[논문 리뷰] Experimental estimations of viscoelastic properties of multilayer damped plates in broad-band frequency range

Kerem Ege, Thibault Boncompagne외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 11.

Structural Health Monitoring Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 광범위한 주파수 범위에서 폴리에틸렌 열가소성/알루미늄 이중판의 점탄성 특성—손실 인자와 엘라스티시티율—를 정확하게 추정하기 위해 고해상도 모드 분석(ESPRIT 알고리즘)을 사용하는 실험적 방법을 제시한다. 이 방법은 기존의 모드 분석 기술이 실패할 수 있는 고모드 겹침 영역에서도 높은 정밀도를 달성하며, 실험적 손실 인자가 두 이론 모델과 밀접하게 일치함으로써, 경량 다층판의 진동 감쇠 최적화에 있어 이 방법의 정확성을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광대역 주파수 영역에서 다층 감쇠판의 점탄성 특성을 식별하는 신뢰할 수 있는 실험적 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 이론 모델과 실험 결과를 비교하여 제안된 방법의 정확도를 평가하기 위해.
• 항공우주, 자동차 및 건설 분야의 경량 다층판에서의 감쇠 성능 최적화를 위해.
• 열가소성 수지 두께가 이중판의 점탄성 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존 방법이 실패할 수 있는 고모드 겹침 주파수 영역에서 이 방법의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 자유-자유 판에서 타격 해머로 자극을 주고, 고해상도 모드 분석을 위해 ESPRIT 알고리즘을 활용하여 정밀한 주파수 및 감쇠 데이터를 추출한다.
• 폴리에틸렌 열가소성/알루미늄 이중판에서의 타격 시험 데이터를 분석하여 광범위한 주파수 범위에서 손실 인자와 엘라스티시티율을 추정한다.
• 다양한 열가소성 수지 두께를 가진 여러 판에 대해 이 방법을 적용하여 두께에 따른 점탄성 거동을 평가한다.
• 결과를 두 이론 모델과 비교한다: 다층판에서의 파동 전파 기반 모델(Guyader & Lesueur, 1978)과 나비에 방정식의 두께 변형 해를 활용한 모델(Laulagnet & Guyader, 1994).
• ESPRIT의 고해상도 능력 덕분에 기존의 모드 분석 기술이 어려운 고모드 겹침 영역에서도 정확한 추정이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ESPRIT 알고리즘은 고모드 겹침 조건에서 다층 감쇠판의 점탄성 특성 추정에 정확하게 작용할 수 있는가?
• RQ2 실험적 손실 인자는 파동 전파 기반 모델과 나비에 방정식 기반 모델의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 열가소성 수지 두께가 이중판의 점탄성 거동에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 실험적 방법은 고감쇠 영역을 포함한 광범위한 주파수 범위에서 정확도를 유지하는가?
• RQ5 이 방법은 경량 구조 응용 분야에서 감쇠 성능 최적화에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• ESPRIT 기반 방법으로 측정한 실험적 손실 인자는 파동 전파 모델(Guyader & Lesueur, 1978)과 나비에 방정식 기반 모델(Laulagnet & Guyader, 1994)의 이론 예측과 강한 일치를 보였다.
• 기존 기술이 종종 실패하는 고모드 겹침 영역에서도 이 방법이 점탄성 특성을 성공적으로 추정하였다.
• 다양한 열가소성 수지 두께를 가진 여러 이중판에 대해 일관된 정확도를 보이며, 이 방법의 견고함을 확인하였다.
• 결과는 점탄성 특성이 뛰어나면서 질량이 낮은 응용 분야에서 폴리에틸렌 열가소성 수지를 사용할 수 있음을 검증하였다.
• ESPRIT 알고리즘의 고해상도 특성 덕분에 서로 가까운 모드와 감쇠 특성을 정밀하게 식별할 수 있었다.