Vibroacoustic modeling of sandwich foam core panels

Lightweight structures became widespread along the years in several industrial frameworks. Being characterized by a pretty rich basket of design parameters lightweight structures can be tailored exactly to the specific requirement. As main drawback, this class of structures tend to vibrate easily inducing undesired noise. Better performances can be obtained considering sandwich panels with foam core. The metallic skins, usually in Aluminium, provide bending resistance while the core material and structure can be selected to obtain the desired vibration damping and noise reduction performance. Therefore, a reliable vibroacoustic numerical model becomes a powerful designing tool. The aim of the current research is to develop an integrated numerical/experimental procedure to predict the vibroacoustic performances of a sandwich foam core panel. The innovative feature of the proposed methodology is the integration among all the relevant aspects for vibroacoustic structural behavior evaluation: material parameter identification, vibroacoustic numerical modelling and experimental validation of the modelling strategy. In literature, research works are typically focused either in material characterization or in numerical modeling. Conversely, the current research work considers the whole workflow required for a reliable vibroacoustic prediction. Each of the abovementioned aspects has been studied and designed. A dedicated experimental activity has been designed and carried out to obtain the material parameters required for the numerical model implementation. The panel core is a viscoelastic material that requires a specific identification procedure. The structural dynamic response has been evaluated through a Finite Element model while the coupled vibroacoustic problem has been tackled via a combined Finite Element - Boundary Element model. The model prediction capability has been assessed in terms of either vibration damping or sound transmission reduction performance. Dealing with lightweight structures makes the experimental activity more challenging, especially in terms of dynamic characterization. As a result few literature works present dynamic models of lightweight structures together with experimental validation. In the current research work instead the numerical/experimental comparison has been considered of fundamental importance for the assessment of the modeling strategy reliability.

Nel corso degli ultimi decenni l’impiego di strutture leggere ha assunto sempre maggior diffusione in svariati settori industriali. Questa tipologia di strutture è caratterizzata da una notevole versatilità: esse possiedono un ampio ventaglio di parametri progettuali che possono essere modificati e ottimizzati offrendo un paniere di soluzioni ingegneristiche potenzialmente infinito. Una fine messa a punto della sezione della struttura, in termini di configurazione, geometria e materiale, rende possibile adattarla allo specifico caso applicativo considerato. Il principale svantaggio di questa tipologia di strutture risiede nella facilità con cui esse possono essere messe in vibrazione, producendo contestualmente rumore indesiderato. Performance migliori dal punto di vista vibroacustico possono essere ottenute considerando pannelli sandwich con core in schiuma. Gli strati metallici esterni sono tipicamente di Alluminio e apportano principalmente rigidezza flessionale alla struttura. La struttura e la tipologia del materiale che costituisce il cuore del pannello possono essere selezionate al fine di ottenere le opportune performance di smorzamento delle vibrazioni e riduzione del rumore. La disponibilita’ di un modello numerico affidabile assume un ruolo fondamentale nel processo progettuale al fine di poter valutare differenti soluzioni ingegneristiche. L’obiettivo della presente ricerca è lo sviluppo di una procedura integrata numerico/sperimentale orientata alla predizione delle performance vibroacustiche di un pannello sandwich con cuore in schiuma. La principale caratteristica innovativa della metodologia proposta è l’integrazione tra i diversi aspetti utili al fine di valutare le performance vibroacoustiche di una struttura: identificazione dei parametri del materiale, modellazione numerica vibroacustica e validazione sperimentale della strategia di modellazione. In letteratura, tipicamente, è possibile trovare ricerche focalizzate principalmente su un aspetto specifico, quale la caratterizzazione dei materiali o la modellazione numerica. Al contrario, il presente lavoro considera l’intera procedura richiesta per la predizione affidabile delle performance vibroacoustiche. Tutti gli aspetti sopracitati sono stati approfonditi e progettati in maniera strutturata. I parametri del materiale utili per l’implementazione del modello numerico sono stati ottenuti attraverso un’attività sperimentale accuratamente studiata. Il cuore del pannello è un materiale viscoelastico e pertanto richiede una particolare procedura di identificazione dei parametri. La risposta dinamica della struttura è stata valutata tramite un modello a Elementi Finiti mentre il problema vibroacustico accoppiato è stato affrontato mediante un modello accoppiato Elementi Finiti – Elementi al Contorno. Le potenzialità predittive del modello sono state valutate in termini sia di smorzamento delle vibrazioni che di riduzione della trasmissione sonora attraverso il pannello. La caratteristica leggerezza della struttura esaminata rende la validazione sperimentale impegnativa, soprattutto in termini di identificazione del comportamento dinamico. Di conseguenza, in letteratura pochi lavori di ricerca presentano modelli dinamici di strutture leggere correlati da validazione sperimentale. Il presente lavoro invece, pone il confronto numerico sperimentale al centro della procedura di validazione del modello numerico.