An experimental parametric analysis of particle dampers for optimizing their applications

Abstract

Particle damping is a passive vibration mitigation technique that harnesses the inherent dissipative properties of granular materials. By strategically incorporating these materials into vibrating structures, significant energy dissipation can be achieved through particle-particle and particle-wall collisions. However, the complex interactions between particle properties, cavity geometry, packing arrangement, and excitation conditions have made it difficult to develop a comprehensive design framework. This work addresses these challenges through extensive experimental investigations, identifying key design parameters and their effects on vibration reduction, ultimately establishing a robust framework for optimizing particle damper performance. Advancements in particle damping are presented, focusing on overcoming the limitations of conventional particle dampers made from traditional granular materials (e.g. steel and lead). While these dampers effectively reduce vibration amplitudes in high-frequency ranges, their performance at low frequencies is often limited. A significant contribution of this thesis is the development of recycled rubber particle dampers (RRPDs) made from automotive tire waste. These dampers not only reduce vibrations across both high- and low-frequency ranges but also minimize additional mass, making them suitable for the lightweight industry. Additionally, this study examines the impact of polydisperse granular materials on vibration attenuation, an area underexplored in previous studies. The findings indicate that both particle size and particle size distribution are critical to optimizing damper efficiency. Another significant challenge in the field of particle damping is the inadequate kinetic energy generated by the main structure, which often fails to mobilize the granular particles within the damper. Without sufficient kinetic energy, the granular materials cannot effectively interact through particle-particle and particle-wall collisions, limiting the overall damping performance. To overcome this issue, three innovative passive design variants are introduced in this thesis, namely: the thin wall cavity (TWC), the thin wall cavity with additional sheets (TWC-AS), and the ring cavity (RC). These designs effectively introduce additional kinetic energy into the granular materials, enhancing their mobilization and improving damping performance. The long-term reliability of particle dampers, particularly under prolonged loading conditions, has remained largely unexplored. To address this, an extensive durability test was conducted to evaluate the performance of dampers incorporating rubber granulates under high-amplitude cyclic loading and varying temperature conditions over an extended period. The results showed that, even after prolonged exposure to these challenging conditions, the dampers retained their vibration attenuation capabilities. This demonstrates that rubber granulate-based particle dampers are not only effective in the short term but are also capable of sustaining performance under long-term loading conditions, making them a promising solution for real-world engineering applications. Lastly, this work bridges the gap between laboratory research and industrial applications by testing the examined design parameters on full-scale structures, such as wind turbine generators, blades, and electric vehicles. The results show that particle dampers, designed according to the proposed framework, can be effectively implemented in large-scale engineering systems. This thesis provides valuable new insights and introduces innovative advancements in particle damping technology. These developments enhance the efficiency and durability of particle dampers, addressing key limitations and optimizing their performance. Furthermore, the research offers practical and effective solutions for applying particle damping in industrial-scale structures, demonstrating its efficiency in improving the performance and reliability of engineering systems in real-world applications. Through these contributions, this work significantly advances both the theoretical understanding and practical implementation of particle damping technology.

