Innovative vibration control systems based on smart materials for light structures

Structural vibrations have always been a major issue both in the research community and in industry. Mitigation of the vibration level in machine operation leads to an improvement to the comfort of people and an in terms of machine functioning and durability; this is the reason why many research works address this topic. This PhD thesis deals with the use of smart materials, specifically piezoelectric materials and shape memory alloys, applied to vibration control of light structures. The control approaches considered here are passive and semi-active. Particularly, the shunt damping is taken into account to develop controllers based on piezoelectric actuators; both passive and active shunt impedances are addressed, taking into account their advantages and disadvantages. As for the employment of shape memory alloys, these materials are used to design a new adaptive tuned mass damper with high adaptation performances. This device has been made fully adaptive also thanks to the use of an eddy current damper.The final goal of the thesis is to reach as many improvements as possible with respect to the state of the art for the control methods developed. Particularly, improvements of damping performances, increase of controller robustness, ease of application and derivation of general analytical formulations are accomplished.All the theoretical and numerical results are validated by extensive experimental campaigns.

La riduzione del livello di vibrazione di componenti meccanici, elettronici o strutturali risulta spesso un aspetto di fondamentale importanza nelle applicazioni industriali poiché può portare a sostanziali miglioramenti in termini di comfort delle persone o in termini di funzionalità ed affidabilità dei componenti. In questo scenario, i problemi legati alla riduzione delle vibrazioni nelle strutture leggere, in particolar modo, hanno sempre avuto grande rilevanza sia all’interno della comunità scientifica, sia in ambito industriale, a causa della presenza di alcune criticità: in primo luogo tali strutture sono ben poco smorzate e di conseguenza le vibrazioni indotte possono essere considerevoli; inoltre sono molto leggere e quindi gli attuatori utilizzati a fini di controllo spesso introducono effetti di carico non trascurabili. Per tali ragioni questa tematica è stata da sempre oggetto di molte ricerche scientifiche. Alla luce di queste problematiche, questa tesi di dottorato si focalizza sul controllo delle vibrazioni di strutture leggere sfruttando le potenzialità dei materiali intelligenti, in particolare materiali piezoelettrici e leghe a memoria di forma. Le tecniche di controllo proposte sono di tipo passivo e semi-attivo. Nello specifico sono state studiate le strategie di controllo basate sullo shunt di reti elettriche ad attuatori piezoelettrici, considerando sia reti passive che semi attive finalizzate allo smorzamento delle vibrazioni, mettendone in luce i relativi vantaggi e svantaggi. Per quanto riguarda invece le leghe a memoria di forma, tali materiali sono stati utilizzati per lo sviluppo di uno smorzatore armonico adattativo di nuova concezione, in grado di garantire elevate capacità di adattamento alle variazioni delle caratteristiche della struttura su cui è utilizzato. La sua capacità di adattamento è stata ulteriormente migliorata grazie all’aggiunta di smorzatori adattativi a correnti parassite. L’obiettivo finale di questa tesi è di migliorare quanto più possibile le prestazioni di questo tipo di controllori rispetto allo stato dell’arte. In particolare questo lavoro di ricerca ha portato a significativi miglioramenti delle strategie di controllo analizzate sia in termini di riduzione delle vibrazioni che di robustezza rispetto all’incertezza dei parametri o variazioni degli stessi. Inoltre, le tecniche proposte risultano di semplice applicazione e hanno validità generale. Tutti i risultati analitici e numerici presentati sono stati validati attraverso estese campagne sperimentali.