Werkstoffgerechte Charakterisierung und Modellierung des akustischen Verhaltens thermoplastischer Kunststoffe für Körperschallsimulationen

Die gestiegene Leistungsfähigkeit der Polymerwerkstoffe hat dazu geführt, dass Kunststoffbauteile heute in technischen Anwendungen zum Einsatz kommen, in denen sie sehr vielfältigen und hohen Ansprüchen genügen müssen. Neben der mechanischen Steifigkeit und Festigkeit werden dabei zunehmend auch Anforderungen an die akustischen Eigenschaften dieser Bauteile gestellt. Beispielsweise kann das akustische Verhalten einer Zylinderkopfhaube einen signifikanten Anteil zu der Gesamtschallabstrahlung eines Verbrennungsmotors beitragen und damit den Geräuschkomfort beeinflussen. Zur Erfüllung gesetzlicher Auflagen bezüglich der Geräuschemission und zur Erhöhung der durch den Kunden empfundenen Produkt- bzw. Geräuschqualität wird daher auch für Kunststoffbauteile eine akustische Optimierung immer wichtiger. Diese stützt sich mangels Alternativen meist auf zeit- und kostenintensive experimentelle Untersuchungen. Simulationsverfahren konnten sich hingegen noch nicht in diesem Bereich durchsetzen. Dies ist auf die Defizite bei der werkstoffgerechten Charakterisierung und Modellierung der für das akustische Verhalten maßgeblichen Werkstoffeigenschaften der Kunststoffe zurückzuführen.
Um eine kunststoffgerechte Körperschallsimulation zu ermöglichen, beschäftigt sich diese Arbeit daher mit der Ausräumung der genannten Defizite. Es werden unterschiedliche Möglichkeiten der Materialdatenermittlung untersucht, die zur Erweiterung des charakterisierten Zeit- bzw. Frequenzbereichs mit dem Zeit/Temperatur-Verschiebungsprinzip kombiniert werden. Darüber hinaus wird ein alternative Methodik entwickelt und erprobt, die auf dem Prinzip des Reverse Engineering beruht und in der Lage ist, ohne Extrapolation das Werkstoffverhalten im gesamten interessierenden Frequenzbereich zu charakterisieren.
Die für die Werkstoffe Polyamid 6.6, Polyoxymethylen und Polypropylen ermittelten Materialdaten werden anschließend für Körperschallsimulationen im Frequenz- und im Zeitbereich eingesetzt, wobei verschiedene Methoden zur Transformation der Werkstoff- und Simulationsdaten genutzt werden. Abschließend wird auch für die Berechnung von kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen eine Möglichkeit zur integrativen Körperschallsimulation entwickelt und erprobt.
Mit den in dieser Arbeit dokumentierten Untersuchungen erschließen sich dem Anwender wesentliche Grundlagen bezüglich der Werkstoffcharakterisierung und -modellierung für die kunststoffgerechte Umsetzung von Körperschallsimulationen.