Adaptive active vibration control to improve the fatigue life of a carbon epoxy smart structure

A common way to reduce vibrations in civil and mechanical structures is to adopt dedicated control systems. This technique, universally known as Active Vibration Control, beside improving the service performances of structures, may also lead their fatigue lives to increase. However, control laws are rarely designed explicitly taking into account fatigue or other damage phenomena, even when the structure lifespan increase is the principal goal of the controller, with just a few exceptions found in literature. The main objective of this thesis is to propose an innovative adaptive optimal Active Vibration Control to increase the lifespan of a woven carbon-epoxy 2D structure, which was derived from a specific damage model for the material. Actually, it can be considered as an evolution of the most performant State of the Art fatigue-oriented optimal adaptive control systems, with the incorporation of Structural Health Monitoring, that allows the design of different control laws depending on the damage state of the structure. In particular, if no significant damage affects the structure, the controller objective is to minimize the probability of crack nucleation. On the contrary, once damage is detected in some regions of the structure, the proposed control solution works by protecting the already compromised areas from further damaging, according to a damage delocalization logic. The necessary structural diagnosis is based on the analysis of the shifts of natural frequencies, online estimated by a new closed-loop system identification technique, allowing also periodical adaptation of the controller against system changes. The control algorithm, considered in all its aspects, was numerically validated on the finite element model of a cantilever plate, which, thanks to an integrated damage simulator, was used as a virtual reality tool to emulate a true structure behavior.

Una soluzione tipica per la riduzione di vibrazioni in strutture civili e meccaniche è l’adozione di appositi sistemi di controllo. Questa tecnica, universalmente nota come Controllo Attivo di Vibrazioni, oltre a migliorare la qualità del servizio svolto dalle strutture, può addirittura risultare in un aumento della loro vita a fatica. Tuttavia, le leggi di controllo vengono raramente progettate modellando esplicitamente i danneggiamenti (a fatica o di altra natura), anche quando lo scopo principale del controllore è di incrementare la vita utile della struttura, con l’eccezione soltanto di alcune soluzioni presenti in letteratura. Lo scopo principale di questa tesi è quello di proporre un innovativo controllo di vibrazioni, ottimo e adattativo, per l’aumento della vita utile di una struttura planare in composito carbonio-epossidica a fibre intrecciate, il cui progetto sia strettamente legato a un modello di danneggiamento specifico per il materiale. In realtà, esso può essere considerato come un’evoluzione dei più performanti sistemi di controllo ottimo adattativo disponibili allo Stato dell’Arte per contrastare il danneggiamento a fatica, integrandovi strumenti di diagnostica strutturale. Questi consentono l’adozione di leggi di controllo differenziate a seconda dello stato di danneggiamento della struttura. Nel dettaglio, se la struttura non presenta alcun danneggiamento significativo, l’obiettivo del controllo è di minimizzare la probabilità di nucleazione di cricca. Invece, una volta rilevato del danneggiamento in qualche regione della struttura, la soluzione di controllo proposta cerca di proteggere le zone già compromesse da ulteriori danneggiamenti. La necessaria diagnosi strutturale è basata sull’analisi delle variazioni delle frequenze proprie, stimate online attraverso un’innovativa tecnica di identificazione in anello chiuso, che consente anche di adeguare il progetto del controllore a fronte di cambiamenti nei parametri del sistema. L’algoritmo di controllo, valutato in tutti i suoi aspetti, è stato testato numericamente sul modello a elementi finiti di una lastra incastrata, comprensivo di un simulatore di danneggiamento.