Design and development of a multimode adaptive tuned mass damper exploiting shape memory alloys

Vibrations are dangerous for mechanical systems; therefore, many different systems were developed in the last years with the aim of attenuate vibrations. The most successful and widely used devices, exploited for the damping of vibrations, are tuned mass dumpers. To avoid the problem of mistuning, in which these kinds of system often incur, adaptive tuned mass dampers have been developed. Adaptive tuned mass dampers are able to change their dynamic characteristics and to follow the variations of one eigenfrequency that the system we would like to damp might have. In the past, many shape memory alloys based adaptive tuned mass dampers have been proposed and studied, but all of them were able to attenuate only the vibrations of the one single eigenfrequency of the oscillating system. Furthermore, nobody studied the electric consumption of these systems. In this thesis, we develop a multimode adaptive tuned mass damper, based on shape memory alloys, which is able to damp, not only one eigenfrequency of the system, but two different eigenfrequencies. The system proposed is adaptive; therefore, it is able to follow the variations that the two eigenfrequencies, of the vibrating system, can have due to changes in the ambient temperature or due to other external or internal factors. A model, of the new system proposed, has been developed. The study of this system was supported by numerical simulations, made to evaluate the performances of the proposed adaptive tuned mass damper. To validate the mathematical models developed, a prototype of the system was made and tested. Finally, in order to verify the suitability of the proposed tuned mass damper, the study of a real application was made, i.e. the vibration of stretched bars, subjected to natural temperature variations. This work also analyzes the proposed system from an energetic point of view, figuring out which are the best temperature configurations in order to save energy during its usage. Again, the numerical simulations based on the mathematical models were supported by experiments.

Le vibrazioni rappresentano un pericolo per i sistemi meccanici; per questo motivo, negli ultimi anni, sono stati sviluppati diversi sistemi con lo scopo di attenuare le vibrazioni. I dispositivi comunemente più usati per questo scopo sono gli smorzatori dinamici, comunemente detti “Tuned mass damper”. Per evitare il cosiddetto problema del “mistuning”, a cui questo tipo di sistemi sono spesso soggetti, sono stati sviluppati gli smorzatori dinamici adattivi. Gli smorzatori dinamici adattivi sono in grado di modificare le proprie caratteristiche dinamiche e di seguire le variazioni, che la frequenza propria del sistema che vorremmo smorzare, può avere. Nella letteratura, sono stati proposti e studiati molti smorzatori dinamici adattivi, che sfruttano le caratteristiche dei materiali a memoria di forma. Tuttavia, tutti i sistemi di questo tipo finora sviluppati, sono in grado di attenuare le vibrazioni di una sola frequenza propria del sistema vibrante. Inoltre, nessuno si è mai posto il problema del consumo energetico di questi sistemi. In questa tesi, si propone e si sviluppa uno smorzatore dinamico adattivo multimodale, basato su materiali a memoria di forma, che è in grado di smorzare, non solo una frequenza propria del sistema vibrante, ma due diverse frequenze proprie. Il sistema proposto è adattativo, e quindi è in grado di seguire le diverse variazioni che possono avere le due frequenze proprie del sistema vibrante che vogliamo smorzare. La tesi sviluppa un modello del nuovo smorzatore dinamico adattivo, inoltre riporta i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per valutare le prestazioni del nuovo sistema proposto. Un prototipo del sistema studiato è stato creato per verificare e validare i modelli sviluppati. Infine, per verificare la reale applicabilità del nuovo smorzatore dinamico adattivo, viene presentato lo studio di un caso pratico: lo smorzamento di vibrazioni di travi tensionate soggette a variazioni di temperatura. Questa tesi analizza lo smorzatore dinamico proposto anche dal punto di vista energetico, individuando quali sono le migliori configurazioni di temperatura del sistema, al fine di risparmiare energia durante il suo utilizzo. Ancora una volta, le simulazioni numeriche basate sui modelli matematici sono accompagnate da esperimenti svolti con il fine di validare i risultati.