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Optimization of shunt damped composite structures using negative capacitances

Salloum, Rogério :
Optimization of shunt damped composite structures using negative capacitances.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimization of shunt damped composite structures using negative capacitances
Language: English
Abstract:

Vibrations in modern machines such as cars, airplanes and bridges constitute a real issue that can cause undesirable noise, damages and even catastrophic failures. In order to reduce this harmful effect, passive vibration attenuation measures have been extensively used, but can no longer cope with the increasing complexity of engineering systems. In this sense, novel smart structures have been created to efficiently suppress vibration without notable adverse effects. A well-known technique consists in coupling a piezoceramic transducer to a mechanical structure and then connecting it to a shunt circuit. In this thesis, a novel approach to deal with the application of shunted piezoceramics in lightweight composite structures for vibration attenuation is proposed. It is based on the simultaneous optimization of different sub-systems of the smart structure, i.e. host structure, transducers and electronics, so that a set of technical requirements can be met. Instead of being considered as an add-on solution, the shunted piezoceramics are regarded as additional design variables. In this sense, passive structural mass is substituted by active material in an intelligent way, which can potentially reduce overall weight and at the same time improve the dynamic response of the smart structure. To show the potential of this approach, a carbon fiber control arm will be considered as a realistic case study after the development steps described below. In the first part of this work, a study on the physical integration of piezoceramic transducers within laminate composites is carried out. The maximization of the generalized electromechanical coupling coefficient is proposed, since it dictates the damping effectiveness in shunt applications. The influences of the stacking sequence and the geometric integration pattern are numerically and experimentally analyzed using glass and carbon fiber test coupons. In the second part, the optimization process is taken from the coupon level to the sub component level. Numerical and experimental analyses are carried out using a scale model of the control arm. It consists of a cantilever carbon fiber beam with I-shaped cross-section, controlled by the use of piezoceramics. Vibration attenuation is achieved through an RL-shunt circuit connected in series with a negative capacitance, which is built through a synthetic circuit based on an operational amplifier. The classical sequential approach is first introduced, in which the piezoceramics are applied onto the surface of the beam. Then, it is compared to the novel approach, in which the beam, now with integrated piezoceramics, is fully optimized taking into account its geometry, the stacking sequence, the transducer dimensions and the shunt circuit components. Thanks to the simultaneous approach, not only the mechanical requirements of the structure, such as mass, global stiffness and dynamic behavior can be respected, but also the electrical characteristics of the shunt circuit. In the third part, a novel tuning technique for shunt damping with a negative capacitance is proposed. It is based on the measured electromechanical impedance of a smart structure, which is represented through an equivalent electrical circuit. A numerical optimization permits for the first time the correct choice of all electric components in the shunt circuit, since all mechanical quantities are analyzed in a purely electrical form. In the last part, the acquired knowledge is applied to the control arm. It is redesigned according to the methodology validated with the sub component to show that high vibration attenuation using shunt damping and high mass saving can be simultaneously attained.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Schwingungen sind in den meisten technischen Anlagen und Maschinen unerwünscht und können zu störenden Geräuschen, Schäden oder frühzeitigem Versagen führen. Um dem zu begegnen, werden meist passive Maßnahmen zur Schwingungsminderung eingesetzt, die aber den steigenden Anforderungen und der zunehmenden Komplexität technischer Systeme nicht mehr gerecht werden. Daher wurden neuartige adaptive Strukturen entwickelt, um effizient Schwingungen zu mindern, ohne nennenswerte Nachteile zu erzeugen. In dieser Dissertation wird eine neuartige Methode zur Anwendung von semi-aktiver Dämpfung mit Piezowandlern in Leichtbauverbundstrukturen zur Schwingungsminderung untersucht. Diese Methode basiert auf der gleichzeitigen Optimierung der verschiedenen Teilsysteme der adaptiven Struktur, nämlich der mechanischen Grundstruktur, dem Wandler und der Elektronik, sodass die Anforderungen an die adaptive Struktur besser erfüllt werden können. Der Piezowandler wird dabei anders als bisher nicht als Zusatzmodul betrachtet, sondern als komplementäre Designvariable berücksichtigt. Dadurch kann passive Masse der mechanischen Grundstruktur durch aktives Material ersetzt werden, was das Gesamtgewicht verringert und gleichzeitig die Schwingung der Struktur mindern kann. Um die Wirksamkeit dieser Methode zu zeigen, wird ein Querlenker aus Kohlefaser als realitätsnahes Beispielsystem nach den unten beschriebenen Entwicklungsschritten betrachtet. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Untersuchung über die Integration von Piezowandlern in Verbundwerkstoffe durchgeführt. Dabei wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient maximiert, da dieser das Dämpfungspotential bestimmt. Die Einflüsse der unterschiedlichen Lagenanordnungen und des geometrischen Musters im Verbundwerkstoff werden numerisch und experimentell mit Glas- und Kohlefaserproben analysiert. Im zweiten Teil wird ein numerischer und experimenteller Optimierungsprozess mit einem vereinfachten Querlenker durchgeführt, der aus einem Kragbalken aus Kohlefasern mit einem I-Profil besteht. Um Schwingungen zu reduzieren, werden auf der Balkenoberfläche applizierte bzw. in den Balken integrierte Piezowandler mit einem RL-Schwingkreis in Reihe mit einer negativen Kapazität verbunden. Bei der klassischen sequentiellen Methode werden die Piezowandler auf den Balken appliziert. Diese Methode wird mit dem neuen Vorgehen verglichen, bei dem der Balken mit integrierten Piezowandlern optimiert wird. Hierbei werden die Geometrie des Balkens, die Lagenanordnung, die Wandlergeometrie und die Elektronik im Optimierungsprozess berücksichtigt. Somit können neben den mechanischen Anforderungen an die Struktur, wie Masse, Steifigkeit und dynamisches Verhalten, auch die elektrischen Eigenschaften der semi-aktiven Schaltung berücksichtig werden. Im dritten Teil wird eine neuartige Abstimmungsmethode für die semi-aktive Dämpfung mit einer negativen Kapazität vorgestellt. Diese basiert auf der gemessenen elektromechanischen Impedanz einer adaptiven Struktur, die durch einen elektrischen Schwingkreis in einem Simulationsmodell dargestellt wird. Eine numerische Optimierung ermöglicht zum ersten Mal die systematische Auswahl aller elektrischen Komponenten in der Elektronik, da alle mechanischen Größen in einer rein elektrischen Form analysiert werden. Im letzten Teil wird die Methode auf den Querlenker angewendet, um zu zeigen, dass eine hohe Schwingungsdämpfung mit der semi-aktiven Methode und eine hohe Massenreduzierung gleichzeitig erreicht werden können.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 23 Mar 2016 07:13
Last Modified: 23 Mar 2016 07:13
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53499
Referees: Melz, Prof. Tobias and Stephan, Prof. Rinderknecht
Refereed: 24 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5349
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