Development and application of a novel semi-active piezoelectric tuned mass damper for robust vibration control of flexible structures with focus on airframe structures
Authors: Χατζηαθανασίου Γρηγόριος 
Published: July 2024

Μηχανικά συστήματα και κατασκευές ενδέχεται να αντιμετωπίσουν συνθήκες ή δυναμικές διεγέρσεις που οδηγούν σε ταλαντωτικές κινήσεις και κραδασμούς. Οι εύκαμπτες κατασκευές, όπως ελαφρά μέσα μεταφοράς (αεροσκάφη, ελικοφόρα, σκάφη αναψυχής, κ.λπ.) είναι πιο επιρρεπείς σε ταλαντώσεις υψηλού πλάτους, λόγω των χαμηλόσυχνων και ελαφρά αποσβεννυμένων ιδιομορφών τους. Οι κραδασμοί σε τέτοιες δομές αποδίδονται σε μία ποικιλία διεγέρσεων, όπως κινητήρες, ρότορες, και αεροδυναμικά φορτία, δημιουργώντας δυνητικά συχνοτικά-μεταβαλλόμενες διεγέρσεις ευρέως φάσματος και / ή τονικές διεγέρσεις. Οι σύγχρονες τάσεις για κινητήρες υψηλότερης απόδοσης και κατασκευές με χαμηλότερο βάρος (για χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμων και εκπομπές CO2), με χρήση σύνθετων υλικών, οδηγούν σε υψηλότερες ταλαντώσεις με χαμηλότερη ικανότητα απόσβεσης. Οι έντονοι κραδασμοί σε αυτές τις κατασκευές είναι ανεπιθύμητοι, καθώς επηρεάζουν την ασφάλεια και την άνεση των επιβατών, μειώνουν την κοπωτική διάρκεια ζωής των υλικών, και μπορεί να οδηγήσουν ακόμα και σε αστοχία. Επομένως, ο έλεγχος των κραδασμών είναι εξαιρετικά κρίσιμος, στοχεύοντας στη μείωση του πλάτους των κραδασμών, ώστε να διασφαλίζεται η αξιοπιστία στη λειτουργία τους. Ένας κατάλληλος αντικραδασμικός μηχανισμός θα πρέπει να παρουσιάζει δυνατότητες πολυμορφικού και πολυτονικού ελέγχου των κραδασμών, προσαρμοστικότητα σε δυνητικά μεταβαλλόμενα συχνοτικά φορτία, και ελάχιστες απαιτήσεις για αύξηση βάρους και τροφοδοσία ρεύματος. Για τον έλεγχο των κραδασμών σε εύκαμπτες κατασκευές που ικανοποιεί αυτές τις απαιτητικές προδιαγραφές, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και εφαρμογή μίας καινοτόμου ημιενεργής ηλεκτρομηχανικής αντικραδασμικής συσκευής, αποτελούμενη από μία βοηθητική μάζα, τοποθετημένη σε μία ειδική πιεζοηλεκτρική συσκευή, οι ακροδέκτες της οποίας είναι συνδεδεμένοι με ένα ηλεκτρικό κύκλωμα παροχέτευσης αντίστασης – αυτεπαγωγής (RL). Η πιεζοηλεκτρική συσκευή παρέχει τη δυσκαμψία για τον συντονισμένο ταλαντωτή μάζας και προσφέρει υψηλή ηλεκτρομηχανική μετατροπή ενέργειας και σύζευξη. Μία τέτοια αντικραδασμική συσκευή είναι πολλά υποσχόμενη όσον αφορά την υψηλή και ευέλικτη μείωση των κραδασμών, λόγων των διάφορων μηχανισμών της για απορρόφηση και διάχυση της κινητικής ενέργειας της κατασκευής ενδιαφέροντος. Η ηλεκτρική ενέργεια που εμφανίζεται, λόγω της πιεζοηλεκτρικής συσκευής, μπορεί να διαχυθεί σε θερμότητα, λόγω της ρυθμιζόμενης αντίστασης στο κύκλωμα, ενώ η συντονισμένη μάζα και η επαγωγικά ρυθμιζόμενη ηλεκτρική ιδιοσυχνότητα στο κύκλωμα μπορούν να απορροφήσουν πολύ υψηλά ποσοστά της ταλαντωτικής ενέργειας (ενεργειακοί αποταμιευτήρες). Η προτεινόμενη συσκευή συνδυάζει τις υψηλές δυνατότητες ελέγχου κραδασμών του συντονισμένου αποσβεστήρα μάζας (tuned mass damper: TMD) και τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά συντονισμού και ελεγχόμενης απόσβεσης της πιεζοηλεκτρικής συσκευής με ηλεκτρικό κύκλωμα παροχέτευσης. Επομένως, αυτή η συσκευή ορίζεται σε αυτή τη διατριβή ως ένας πιεζοηλεκτρικός ημιενεργός συντονισμένος αποσβεστήρας μάζας (semi-active TMD: SATMD).