Partikeldämpfer stellen ein passives Verfahren zur Reduktion mechanischer Schwingungen dar, dessen Wirkprinzip auf den dissipativen Eigenschaften granularer Materialien beruht. Durch die gezielte Integration dieser Materialien in schwingungsbeanspruchte Strukturen erfolgt eine effiziente Energiedissipation infolge von Partikel-Partikel- sowie Partikel-Wand-Kollisionen. Die Entwicklung eines übertragbaren und umfassenden Gestaltungsansatzes für Partikeldämpfer wird jedoch durch die komplexen Wechselwirkungen zwischen partikelbezogenen Materialeigenschaften, Kavitätsgeometrie, Packungsdichte und den jeweiligen Anregungsbedingungen erheblich erschwert. Die vorliegende Arbeit setzt sich mit diesen Herausforderungen auseinander, indem sie auf systematische experimentelle Untersuchungen zurückgreift, zentrale Einflussparameter sowie deren Wirkung auf die Schwingungsdämpfung herausarbeitet und auf dieser Grundlage ein robustes Optimierungskonzept für die Auslegung von Partikeldämpfern entwickelt. Aufbauend auf diesen Grundlagen werden im weiteren Verlauf neue Entwicklungen im Bereich der Partikeldämpfer vorgestellt, die darauf abzielen, die Beschränkungen konventioneller Dämpfungskonzepte zu überwinden. Während herkömmliche Partikeldämpfer zwar eine wirksame Reduktion von Schwingungsamplituden im Hochfrequenzbereich ermöglichen, zeigen sich oftmals Defizite hinsichtlich der Dämpfung im Niederfrequenzbereich. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit liegt daher in der Entwicklung gummibasierter Partikeldämpfer (Recycled Rubber Particle Dampers, RRPDs), die aus Altreifenmaterial gefertigt werden. Diese Dämpfer erlauben eine effiziente Schwingungsreduktion sowohl im Hoch- als auch im Niederfrequenzbereich, wobei die zusätzliche Masse gering bleibt – ein entscheidender Vorteil für Leichtbauanwendungen. Ergänzend erfolgt eine Analyse des Einflusses polydisperser granularer Materialien auf die Schwingungsdämpfung, einem bislang nur unzureichend adressierten Forschungsaspekt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl die absolute Partikelgröße als auch die Partikelgrößenverteilung maßgebliche Parameter für die Optimierung der Leistungsfähigkeit von Partikeldämpfern darstellen. Darüber hinaus wird eine weitere zentrale Herausforderung adressiert, die in der begrenzten Mobilisierung granularer Partikel liegt. Diese tritt infolge einer unzureichenden kinetischen Energie der Hauptstruktur auf und reduziert die Effizienz der Schwingungsdämpfung. Zur Lösung dieses Problems werden drei innovative passive Konstruktionskonzepte vorgestellt: die Dünnwandkavität (Thin-Walled Cavity, TWC), die Dünnwandkavität mit zusätzlichen Platten (TWC with Additional Sheets, TWC-AS) sowie die Ringkavität (Ring Cavity, RC). Diese Ansätze verbessern die Energieübertragung auf die Partikel, intensivieren deren Bewegung und steigern dadurch die Dämpfungsleistung signifikant. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der langfristigen Zuverlässigkeit von Partikeldämpfern, die bislang nur unzureichend erforscht ist. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreicher Dauertest durchgeführt, bei dem die Leistungsfähigkeit gummigranulatbasierter Partikeldämpfer unter zyklischen Hochamplitudenbelastungen sowie variierenden Temperaturbedingungen über einen längeren Zeitraum systematisch bewertet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Dämpfer auch nach langandauernder Beanspruchung ihre schwingungsdämpfenden Eigenschaften beibehalten. Damit wird nachgewiesen, dass Partikeldämpfer auf Basis von Gummigranulat nicht nur kurzfristig wirksam sind, sondern auch unter Langzeitbelastung eine stabile Leistungsfähigkeit aufweisen und sich somit als besonders vielversprechende Lösung für ingenieurtechnische Anwendungen qualifizieren. Abschließend wird eine Brücke zwischen laborbasierten Untersuchungen und industriellen Anwendungen geschlagen, indem die identifizierten Designparameter an großtechnischen Strukturen wie Windturbinen-Generatoren, Rotorblättern und Elektrofahrzeugen evaluiert werden. Die Ergebnisse belegen, dass Partikeldämpfer, die auf Grundlage des entwickelten Designrahmens konzipiert wurden, erfolgreich in großskaligen ingenieurtechnischen Systemen implementierbar sind. Zusammenfassend generiert diese Dissertation neue wissenschaftliche Erkenntnisse sowie innovative Konzepte zur Weiterentwicklung der Partikeldämpfertechnologie. Die erzielten Resultate leisten einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz und Langlebigkeit von Partikeldämpfern, indem bestehende Beschränkungen gezielt adressiert und die Leistungsparameter systematisch optimiert werden. Darüber hinaus werden praxisorientierte Lösungsansätze für den industriellen Einsatz bereitgestellt, welche die Effektivität der Partikeldämpfung zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit technischer Systeme in realen Anwendungen nachweisen. Damit erbringt die vorliegende Arbeit einen substantiellen Beitrag sowohl zur theoretischen Fundierung als auch zur praktischen Implementierung der Partikeldämpfertechnologie.