraction. With this multi-physical material behavior, this composite structures can be used for sound reduction and vibration control since the natural frequency of structure depends on its stiffnesses. In this thesis a simulation framework of PeCCF composite structure in COMSOL and Matlab is developed to analyse its vibration reduction potential. Furthermore, suitable design parameters are identified to optimize the vibration reduction for exemplary application scenarios. Furthermore the developed PeCCF composite structure is able to withstand the load during the flight.