[論文レビュー] Experimental estimations of viscoelastic properties of multilayer damped plates in broad-band frequency range

Kerem Ege, Thibault Boncompagne+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2012

Structural Health Monitoring Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高分解能モード解析（ESPRITアルゴリズム）を用いた実験的手法を提示し、広帯域周波数範囲においてポリエチレン熱可塑性/アルミニウム二重板の viscoelastic 特性（損失係数およびヤング率）を高精度に推定する。この手法は、高モード重複領域でも高い精度を達成でき、実験的損失係数は2つの理論モデルとよく一致し、軽量多層板の減衰最適化に本手法の正確性が裏付けられる。

ABSTRACT

Regarding lightweighting structures for aeronautics, automotive or construction applications, the level of performance of solutions proposed in terms of damping and isolation is fundamental. Hence multilayered plate appears as an interesting answer if damping performances are properly optimized. In this paper, a novel modal analysis method (Ege et al, JSV 325 (4-5), 2009) is used to identify viscoelastic properties (loss factors, Young's modulus) of "polyethylene thermoplastic / aluminum" bilayer plates. The thermoplastic is chosen for its high loss factors and relative low mass. The experimental method consists in a high-resolution technique (ESPRIT algorithm) which allows precise estimations of the viscoelastic properties even in frequency domains with high modal overlap (high damping or modal density). Experimental loss factors estimated from impact hammer excitations on the free-free plates highly corresponds with two theoretical estimations. In the first model (Guyader & Lesueur, JSV 58(1), 1978) the calculation is based on multilayered plates equations and use wave propagation analysis ; in the second one (Laulagnet & Guyader, JASA 96(1), 1994) the thickness deformation solving Navier's equations is allowed. Results on several plates with several thicknesses of thermoplastics are given and compared with the models, demonstrating the validity of the approach.

研究の動機と目的

• 広帯域周波数範囲において、多層減衰板の viscoelastic 特性を特定する信頼性の高い実験的手法を開発すること。
• 提案手法の正確性を、実験結果と確立された理論的モデルとの比較により評価すること。
• 航空宇宙、自動車、建設分野における軽量多層板の減衰性能最適化を目的とすること。
• 熱可塑性の厚さが二重板における viscoelastic 特性に与える影響を評価すること。
• 従来手法が失敗する可能性がある高モード重複周波数領域において、本手法の有効性を検証すること。

提案手法

• 自由・自由境界の板にハンマーアクセラレーションを加えた際の周波数および減衰特性を高分解能モード解析（ESPRITアルゴリズム）を用いて正確に抽出する。
• ポリエチレン熱可塑性/アルミニウム二重板のインパクト試験から得られた実験データを解析し、広帯域周波数範囲における損失係数およびヤング率を推定する。
• 異なる熱可塑性の厚さを有する複数の板に本手法を適用し、厚さ依存の viscoelastic 特性の評価を実施する。
• 結果を2つの理論的モデルと比較する：1つは多層板内の波動伝播に基づくモデル（Guyader & Lesueur, 1978）、もう1つはナビエ方程式の厚さ方向変形解を用いたモデル（Laulagnet & Guyader, 1994）。
• ESPRITの高分解能特性により、従来手法が困難な高モード重複領域でも正確な推定が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ESPRITアルゴリズムは、高モード重複条件下でも多層減衰板の viscoelastic 特性を高精度に推定できるか？
• RQ2 実験的損失係数は、波動伝播モデルおよびナビエ方程式に基づくモデルからの理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ3 熱可塑性の厚さが二重板の viscoelastic 特性にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 本提案実験手法は、広帯域周波数範囲、特に高減衰領域においても正確性を維持できるか？
• RQ5 本手法は、軽量構造応用分野における減衰性能最適化に信頼性を持って応用可能か？

主な発見

• ESPRITに基づく手法で得られた実験的損失係数は、波動伝播モデル（Guyader & Lesueur, 1978）およびナビエ方程式に基づくモデル（Laulagnet & Guyader, 1994）からの理論的予測と強く一致した。
• 本手法は、従来手法がしばしば失敗する高モード重複領域においても、viscoelastic 特性を正確に推定できた。
• 異なる熱可塑性の厚さを有する複数の二重板に対して一貫した正確性を示し、本手法のロバスト性を確認した。
• 結果から、構造システムにおける高減衰・低質量応用に向けたポリエチレン熱可塑性の使用が妥当であることが裏付けられた。
• ESPRITアルゴリズムの高分解能特性により、密に近接したモードおよび減衰特性の正確な同定が可能となった。