Characterization of viscoelastic materials by means of spectral methods for aeronautical applications

Abstract

Um dos métodos de atenuação passiva de ruído mais utilizado em aeronaves, tema deste trabalho, consiste na aplicação de material viscoelástico na forma constrita aos painéis de fuselagem. Esta solução tem como objetivo atenuar o nível de vibração da estrutura (e consequentemente a irradiação sonora para o interior da aeronave) por meio de um aumento do amortecimento estrutural da mesma. Tendo em vista que tal procedimento se traduz em adição de material à fuselagem, a caracterização dos materiais utilizados deve ser precisa o suficiente para garantir níveis de atenuação satisfatórios com a menor adição de massa possível. Os métodos estabelecidos atualmente para tal caracterização, entretanto, apresentam algumas limitações que impedem a obtenção de propriedades de rigidez e amortecimento de maneira confiável para determinadas configurações, como por exemplo em casos de alto amortecimento e espessura muito fina do laminado. Este trabalho tem, portanto, como objetivo principal, a proposta de uma metodologia genérica de caracterização de propriedades de rigidez e amortecimento do material viscoelástico como funções da frequência e da temperatura, capaz de superar as limitações supracitadas. Além disto, com as propriedades do material viscoelástico em mãos, propriedades equivalentes para uma nova configuração de laminado podem também ser calculadas. São feitas validações tanto para resultados numéricos quanto experimentais obtidos para diferentes materiais e configurações do laminado. Por fim, são também feitas validações de resultados para o fator de perda de uma estrutura genérica com aplicação parcial do material viscoelástico com foco na metodologia de estruturas periódicas.

Abstract: One of the most widely used passive noise attenuation methods in aircrafts regards the application of viscoelastic material on its constrained form to the fuselage panels. This solution aims to attenuate the fuselage vibration level (and consequently the sound radiation to the interior of the aircraft) by means of an increase of its structural damping. Since such a procedure results in mass addition to the fuselage, the characterization of the materials used should be accurate enough to ensure satisfactory levels of attenuation with the lowest mass increase possible. The methods currently established for such a characterization, however, present some limitations that prevent obtaining reliable stiffness and damping properties for certain configurations, such as in cases of high damping and very thin laminates. With this in mind, this work has as its main goal the development of a generic methodology for the characterization of stiffness and damping properties of viscoelastic materials as functions of frequency and temperature, capable of overcoming the aforementioned limitations. Moreover, with the properties of the viscoelastic material in hands, equivalent properties for a new laminate configuration can also be calculated. Validations are made for both numerical and experimental results considering different materials and configurations of a laminated composite. Finally, results validations are also made for the loss factor of a generic structure with partial application of the viscoelastic material with focus on the periodic structures method.