Βελτιστοποίηση συνθηκών έδρασης μηχανικών διατάξεων με τη χρήση προηγμένων υλικών

Abstract

The precision of mechanical processing depends, among others, on the dynamic behavior of the machine used. The dynamic behavior is dictated, besides the construction characteristics, from the foundation of the machine. The foundation isolates firstly, the dynamic strain induced on the machine from the surrounding and secondly, the vibration that itself generates and spreads on the mechanical structures in its vicinity. Vibration isolation aims towards the protection of an equipment from intensive external shocks and vibrations as well as from occasional disturbances caused by the equipment itself along with the reduction of noise and vibration level in a workshop area. There is a wide set of structural components or assemblies for which vibration is directly related to performance, either by virtue of causing temporary malfunction during excessive motion or by creating disturbance or discomfort, such as stress fatigue failure, premature wear, operator discomfort, unsafe operating condition and high noise levels. For all these potential problems, it is important that the in-service or operation vibration levels that usually encountered in structures have to be predicted and brought under satisfactory control. Thus, it is vital to determine the elastic material properties and the modal parameters, i.e. damped natural frequencies of the structure to avoid resonance, damping factors and mode shapes to reinforce the most flexible points or to determine the exact points so to reduce weight or to increase damping. With respect to these dynamic aspects, nano-reinforced polymeric composites represent an excellent possibility to design components considering the requirements of the dynamic behaviour. Lately much attention has been devoted to the development of polymers in which nanomaterials are embedded in order to improve their mechanical and dynamic properties. However, for the determination of the dynamic properties of high loss factor polymers, it is imperative to apply a mathematical model fitting the experimental data of modal tests. Therefore, the objective of the current thesis is to demonstrate an efficient modal testing method for the investigation of the dynamic mechanical properties of polymeric composite materials. This method utilizes vibration tests in order to measure experimental transfer functions (TFs) as a correlation parameter to analytical-experimental determined TFs. The procedure for the identification of analytical-experimental transfer functions is carried out using a genetic algorithm (GA) by minimizing the difference between the measured data from tests and the calculated response, which is a function of the modal parameters. For the determination of the vibration isolator’s characteristics a Finite Element Model (FEM) was introduced which represents the system machine-isolator-ground. A series of experiments were conducted on a real machine with a proposed optimal set of nanocomposite mounts and the analytical-experimental transfer functions of the system machine-isolator-ground were determined. Finally, this procedure was repeated for different nanofiller concentrations in the polymeric matrix of the nanocomposite mounts, until the optimization of the dynamic characteristics was achieved and the most suitable isolator was proposed as optimal.

Η δυναμική συμπεριφορά μηχανών και μηχανικών διατάξεων είναι άμεσα συνυφασμένη με την απόδοση τους. Η επίδραση του δυναμικού φαινομένου είναι πολύ σημαντική για την ασφαλή λειτουργία μιας μηχανής και για τη βελτιστοποίηση των προϊόντων της. Η επίτευξη της ακρίβειας εξαρτάται μεταξύ άλλων και από τη δυναμική συμπεριφορά της μηχανικής διάταξης. Αποτέλεσμα των ταλαντωτικών φαινομένων είναι οι διάφορες ανεπιθύμητες δονήσεις, οι οποίες επηρεάζουν την ίδια τη μηχανολογική κατασκευή αλλά και το περιβάλλον μέσα στο οποίο λειτουργεί. Συχνά προβλήματα είναι η πρόκληση προσωρινής δυσλειτουργίας λόγω υπερβολικής ταλάντωσης και η δημιουργία διαταραχών όπως αστοχία από κόπωση, πρόωρη φθορά, δυσφορία στο χειριστή, μη ασφαλείς συνθήκες εργασίας και υψηλά επίπεδα θορύβου. Για όλα τα παραπάνω πιθανά προβλήματα, είναι σημαντική η πρόβλεψη του εύρους των ταλαντώσεων μιας κατασκευής, ώστε να περιοριστούν. Η δυναμική απόκριση μιας μηχανικής διάταξης υπαγορεύεται εκτός από την κατασκευαστική της διαμόρφωση και από τις συνθήκες έδρασής της. Με την κατάλληλη έδραση επιδιώκονται αφενός ο περιορισμός της μετάδοσης των δυναμικών διεγέρσεων που προκαλεί η ίδια η μηχανή ή αυτών που δέχεται από το περιβάλλον και αφετέρου επιτυγχάνεται η απαιτούμενη ακρίβεια στην κατεργασία και στις μετρήσεις ελέγχου. Στόχος της διδακτορικής αυτής διατριβής αποτελεί η χρήση καινοτόμων νανοϋλικών για την ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών νανοσύνθετων υλικών και την εφαρμογή τους για το βέλτιστο προσδιορισμό της έδρασης μηχανικών διατάξεων. Τα νανοσύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας έχουν προσελκύσει τις τελευταίες δύο δεκαετίες το ιδιαίτερο ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και σε σχέση με την τεχνολογική αξιοποίηση αυτών στον τομέα της βιομηχανίας. Η πρόκληση και το ενδιαφέρον στην ανάπτυξη νανοσυνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας είναι η εκμετάλλευση των μοναδικών μηχανικών ιδιοτήτων των νανοϋλικών για εφαρμοσμένα προβλήματα σε επίπεδο μακροδομής. Υλικά υψηλής μηχανικής απόδοσης προορίζονται για τεχνολογικά ανώτερες εφαρμογές και προσελκύουν τον ερευνητικό τομέα της σύγχρονης βιομηχανίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται ο αναλυτικός-πειραματικός προσδιορισμός των δυναμικών χαρακτηριστικών διάφορων νανοσύνθετων υλικών, με σκοπό την εφαρμογή των βέλτιστων για την αποφυγή μετάδοσης ταλαντώσεων μέσω της έδρασης μηχανολογικών κατασκευών. Αρχικά, τα ταλαντωτικά χαρακτηριστικά διάφορων νανοσύνθετων υλικών που χρησιμοποιούνται στην έδραση, προσδιορίζονται αναλυτικά από πειραματικά μετρημένες συναρτήσεις μετάδοσης με τη βοήθεια γενετικών αλγορίθμων. Για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών της έδρασης γίνεται χρήση ενός προσομοιωτικού μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων που αντιπροσωπεύει το σύστημα μηχανή-έδραση-έδαφος. Στη συνέχεια διεξάγονται πειράματα σε πραγματική μηχανή με μία προτεινόμενη έδραση και προσδιορίζεται η συνάρτηση μετάδοσης του συστήματος μηχανή-έδραση-έδαφος. Ο βέλτιστος προσδιορισμός των ταλαντωτικών χαρακτηριστικών του προσομοιωτικού συστήματος γίνεται με τη βοήθεια ενός αναπτυγμένου γενετικού αλγόριθμου. Τέλος, παραλλάσσοντας τα δυναμικά χαρακτηριστικά της έδρασης επιτυγχάνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρικής της μορφής και των ταλαντωτικών χαρακτηριστικών της και προτείνεται η κατάλληλη.