Development and application of a novel semi-active piezoelectric tuned mass damper for robust vibration control of flexible structures with focus on airframe structures

Abstract

Mechanical systems and structures may experience conditions or dynamic excitations that result in oscillatory motion and vibrations. Flexible structures, such lightweight means of transportations (aircrafts, rotorcrafts, yachts, etc.) are more susceptible to high amplitude vibrations due to their low-frequency and lightly damped structural modes. Vibrations in such structures are attributed to a variety of stimuli, such as motors, rotors, and aerodynamic loads, creating potentially frequency-varying broadband and / or tonal excitations. Contemporary trends towards higher efficiency transport engines and lower weight of the structures (for less fuel consumption and CO2 emissions) using composite materials, lead to higher structural oscillations with lower damping capacity. Excessive vibrations in such structures are undesirable, as they affect the safety and comfort of the passengers, reduce the material fatigue life, and may even lead to structural failure. Therefore, vibration control is extremely crucial in these structures, aiming at the reduction of the amplitude of the vibrations, in order to ensure the reliability of their function. An appropriate antivibration mechanism should exhibit multi-modal and multi-tonal vibration control capabilities, adaptability to potentially frequency-varying applied loads, and minimal requirements for added weight and power supply. Towards the vibration control of flexible structures that satisfy these demanding requirements, this dissertation addresses the development and application of a novel semi-active electromechanical antivibration device, comprising an auxiliary mass, mounted on a specialty piezoelectric device, whose terminals are connected to a shunt resistive-inductive (RL) circuit. The piezoelectric device provides the stiffness for the resonant mass oscillator and introduces high electromechanical energy conversion and coupling. This concept is very promising in terms of high and versatile vibration attenuation potential, due to its various mechanisms for absorbing and dissipating the host structure kinetic energy. The transformed, by the piezoelectric device, electrical energy can be dissipated into heat, due to the shunt circuit tunable resistance, while the resonant mass and the inductance-tunable shunt circuit eigenfrequency can absorb very high vibrational energy (energy sinks). The proposed device combines the high vibration control capabilities of the tuned mass damper (TMD) and the great tuning and controlled damping characteristics of the shunt piezoelectric device. Therefore, this device is defined in this dissertation as a piezoelectric semi-active tuned mass damper (SATMD).Initially, a specialty piezoelectric transducer is carefully selected to exhibit low effective stiffness and high piezoelectric coefficient. The rest components of the SATMD antivibration device are designed and assembled on the selected piezoelectric transducer. The sole SATMD is modeled and experimentally characterized, revealing two pairs of electromechanically coupled poles. The experimentally demonstrated effects of the shunt circuit impedance are compared to computational results, showing great agreement. Next, the performance of the piezoelectric SATMD is evaluated experimentally and numerically on a simplified lumped mass structure. The dynamic equations of motion of the SATMD – host structure system are formulated. The transfer functions show that the introduced antiresonances on the host structure coincide with the sole SATMD eigenfrequencies. Resistance increases the damping capabilities of the coupled electromechanical system, while inductance introduces a new, highly tunable, oscillator in the system, which enhances the coupling and conversion of kinetic to electrical energy. The SATMD can compensate for the purely mechanical TMD disadvantages, providing broadband vibration suppression, and offering great retuning capabilities. The experimental measurements validate the developed models. The performance of the antivibration device capabilities is subsequently presented on large and flexible structures. For the computational model, a reduced-ordered modal space structural dynamics model is formulated, coupled with the SATMD device, and the RL shunt electric circuit. The SATMD is attached to a scaled-down airframe prototype, which is used as the laboratory testing structure. The SATMD demonstrates great multi-modal and multi-tonal vibration attenuation capabilities. Furthermore, it is shown that the two introduced antiresonances are independent of the host structure dynamic characteristics, and as a result the appropriate SATMD auxiliary mass and inductance can be decided based only on the structure frequency response. This special and versatile feature is used for the antivibration performance of the SATMD on a BO105 S helicopter, accomplishing beneficial reduction to two excessive vibration frequencies during real-flight conditions. Furthermore, the SATMD design strategy is studied, aiming at multi-modal vibration reduction of the scaled down-airframe model, under broadband excitation. The optimal parameters are compared to an ad-hoc design strategy. Including the auxiliary mass in the optimization scheme, simultaneous 90% acceleration reduction is achieved in all studied structural modes, and it is proved that the auxiliary mass is not necessarily optimally tuned to a host structure mode. Finally, an adaptive control concept and algorithm is developed based on the effects that each of the tunable parameters (resistance and inductance) introduces to the host structure behavior. Estimates of the frequency response of the structure are based on the measured acceleration, yielding the highest frequency peak (critical frequency) at each control time period. The inductance to suppress each critical frequency is independent of the host structure dynamics, whereas the resistance is calculated based on the acceleration response of the structure. The developed adaptive algorithm is tested on the scaled-down airframe model, which is assumed to undergo both gradual and abrupt mass alterations. The adaptive SATMD achieves great continuous vibration control, proving the effectiveness of the developed algorithm.

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.