PhonoFluBa

Forschungsprojekt zur Minderung von Lärm im Flugzeuginneren

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Werkstoffe mit außergewöhnlichen Eigenschaften

Phononische Metamaterialien

Phononische Metamaterialien (PMM) sind künstlich entwickelte Werkstoffe, deren innere Struktur gezielt so gestaltet wird, dass sie die Ausbreitung mechanischer Wellen beeinflussen. Dadurch können Schwingungen und Körperschall in definierten Frequenzbereichen deutlich reduziert werden, bei gleichzeitig geringem Gewicht. Diese Eigenschaften machen PMM zu einer vielversprechenden Technologie für zukünftige Leichtbaustrukturen im Flugzeugbau.

Mit dem Forschungsprojekt PhonoFluBa im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo VII-1 soll ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur industriellen Nutzung dieser Werkstoffe gelingen. Ziel ist es, neue numerische Berechnungsverfahren zu entwickeln, mit denen sich phononische Metamaterialien gezielt für konkrete Anwendungen im Flugzeugbau auslegen lassen. Auf diese Weise sollen aufwendige Entwicklungszyklen mit zahlreichen physischen Prototypen künftig weitgehend durch simulationsgestützte Entwicklungsprozesse ersetzt werden.

Projektziel und Vorgehen

Verbesserter Reisekomfort in Flugzeugen

Im Mittelpunkt des Verbundvorhabens steht die Entwicklung einer durchgängigen Simulationsmethodik für Bauteile aus phononischen Metamaterialien. Hierfür werden zwei innovative numerische Verfahren miteinander kombiniert. Durch die Kopplung beider Verfahren soll erstmals eine rechnergestützte Entwicklung von PMM-Komponenten ermöglicht werden, die exakt auf die vibroakustischen Anforderungen zukünftiger Flugzeugstrukturen abgestimmt sind. Die entwickelten Methoden werden abschließend anhand einer realen Musterkomponente experimentell validiert.

Spektral-Elemente-Methode (SEM)
SEM zur effizienten Berechnung der Wellenausbreitung in komplexen Metamaterialstrukturen
inversen Topologieoptimierung (ITO)
Verfahren der ITO zur gezielten Gestaltung der inneren Materialstruktur

Rolle der Novicos GmbH

Als Konsortialführer verantwortet die Novicos GmbH die Entwicklung der Spektral-Elemente-Methode und deren Integration in bestehende Finite-Elemente-Modelle. Ziel ist es, Flugzeugstrukturen mit integrierten phononischen Metamaterialien effizient und mit hoher Genauigkeit simulieren zu können.

Novicos bringt seine langjährige Erfahrung in den Bereichen numerische Akustik, Strukturdynamik und Messtechnik in das Projekt ein. Das Unternehmen beteiligt sich an der Definition luftfahrtspezifischer Anforderungen, der Bewertung geeigneter Materialkonzepte sowie der Entwicklung vibro-akustische Modelle.

Zum Abschluss des Projekts wird Novicos eine Musterkomponente herstellen, deren Fertigung koordinieren und unter Laborbedingungen vermessen. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment bildet die Grundlage für die Validierung der entwickelten Berechnungsverfahren.

Zusammenarbeit im Verbund

Projektpartner Novicos GmbH und HAW Hamburg (Adaptronik und Strukturdynamik)

Während Novicos die Entwicklung der Spektral-Elemente-Methode sowie deren praktische Anwendung und experimentelle Validierung übernimmt, entwickelt die HAW Hamburg neue Verfahren der inversen Topologieoptimierung zur automatisierten Auslegung phononischer Metamaterialien. Gemeinsam entsteht so eine durchgängige Entwicklungsumgebung für zukünftige PMM-Komponenten im Flugzeugbau.

Arbeitsschwerpunkte

Die Projektarbeiten gliedern sich in sechs aufeinander aufbauende Themenbereiche. Dadurch entsteht eine vollständige Entwicklungskette von den Anforderungen über die numerische Auslegung bis hin zur messtechnischen Verifikation.

1. Anforderungsdefinition

Definition der luftfahrtspezifischen Anforderungen und Auswahl geeigneter Demonstrator-Komponenten

2. Designsystematik

Entwicklung einer Designsystematik für phononische Metamaterialien

3. Physikalische Referenzmodelle

Aufbau physikalischer Referenzmodelle auf Basis konventioneller Finite-Elemente-Methoden

4. Kopplung SEM/FEM

Entwicklung und Implementierung der Spektral-Elemente-Methode einschließlich ihrer Kopplung mit der Finite-Elemente-Methode

5. inverse Topologieoptimierung

Integration der inversen Topologieoptimierung zur automatisierten Materialauslegung

6. Experimentelle Validierung

Experimentelle Validierung der entwickelten Methoden anhand einer Musterkomponente

Nutzen für die Luftfahrt

Gemeinsam mit einem hochkarätigen Konsortium aus Industrie und Wissenschaft arbeiteten wir an wegweisenden Methoden der Qualitätssicherung:

Phononische Metamaterialien besitzen das Potenzial, zukünftige Flugzeugstrukturen leichter und gleichzeitig schwingungsärmer auszulegen. Dadurch können sowohl der akustische Komfort in der Kabine als auch die strukturelle Leistungsfähigkeit verbessert werden.

Die im Projekt entwickelten Simulationsmethoden sollen die Entwicklung solcher Werkstoffe erheblich beschleunigen und die Zahl kostenintensiver physischer Prototypen deutlich reduzieren. Langfristig können die Ergebnisse einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Luftfahrt leisten und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit des Luftfahrtstandorts Deutschland stärken.

Ihr Ansprechpartner

Gern stehe ich Ihnen für Fragen sowie weiteren Details zur Durchführung von PhonoFluBa zur Verfügung.

Dr.-Ing. Thorben Schröder

Weitere Details

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