PART I Hollow-sphere (HS) steel foam is a relatively new material whose cellular morphology and material properties qualify it as a metallic foam. This is an innovative foam-like material that exhibits high stiffness paired with low relative densities. Technological advancements in the past few decades have enabled the manufacturing of this material by a sintering process and, as a result, research has begun to accelerate as a multi-school collaboration effort for this particular work. Even though commercialization has been a challenge for metallic foams, it is imperative that researchers continue to prove and promote the advantages of metallic foams despite the current challenges posed by commercialization. One of the most promising characteristics of metallic foams is their energy absorption capacity. This work explores hollow-sphere steel foam’s ability to absorb energy at high strain rates under a dynamic impact load and builds upon an earlier work of quasi-static compression loading. Since most research in this field has been attributed to aluminum open-cell foams, the objective of this work seeks to build upon and apply existing methods to cultivate new research material for hollow-sphere steel foam. The premise of this work began with experimental research analyzing stress-strain relationships of a mass impacting samples of HS steel foam with different kinetic energies. As a result, material properties were extracted and quantified such as elastic modulus, yield stress, and energy absorption, among others. These properties set the foundation for the next set of research; finite element analysis whose objective is to develop a functional material model that could be used for a later application in structural engineering, such as a blast or crash impact. PART II The second part of this thesis applies structural engineering mechanics to a complex arboricultural project. A particular American elm (Ulmus americana L.) tree is the focus of analysis due to its usage for tree climbing competitions. Structurally, this work is relevant to structural engineering by involving finite element analysis of a branch of this American elm tree. This particular work has the objective of understanding how a particular American elm branch behaves structurally under a variety of dynamic loads with different input parameters. Before any of the analyses can be implemented, the definite geometry of the tree has to be measured and material properties have to be calculated. Field experimental data are imperative for this project so that the idealized model can represent the real system as best as possible. Following the data acquisition and modeling of the tree, loads that were either measured or calculated are applied. These loads can be idealized as an impulse load and a cyclic load, with variability imposed within each of them. It is within this variability of the parameters within the loads that the purpose of this work arises. By applying extreme loads upon this tree branch, critical points along the branch can be identified by calculating maximum bending and axial stresses. These stresses indicate not only the critical points along the primary branch but in addition, they indicate the magnitude and severity of these potential stresses, which can be compared directly with the mechanical properties of the wood in the branch. The final intent of this work is to contribute to the knowledge of how a particular branch behaves dynamically in order to better equip tree climbers, academics, and professionals by integrating structural mechanics and arboriculture.

Das Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der Dämpfungsmechanismen partikelgefüllter Hohlkugelstrukturen und die Charakterisierung ihres Dämpfungsvermögens, um werkstoffgerechte Konstruktionen zur Schwingungsdämpfung zu ermöglichen. Seit die Reduktion der Masse bewegter Baugruppen zur Reduktion des Energieverbrauchs von Maschinen in den Fokus der Entwicklung im Maschinenbau gerückt ist, und gleichzeitig der Anspruch an die Genauigkeit und Oberflächengüte der zu fertigenden Bauteile steigt, hat sich die Dämpfung mechanischer Schwingungen von einem dem Komfort dienenden Thema zu einer essentiellen Aufgabe vor allem in der Konstruktion von Werkzeugmaschinen gewandelt. In