Ausbreitung elastischer Wellen in Verbundwerkstoffen
Die Materialwissenschaft ist in den letzten 25 Jahren stark vorangeschritten, größtenteils durch Entwicklungen in der Nanotechnologie, der Quantenmechanik und bei experimentellen Charakterisierungsverfahren. Für die Konstruktion von Geräten der nächsten Generation ist es entscheidend, ein tieferes Verständnis der Materialeigenschaften zu erlangen. Mit EU-Unterstützung des Projekts DYNA META 11 (Controlling elastic waves: structured media and metamaterials in the mechanics of solids and structures) befassten sich Forscher mit der Ausbreitung elastischer Wellen in strukturierten Medien. Die Wissenschaftler erstellten und modellierten mehrere unterschiedliche hoch kontrastreiche (äußerst inhomogene) halb-eigenständige Strukturen. Hoch kontrastreiche periodische Medien können Sperrbänder aufweisen, d. h. Lücken in den Frequenzen von Wellen, die sich ausbreiten können. Eines der untersuchten Systeme war ein lokal resonantes elastisches Metamaterial, das auch eine negative Brechung der Wellenbahn verursachte. Anwendungen umfassen nach Wellenfrequenz filternde, reflektierende und fokussierende Geräte. Die Forscher fuhren dann mit der Entwicklung eines Modells einer Biegewelle fort, die sich durch eine periodisch unterstützte, eigenständige Struktur bewegt, die auf reale Brücken anwendbar ist. Das Team berücksichtige auch die Ausbreitung eines Fehlers oder eines Risses am Rand einer thermo-elastischen Gitterstruktur, was für Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbewertungen in der Kernindustrie von hoher Bedeutung ist. Die Forscher von DYNA META 11 befassten sich mit der Entwicklung von "Tarnkappen" auf Grundlage von geometrischen Transformationen, die für Akustik und elastische Wellen außerhalb einer Ebene anwendbar sind. Hier entwickelten die Wissenschaftler transformationsbasierte Theorien, um die Qualität der Kappen sowie der Biegeumformungen in dünnen Platten zu bewerten. Letzteres zeigte im Gegensatz zu früheren Forschungen, dass es möglich ist, eine Tarnkappe für solche Systeme mit wesentlichen Vereinfachungen zu erstellen. Abschließend befasste sich das Team mit der optimalen Konstruktion von realistischen, schlanken Bauwerken. In einem Fall wendeten die Wissenschaftler mathematische Algorithmen an, um die Filterung und Polarisation zu vereinfachen und so das Vorbeileiten unerwünschter elastischer Wellen zu ermöglichen. Mit dem Algorithmus wurde die Geschwindigkeit der Fehlerausbreitung beim feuerbedingten Einsturz der San Saba-Brücke in Texas im Mai 2013 vorhergesagt – sehr einfach und mit äußerst hoher Genauigkeit. DYNA META 11 führte zu wichtigen mathematischen Beschreibungen der Ausbreitung elastischer Wellen in strukturieren Medien einschließlich Metamaterialien wie Tarnkappen. Genaue numerische Simulationen lieferten Erkenntnisse zu real vorhandenen Problemen und erweiterten unser Wissen über die noch kaum verstandene negative Brechung der Elastizität.
Schlüsselbegriffe
Elastische Wellen, Ausbreitung, Verbundwerkstoff, periodisch, hoher Kontrast, Metamaterial, Brücke, Kappe
