Determinação do amortecimento de painéis aeronáuticos a partir da caracterização dinâmica de materiais viscoelásticos via ajuste de modelo

Abstract

A redução do ruído de cabine é de suma importância no projeto de aeronaves. Neste cenário, métodos passivos para controle de vibrações são amplamente utilizados. Dentre os métodos passivos, a adição de amortecimento ao sistema a partir da aplicação de materiais viscoelásticos à fuselagem torna-se uma prática viável pelas características físicas e dinâmicas desta classe de materiais. Materiais viscoelásticos, quando aplicados na forma constrita a uma base metálica, proporcionam altos valores de amortecimento e resultam em uma redução do ruído interno da cabine com baixa adição de massa. Entretanto, a correta caracterização das propriedades dinâmicas desses materiais é fundamental para a obtenção de modelos numéricos que possibilitem a correta predição do comportamento de estruturas com materiais viscoelásticos. Todavia, os métodos já estabelecidos possuem limitações para caracterização de estruturas altamente amortecidas. Neste trabalho, é apresentada uma metodologia para a caracterização na forma de um material equivalente do sistema constituído pelo composto viscoelástico na forma constrita e pelo material base. Esta metodologia engloba as partes experimental e numérica. Em relação à parte experimental, são detalhados os procedimentos e equipamentos utilizados, assim como os resultados obtidos. Na parte numérica é construído um modelo em elementos finitos para representar o experimento. Com esse modelo, é feito o ajuste de curvas variando as propriedades dinâmicas através do uso de métodos de otimizacão, de onde são obtidos o módulo de elasticidade e o fator de perda para o material equivalente. É apresentada uma validação para esta metodologia feita a partir da utilização de um software comercial e do método da banda de meia potência. Para estimar o fator de perda de estruturas amortecidas foram aplicados procedimentos experimentais e numéricos. O procedimento experimental é detalhado e com seus resultados aplica-se o Método da Potência de Entrada (PIM - Power Input Method) para obter o fator de perda. Os modelos numéricos foram criados para representar os sistemas experimentais, sendo que as propriedades equivalentes obtidas pela metodologia desenvolvida foram prescritas para a região com material de amortecimento. O fator de perda obtido por estes modelos a partir do PIM e de Estruturas Periódicas é analisado. Por fim, os resultados de fator de perda para o PIM experimental e numérico são comparados.

Abstract: The cabin noise reduction is of paramount importance in aircraft design. In this scenario, passive vibration control methods are widely used. Among the passive control methods, the system damping increase with viscoelastic materials application to the fuselage becomes a viable practice due to the physical and dynamic properties of this class of materials. Viscoelastic materials, when applied in the constrained form to a metallic base, provide high damping values and result in a cabin noise reduction with low mass addition. However, the correct characterization of the dynamic properties of these materials is fundamental to create numerical models that allow the correct prediction of strcutures with viscoelastic materials. Meanwhile, the already established methods have limitations for the characterization of highly damped structures. In this work, a methodology is presented for the characterization of the equivalent material composed by the viscoelastic material in the constricted form and by the base material. This methodology encompasses both the experimental and the numerical part. In relation to the experimental part, the procedures and equipment used, as well as the results obtained, are detailed. In the numerical part a Finite Element model is build to represent the experiment. With this model, curves are fitted by modifying the dynamic properties through the use of optimization methods. After the curve fiting the Young s modulus and the damping loss factor are estimated for the equivalent material. Two validations are presented for this methodology: comparing with a commercial software and comparing with the application of the half-power bandwidth method. To estimate the damping loss factor of damped structures, experimental and numerical procedures were applied. The experimental procedure is detailed and with its results the Power Input Method (PIM) is applied to obtain the loss factor. Numerical models were created to represent the experimental systems, where the equivalent properties obtained by the developed methodology were prescribed for the region with damping material. The loss factor obtained by these models using the PIM and Periodic Structures is analyzed. To conclude, the loss factor results for the experimental and numerical PIM are compared.