Advanced analysis of SMA based adaptive tuned mass dampers

In this thesis we will analyze two Adaptive Tuned Mass Damper (ATMD) geometries, based on Shape Memory Alloys (SMA), a type of particular materials that are able to change their mechanical and geometric characteristics as their temperature varies. In this way, by controlling the temperature of the elements made of SMA, the dynamic characteristics of the ATMD will change, first of all the absorption frequency. The alloy used is NiTiNOL, an alloy of Nickel and Titanium. The geometries created are a double-ended cantilever beam, made of NiTiNOL, and a mass attached to the main structure by means of two stretched strings, again made of NiTiNOL. The input for both ATMDs is an imposed constraint motion. First, a dynamic model will be developed, capable of generating FRFs that link the transverse displacement and the reaction forces discharged to the constraints, for both ATMDs, to the input. Later, by introducing the dependence on the temperature of some fundamental variables for the dynamics of the ATMDs, these FRFs will be generalized, becoming functions of temperature as well. Finally, an energetic model will be developed that can predict, based on the current flowing in the NiTiNOL elements and the intensity of the vibrations, what is the equilibrium temperature reached. For each temperature value, a specific analytical FRF will correspond. This model will be validated through experiments, where various electric current values will circulate within the ATMD, imposing a certain intensity of vibrations, and in this way the experimental FRFs will be estimated to be compared with those produced by the analytical model. With the collected data and the validated model, the two geometries will be compared on three fundamental aspects: the ability to vary their natural frequency, the amount of force they are able to discharge on the main structure, and the power absorption due to the electric current necessary for their operation. In conclusion, considerations will also be made on the actual feasibility and ease of use.

In questa tesi verranno analizzate due geometrie di Adaptive Tuned Mass Damper (ATMD) basate sulle Lega a Memoria di Forma (LMF), una tipologia di materiali particolari che riescono a cambiare le proprie caratteristiche meccaniche e geometriche al variare della propria temperatura. In tal modo, controllando la temperatura degli elementi realizzati in LMF, cambieranno le caratteristiche dinamiche del ATMD, prima fra tutte la frequenza di assorbimento. La lega utilizzata è il NiTiNOL, una lega di Nichel e Titanio. Le geometrie realizzate sono una doppia trave ad incastro, realizzata in NiTiNOL, ed una massa attaccata alla struttura principale per mezzo di due stringhe tensionate, realizzate in sempre in NiTiNOL. L’input per entrambi gli ATMD è un movimento di vincolo imposto. Dapprima verrà elaborato un modello dinamico in grado di generare delle FRF che legano lo spostamento trasversale e le reazioni scaricate ai vincoli, per entrambi gli ATMD, all’input. In seguito, introducendo la dipendenza dalla temperatura di alcune variabili fondamentali per la dinamica degli ATMD, tali FRF verranno generalizzate, diventando anch’esse funzioni della temperatura. Infine, si elaborerà un modello energetico in grado di prevedere, in base alla corrente che scorre negli elementi in NiTiNOL e all’intensità delle vibrazioni, qual è la temperatura di equilibrio raggiunta. Ad ogni valore di temperatura, corrisponderà una specifica FRF analitica. Tale modello verrà validato attraverso degli esperimenti, dove verranno fatti circolare vari valori di corrente elettrica all’interno degli ATMD, imponendo une certa intensità di vibrazioni, e in tal modo verranno stimate delle FRF sperimentali da confrontare con quelle prodotte dal modello analitico. Con i dati raccolti e il modello validato, le due geometrie verranno confrontate su tre aspetti fondamentali: la capacità di variare la propria frequenza propria, l’entità della forza che sono in grado di scaricare sulla struttura principale, e l’assorbimento energetico dovuto alla corrente elettrica necessaria al loro funzionamento. In conclusione, verranno fatte anche considerazioni sulla effettiva realizzabilità e sulla semplicità d’utilizzo.