Experimental verification of active vibration control of structures using jet pulses

Abstract

The purpose of this study is to experimentally examine and verify the effectiveness of fluid jet pulses to actively control the vibrations of flexible structures. The operating principles and capabilities of the proposed control system is understood by applying it in a simplified small scaled laboratory structure, which contains the basic dynamics of real structures. The main experimental structure is a one degree of freedom aluminum made oscillator which consists of a main body of a given mass attached at the top of a vertical slender beam with rectangular cross section, while the lower end is attached to an electrodynamic shaker. The mass provides the inertia, while the beam provides the stiffness and the clamping of the structure respectively. The shaker is able to provide harmonic, periodic and random excitations with preselected frequency content. The structural control is achieved with appropriate forces that are applied by ejecting fluid mass under pressure through a pair of appropriately designed nozzles. The nozzles are placed on the two opposite sides of the main body of the structure located on the top of the cantilever beam. The experimental setup is accompanied by appropriate solenoid electrovalves for activation and deactivation of control forces. The structure behaviour is monitored by displacement, velocity and acceleration sensors, while the hydraulic system is monitored by pressure sensors. The design of the structural and hydraulic systems is made after a detailed theoretical analysis so that it has the required specifications and exploits to the highest degree the available equipment and laboratory capabilities. Additionally, appropriate control software is developed, in order to regulate the open/close timing of the solenoid electrovalves according to the temporal variation of the acceleration response of the structure recorder by the acceleration sensors. The experimental structure was subjected to vibration control experiments for three different types of base excitations harmonic, periodic and earthquake excitations. All the experiments are focused on vibration control with air jets. Systematic studies are performed to investigate the jet trigger level and the jet air pressure values on the effectiveness of the present control system. The achieved reduction in the intensity of the oscillations exceeds 50% of the oscillation without the effect of the control system. All the experimental studies demonstrated the relation governing the reduction of vibration levels with the jet air pressure and the desired control levels in which the jets are activated It was observed that the maximum performance of the control system is achieved for specific optimal jet air pressure and control level values. Finally, the efficiency of the jet pulses as an active control system for different types of excitations is experimentally verified.

Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη, μελέτη και πειραματική πιστοποίηση συστήματος ελέγχου ταλαντώσεων με χρήση δεσμών ρευστού (αέρας) από ακροφύσια (jets). Οι αρχές λειτουργίας και οι δυνατότητες του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου ταλαντώσεων θα κατανοηθούν με εφαρμογή τους σε απλοποιημένη εργαστηριακή κατασκευή σε μικρή κλίμακα, η οποία περιέχει τα βασικά δυναμικά χαρακτηριστικά των πραγματικών κατασκευών. Η κύρια πειραματική διάταξη είναι ένας ταλαντωτής ενός βαθμού ελευθερίας ο οποίος αποτελείται από το κύριο σώμα δεδομένης μάζας το οποίο στερεώνεται στην τράπεζα διέγερσης μέσω λεπτότοιχου ελάσματος που ενεργεί ως το κύριο στοιχείο στιβαρότητας του μηχανικού συστήματος. Το μηχανικό σύστημα (ταλαντωτής) είναι κατασκευασμένο από αλουμίνιο και υποβάλλεται σε εξωτερική διέγερση βάσης μέσω κατάλληλης ηλεκτροδυναμικής τράπεζας διέγερσης η οποία έχει δυνατότητες επιβολής αρμονικών, περιοδικών και τυχαίων κινήσεων με προεπιλεγμένο συχνοτικό περιεχόμενο. Ο έλεγχος των ταλαντώσεων της κατασκευής επιτυγχάνεται με κατάλληλες δυνάμεις οι οποίες προέρχονται από την εκτόξευση μάζας ρευστού (αέρα) υπό πίεση από τα δύο κατάλληλα σχεδιασμένα ακροφύσια ρευστού που είναι αντικρυστά τοποθετημένα στο κύριο σώμα της κατασκευής και στην ίδια διεύθυνση με εκείνη της διέγερσης της. Η διάταξη συνοδεύεται με τις κατάλληλες βαθμίδες ρύθμισης για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των δυνάμεων στα ακροφύσια. Η συμπεριφορά του υπό μελέτη μηχανικού συστήματος παρακολουθείται από κατάλληλους αισθητήρες μετατόπισης, ταχύτητας και επιτάχυνσης, ενώ του υδραυλικού συστήματος παρακολουθείται από αισθητήρες πίεσης. Οι επιλογές των χαρακτηριστικών του μηχανικού συστήματος και των υδραυλικών συστημάτων έγιναν μετά από λεπτομερή θεωρητική ανάλυση έτσι ώστε το σύστημα να έχει τις απαιτούμενες προδιαγραφές και να αξιοποιείται στο μέγιστο βαθμό ο διαθέσιμος εξοπλισμός και οι υπάρχουσες εργαστηριακές δυνατότητες. Παράλληλα, αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό ελέγχου των χρονικών στιγμών ανοιγο-κλεισίματος των βαλβίδων παροχής ρευστού με βάση τις στιγμιαίες μετρήσεις των χρονο-μεταβαλλόμενων επιταχύνσεων του μηχανικού συστήματος που προέρχονται από τους αισθητήρες επιτάχυνσης. Η κατασκευή υπεβλήθη σε πειράματα ελέγχου ταλαντώσεων για τρεις διαφορετικούς τύπους διεγέρσεων βάσης αρμονικές, περιοδικές, και σεισμικές διεγέρσεις. Μελετήθηκε με συστηματικό τρόπο η επιρροή της πίεσης του ακροφυσίου και του επιπέδου ενεργοποίησης των ακροφυσίων στην αποτελεσματικότητα των δεσμών ρευστού για την μείωση των ταλαντώσεων της εργαστηριακής κατασκευής. Η επιτευχθείσα μείωση του μεγέθους των ταλαντώσεων ξεπερνά το 50% των ταλαντώσεων που προκύπτουν χωρίς την επενέργεια των συστημάτων ελέγχου. Οι συστηματικές πειραματικές μελέτες επίσης ανέδειξαν τις σχέσεις που διέπουν τα επίπεδα μείωσης των ταλαντώσεων με τις τιμές των πιέσεων στα ακροφύσια και τα επιθυμητά επίπεδα ταλάντωσης στα οποία ενεργοποιούνται τα ακροφύσια. Παρατηρήθηκε ότι η επίτευξη της μέγιστης απόδοσης των πιδάκων για τον έλεγχο των ταλαντώσεων παρουσιάζεται για συγκεκριμένες βέλτιστες τιμές των πιέσεων στα ακροφύσια και των επιπέδων ενεργοποίησης των δεσμών ρευστού. Τέλος, πιστοποιήθηκε πειραματικά η αποδοτικότητα των δεσμών ρευστού ως ενεργοί μηχανισμοί ελέγχου των ταλαντώσεων των κατασκευών για διαφορετικούς τύπους εξωτερικών διεγέρσεων.