der Literatur werden viele Verfahren zur aktiven, semiaktiven und passiven Dämpfung mechanischer Schwingungen diskutiert. Industriell etabliert haben sich bisher hauptsächlich Verfahren, die auf der Dämpfung im Gefüge der Werkstoffe beruhen. Zur Aktivierung der Dämpfungsmechanismen im Gefüge ist immer eine Verformung des Werkstoffs notwendig. Die in der Arbeit untersuchten partikelgefüllten Hohlkugeln dagegen ermöglichen eine Starrkörperdämpfung. Ausgehend von der Erfahrung, dass eine fallen gelassene partikelgefüllte Hohlkugel kaum oder gar nicht hüpft, wurde ein Verfahren zur Messung der Dämpfungsfähigkeit von Einzelkugeln entwickelt. Es wurden die Parameter der partikelgefüllten Hohlkugeln identifiziert, die durch ihre Veränderung Rückschlüsse auf deren Dämpfungswirkung erwarten ließen. Von den Eigenschaften der Partikel, über technologische Messungen an den Pulvern, die Messung des Dämpfungsvermögens der Einzelkugel und der Dämpfung von Probekörpern bis hin zum Einsatz im Frässchlitten einer Beispielmaschine wurde das Dämpfungsverhalten des realen Werkstoffs untersucht. Durch die Abschätzungen anhand eines Modellsystems wurde eine vertiefte Vorstellung der in den partikelgefüllten Hohlkugeln ablaufenden Vorgänge erreicht. Anhand eines Frässchlittens einer Beispielmaschine konnte die Schwingungsdämpfung im Leichtbau nachgewiesen werden.:1 Einleitung 5 2 Literatur und Stand der Technik 7 2.1 Dämpfung mechanischer Schwingungen 7 2.1.1 Begriffsbestimmungen 7 2.1.2 Dämpfung im Gefüge von Werkstoffen 9 2.1.3 Besonderheiten der Dämpfung in zellularen metallischen Werkstoffen (ZMW) 13 2.1.4 Dämpfung durch Reibung zwischen Bauteilen 15 2.1.5 Modelluntersuchungen an Schlag- und Partikeldämpfern 15 2.1.6 Reibung in Pulvern und Schüttgütern 21 2.2 Kombination von Leichtbau und Schwingungsdämpfung im Maschinenbau 29 2.2.1 Notwendigkeit und Potential 29 2.2.2 Sandwichbauweise 29 2.3 Technologie 35 2.3.1 Herstellung ungefüllter Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen 35 2.3.2 Herstellung gefüllter Hohlkugeln im Labormaßstab 37 3 Ziel der vorliegenden Arbeit 39 4 Methoden 41 4.1 Probenherstellung 41 4.1.1 Ausgangsmaterialien 41 4.1.2 Beschichtung 42 4.1.3 Entbinderung und Sinterung 43 4.1.4 Partikelgefüllte keramische Hohlkugeln 44 4.1.5 Herstellung von Probekörpern 45 4.2 Charakterisierungsmethoden 47 4.2.1 Pulvercharakterisierung 47 4.2.2 Dämpfung von Einzelkugeln 52 4.2.3 Resonanzfrequenz – Dämpfungsanalyse (RFDA) 54 5 Ergebnisse 58 5.1 Partikelbewegung in gefüllten Hohlkugeln 58 5.2 Dämpfungspulver 61 5.2.1 Partikelform 61 5.2.2 Partikelgrößenverteilung 62 5.2.3 Pulverdichten 64 5.2.4 Veränderung der Partikeloberfläche 66 5.3 Dämpfung bei geringem Energieeintrag 67 5.4 Dämpfung der Partikel bei hohem Energieeintrag 69 5.4.1 Einfluss der Hausnerzahl 69 5.4.2 Einfluss der Fähigkeit zur Fluidisierung 71 5.4.3 Abhängigkeit vom Masseverhältnis 75 5.4.4 Abhängigkeit von der Partikelgröße 76 5.4.5 Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche 78 5.4.6 Abhängigkeit von der Kugelschale 79 5.5 Dämpfung von Bauteilen 81 5.5.1 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit von der Dämpfung der Einzelkugeln 81 5.5.2 Dämpfung von Probekörpern in Abhängigkeit vom Masseverhältnis Partikel – Probekörper 83 5.5.3 Volumenanteil der Einzelkugeln im Probekörper 84 5.5.4 Dämpfung in Abhängigkeit von der Anzahl der Dämpfungszentren 85 6 Diskussion 87 6.1 Analyse der Bewegungszustände der Partikel 87 6.2 Analyse der wirkenden Kräfte 89 6.3 Modellierung der Dämpfung 93 6.4 Folgerungen aus dem Modell 94 6.5 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen 98 6.5.1 Energiedissipation im Pulverbett 99 6.5.2 Fluidisierung des Pulverbettes 100 6.5.3 Gasartige Partikelbewegung 102 6.5.4 Füllgrad 103 6.5.5 Dämpfung im Verbundwerkstoff 106 6.6 Abschätzungen zur Bauteildämpfung 108 6.7 Anwendungsbeispiel Frässchlitten 109 6.7.1 Technische Ergebnisse 109 6.7.2 Kostenabschätzung im Manufakturbetrieb 113 7 Zusammenfassung 117 8 Danksagung 120 9 Anhang 122 9.1 Literaturverzeichnis 122 9.2 Berechnungen 130 9.2.1 Berechnung der Stoßzahl 130 9.2.2 Partikeloberfläche pro Hohlkugel 130 9.2.3 Füllgrad von Einzelkugeln 132 9.3 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 135 9.4 Verzeichnis der Abbildungen 139