Αρχικά, μία εξειδικευμένη πιεζοηλεκτρική συσκευή επιλέγεται προσεκτικά, έτσι ώστε να έχει χαμηλή δυσκαμψία και υψηλό πιεζοηλεκτρικό συντελεστή. Τα υπόλοιπα εξαρτήματα της αντικραδασμικής συσκευής SATMD σχεδιάζονται και συναρμολογούνται με βάση την επιλεγμένη πιεζοηλεκτρική συσκευή. Ο SATMD μοντελοποιείται και χαρακτηρίζεται πειραματικά, αποκαλύπτοντας δύο ζεύγη ηλεκτρομηχανικά συζευγμένων πόλων. Τα πειραματικά αποδεδειγμένα φαινόμενα της σύνθετης εμπέδησης του κυκλώματος διακλάδωσης συγκρίνονται με τα υπολογιστικά αποτελέσματα, παρουσιάζοντας μεγάλη συμφωνία. Στη συνέχεια, η απόδοση του πιεζοηλεκτρικού SATMD αξιολογείται πειραματικά και αριθμητικά σε μια απλοποιημένη κατασκευή ενδιαφέροντος συγκεντρωμένης μάζας. Σχηματίζονται οι δυναμικές εξισώσεις ισορροπίας του συστήματος SATMD – κατασκευής ενδιαφέροντος. Οι συναρτήσεις μεταφοράς δείχνουν ότι οι εισαγόμενοι αντισυντονισμοί στην κατασκευή ενδιαφέροντος συμπίπτουν με τις ιδιοσυχνότητες SATMD. Η αντίσταση αυξάνει τις δυνατότητες απόσβεσης του συζευγμένου ηλεκτρομηχανικού συστήματος, ενώ η αυτεπαγωγή εισάγει έναν νέο, εύκολα ρυθμιζόμενο, ταλαντωτή στο σύστημα, ο οποίος ενισχύει τη σύζευξη και τη μετατροπή της κινητικής σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο SATMD μπορεί να αντισταθμίσει τα μειονεκτήματα του αμιγώς μηχανικού TMD, παρέχοντας ευρυζωνική καταστολή κραδασμών και προσφέροντας δυνατότητες επανασυντονισμού. Οι πειραματικές μετρήσεις επικυρώνουν τα αναπτυγμένα μοντέλα. Η επίδοση των δυνατοτήτων της αντικραδασμικής συσκευής παρουσιάζεται στη συνέχεια σε μεγάλες και εύκαμπτες κατασκευές. Για το υπολογιστικό μοντέλο, αναπτύσσεται ένα μοντέλο δυναμικής μειωμένης τάξης στο μορφικό χώρο, σε συνδυασμό με τη συσκευή SATMD και το ηλεκτρικό κύκλωμα RL. Ο SATMD προσαρτάται σε ένα μειωμένο πρωτότυπο πλαίσιο αεροσκάφους, το οποίο χρησιμοποιείται ως δομή εργαστηριακών δοκιμών. Ο SATMD επιδεικνύει εξαιρετικές δυνατότητες πολυμορφικής και πολυτονικής μείωσης των κραδασμών. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι οι δύο εισαγόμενοι αντισυντονισμοί είναι ανεξάρτητοι από τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής ενδιαφέροντος, και ως αποτέλεσμα η κατάλληλη βοηθητική μάζα και η αυτεπαγωγή του SATMD μπορούν να ρυθμιστούν με βάση μόνο την απόκριση συχνότητας της κατασκευής. Αυτό το ειδικό και ευέλικτο χαρακτηριστικό χρησιμοποιείται για την αντικραδασμική απόδοση του SATMD σε ένα ελικόπτερο BO105 S, επιτυγχάνοντας ευεργετική μείωση σε δύο συχνότητες έντονων δονήσεων κατά τη διάρκεια πραγματικών συνθηκών πτήσης. Επιπλέον, μελετάται η στρατηγική σχεδιασμού του SATMD, με στόχο την πολυμορφική μείωση κραδασμών του μειωμένου μοντέλου πλαισίου αεροσκάφους, υπό ευρυζωνική διέγερση. Οι βέλτιστες παράμετροι συγκρίνονται με μια ad-hoc στρατηγική σχεδιασμού. Συμπεριλαμβάνοντας τη βοηθητική μάζα στο σχήμα βελτιστοποίησης, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη μείωση του πλάτους των επιταχύνσεων όλων των μελετώμενων ιδιομορφών κατά 90%, και αποδεικνύεται ότι η βοηθητική μάζα δεν είναι απαραίτητα βέλτιστα συντονισμένη σε μια ιδιομορφή της κατασκευής ενδιαφέροντος. Τέλος, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος προσαρμοστικού ελέγχου, με βάση τις επιδράσεις που έχει κάθε μία από τις ρυθμιζόμενες παραμέτρους (αντίσταση και επαγωγή) στη συμπεριφορά της κατασκευής ενδιαφέροντος. Οι εκτιμήσεις της απόκρισης συχνότητας της κατασκευής βασίζονται στη μετρούμενη επιτάχυνση, βρίσκοντας την υψηλότερη συχνοτική κορυφή (κρίσιμη συχνότητα) σε κάθε χρονική περίοδο ελέγχου. Η αυτεπαγωγή για την καταστολή κάθε κρίσιμης συχνότητας είναι ανεξάρτητη από τη δυναμική της κατασκευής ενδιαφέροντος, ενώ η αντίσταση υπολογίζεται με βάση την απόκριση επιτάχυνσης της δομής. Ο ανεπτυγμένος προσαρμοστικός αλγόριθμος δοκιμάζεται στο μειωμένο μοντέλο πλαισίου αεροσκάφους, το οποίο υφίσταται τόσο σταδιακές, όσο και απότομες αλλαγές μάζας. Ο προσαρμοστικός SATMD επιτυγχάνει εξαιρετικό συνεχή έλεγχο κραδασμών, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα του αναπτυγμένου αλγορίθμου.