Untersuchung von Eigenschwingung und Leichtbaupotenzial unterschiedlicher Gitterstrukturen am Beispiel von Magnetuntergestellen von Teilchenbeschleunigern
Die Untersuchung des Einflusses struktureller Komponenten auf die Struktureigenschwingungen ist für viele Anwendungsbereiche wie Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt, Bauwesen und Optik von großem Interesse. Die Schalen von marinen Protozoen weisen eine enorme Vielfalt an regulären und irregulären Waben- und Gitterstrukturen auf, die häufig verschiedene Funktionen erfüllen. Die Silikatschalen von Diatomeen zeichnen sich beispielsweise durch eine hohe Steifigkeit bei geringer Masse aus und dienen bereits als Inspiration für Leichtbauweisen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die unregelmäßigen Diatomeenstrukturen einen positiven Einfluss auf die Schwingungseigenschaften haben. In dieser Studie wurde eine Magnetträgerstruktur (girder) eines Teilchenbeschleunigers durch biologisch inspirierte Gitterstrukturen ersetzt, um eine hohe erste Eigenfrequenz und Steifigkeit zu erreichen. Die biologisch inspirierten Strukturen ließen sich mit Hilfe von Algorithmen parametrisch konstruieren. Multikriterielle Optimierungsrechnungen unter Verwendung der Evolutionsstrategie erlaubten ein Auffinden bestmöglicher Parameterkombinationen zum Erreichen der gewünschten Ziele. Die Ergebnisse verdeutlichten ein hohes Potenzial von Gitter- und Wabenstrukturen zur Beeinflussung der Schwingungseigenschaften. Unregelmäßige Strukturen führten hierbei zu signifikant höheren Eigenfrequenzen und Steifigkeiten als regelmäßige. Außerdem entstanden Strukturen gleicher Steifigkeit und unterschiedlicher erster Eigenfrequenzen, während die Massen innerhalb der zulässigen Werte blieben. Im Hinblick auf die Magnetträgerstruktur erhöhten sich durch den Einsatz der biologisch inspirierten Gitterstrukturen die erste Eigenfrequenz um einen Faktor von 1.4 und die Steifigkeit um einen Faktor von 1.9 im Vergleich zur Referenzstruktur.