Technique for design and validation of device for measuring displacement in the presence of large high frequency disturbance

The purpose of this thesis is to develop a device to measure the vertical displacement of railways by means of double integration of the acceleration signal. The device is made of a mechanical low-pass filter that mitigate high-frequencies components of acceleration, allowing the employment of accelerometers with lower fullscale, typically characterized by higher signal-to-noise ratio. This allows a more accurate measure and more reliable integration of low frequencies components, that represent the largest part of displacement amplitude. The proposed device includes parts made of a viscoelastic polyether-based polyurethane called Sorbothane, characterized by high damping properties. The first part of the work is hence dedicated to the modelling of this material in Abaqus, one of the most popular FEA applicative. The behaviour of the material is modelled in terms of hyperelasticity and viscoelasticity. The different coefficients are estimated fitting the models with experimental data. On the one hand, for hyperelasticity, uniaxial compression test are performed, obtaining the strain-stress diagram of the material which allows to determine the the parameters of the different hyperelasticity models. On the other hand, the data used for the fitting of viscoelasticity comes from dynamic mechanical analysis performed by the company. Some simple specimens are then created and tested on a shaker. These specimens consists of steel parts leaning on Sorbothane parts. They are replicated in Abaqus, software used to simulate the different configurations. Both results, experimental and obtained with the model, are compared as first validation. This model is then used to predict three different proposed configurations of the mechanical filter, in all of them a mass is suspended on Sorbothane parts, therefore the acceleration of these masses are filtered by the viscoelastic material. They are simulated to determine which of them is more suitable for the application. The chosen configuration is then manufactured and tested on a shaker with different excitation signals, including real data history from the Subway of Milan.

Lo scopo di questa tesi è di sviluppare un dispositivo per la misura dell'accelerazione verticale di rotaia attraverso una procedura di doppia integrazione del segnale di accelerazione. Il dispositivo consiste in un filtro meccanico passa-basso che attenua le componenti ad alta frequenza dell'accelerazione, permettendo l'utilizzo di accelerometri con minor fondoscala, tipicamente caratterizzati da più alto rapporto segnale-rumore. Questo permette una misura più accurata e un'integrazione più affidabile delle componenti a bassa frequenza, che rappresentano la maggior parte del segnale di spostamento. Il dispositivo proposto contiene componenti realizzati con un materiale viscoelastico con elevate proprietà smorzanti; in particolare, è stato selezionato un poliuretano a base polietere, il cui nome commerciale è Sorbothane. La prima parte del lavoro di tesi è quindi dedicato alla modellazione di questo materiale in Abaqus, uno dei più popolari programmi per analisi ad elementi finiti. Il comportamento del materiale è modellato in termini di iperelasticità e viscoelasticità. I coefficienti di ciascun modello sono stimati attraverso una procedura di fitting dei dati sperimentali. Per quanto riguarda l'iperelasticità, sono state eseguite alcune prove di compressione monoassiale, ottenendo la curva sforzo-deformazione del materiale, necessaria per determinare i parametri di diversi modelli di iperelasticità. I dati usati per il fitting del comportamento viscoelastico derivano invece dai test dinamici (DMA) eseguiti dal produttore del materiale. Per la validazione dei modelli ottenuti, sono stati considerati alcuni sistemi semplici, realizzati con parti di acciaio supportate da Sorbothane. Questi sistemi sono stati testati su shaker, ottenendo per ciascuno la funzione di risposta in frequenza, successivamente confrontata con quella ottenuta numericamente in Abaqus. Una volta ottenuto un modello affidabile del materiale, questo è stato utilizzato per studiare tre diverse configurazioni per il filtro meccanico: in tutte le configurazioni considerate, una massa è sospesa su una base di Sorbothane in modo che l'accelerazione proveniente da terra sia filtrata dal materiale. La simulazione ha permesso di determinare la soluzione più adatta per l'applicazione. La configurazione scelta è stata quindi realizzata e testata su shaker con diversi segnali di eccitazione, tra cui la riproduzione di un segnale reale misurato sulle rotaie della Metropolitana di Milano.