Experimental and numerical studies on particle and friction dampers

Particle and friction damping are passive damping technologies that share numerous strengths: they are resistant to harsh environments, work on a broad range of frequencies, can be fitted in a small volume. These technologies are also characterized by an extremely non-linear behavior that makes modeling and designing them troublesome. In this dissertation, particle and friction dampers were studied both experimentally and numerically. The experiments performed on particle dampers were focused on analyzing the response and the particles' behavior for different orientations of motion, cavity, and gravity, under sine or random inputs at different levels; it was found that orientation has a strong influence on the inner motion regimes of the particles and the achievable damping. To perform numerical analyses on particle dampers at the particle level, a new GPU-based discrete element solver was developed, coupled to the multibody code MBDyn, and validated with the above-mentioned experiment and literature case studies. Different modeling techniques were considered and evaluated in an attempt to make discrete element method simulations more computationally affordable; the effect of a simplified friction model, the limits of reducing the contact stiffness to increase the time-step, and the comparison of the dissipated energy of particle dampers in coupled and uncoupled simulations were analyzed. Other experimental campaigns were performed with the objective of characterizing metal-to-metal frictional contacts. To identify the friction parameters of the experimental results, an identification procedure to be used with experimental samples was perfected and numerically validated. The experimental campaigns resulted in the development of a tribometer with which the effect of normal load, velocity, frequency were investigated. Endurance tests were carried out to study the effect of wear on the response of metal-to-metal contacts; the results showed great variability in the mean friction coefficient of the response due to wear and damage of the surfaces. This result was the reason for implementing theoretical and numerical studies on friction tuned mass dampers, and their robust optimization with respect to epistemic uncertainties in the stiction force. It was found that friction tuned mass dampers' frequency response shows invariant points and a minimum in the maximum response with respect to the stiction force, in the same vein as the linear damping coefficient for linear tuned mass dampers. Using these premises, the friction tuned mass damper equations were nondimensionalized with new nondimensional parameters; master curves that relate performance and the nondimensional parameters were numerically computed. A simple case study was analyzed and its parameters optimized with a robust approach that considered a high uncertainty on the stiction force on two optimization strategies.

Lo smorzamento a particelle ed ad attrito sono tecnologie di smorzamento passivo che condividono numerosi punti di forza: sono resistenti agli ambienti difficili, funzionano su un'ampia gamma di frequenze, possono essere poco ingombranti. Queste tecnologie sono inoltre caratterizzate da un comportamento estremamente non lineare che ne rende problematica la modellazione e la progettazione. In questa dissertazione, gli smorzatori a particelle ed ad attrito sono stati studiati sia sperimentalmente che numericamente. Gli esperimenti condotti sugli smorzatori a particelle si sono concentrati sull'analisi della risposta e del comportamento delle particelle per diversi orientamenti di movimento, cavità e gravità, sotto input sinusoidali o casuali a diversi livelli; si è riscontrato che l'orientamento ha una forte influenza sui regimi di moto interno delle particelle e sullo smorzamento ottenibile. Per eseguire analisi numeriche sugli smorzatori a particelle, è stato sviluppato un nuovo risolutore di elementi discreti basato su GPU, accoppiato al codice multicorpo MBDyn e convalidato con l'esperimento sopra menzionato e studi di casi di letteratura. Diverse tecniche di modellazione sono state prese in considerazione e valutate nel tentativo di rendere le simulazioni del metodo degli elementi discreti più accessibili dal punto di vista computazionale; sono stati analizzati l'effetto di un modello di attrito semplificato, i limiti della riduzione della rigidità di contatto per aumentare il passo temporale e il confronto dell'energia dissipata degli smorzatori a particelle nelle simulazioni accoppiate e non accoppiate. Altre campagne sperimentali sono state eseguite con l'obiettivo di caratterizzare i contatti di attrito metallo-metallo. Per identificare i parametri di attrito dei risultati sperimentali, è stata perfezionata e validata numericamente una procedura di identificazione da utilizzare su campioni sperimentali. Le campagne sperimentali hanno portato allo sviluppo di un tribometro con il quale sono stati studiati gli effetti del carico normale, della velocità, della frequenza. Sono stati eseguiti test di resistenza per studiare l'effetto dell'usura sulla risposta dei contatti metallo-metallo; i risultati hanno mostrato una grande variabilità nel coefficiente di attrito medio della risposta dovuto all'usura e al danneggiamento delle superfici. Questo risultato è stato il motivo per cui studi teorici e numerici sugli assorbitori armonici ad attrito e la loro ottimizzazione robusta rispetto alle incertezze epistemiche nella forza di attrito sono stati implementati. È stato riscontrato che la risposta in frequenza degli assorbitori armonici ad attrito mostra punti invarianti e un minimo nella risposta massima rispetto alla forza di attrito, allo stesso modo del coefficiente di attrito lineare per gli assorbitori armonici lineari. Usando queste premesse, le equazioni dell’assorbitore armonico ad attrito sono state adimensionalizzate con nuovi parametri adimensionali; le curve principali che mettono in relazione le prestazioni e i parametri adimensionali sono state calcolate numericamente. È stato analizzato un semplice caso di studio e i suoi parametri sono stati ottimizzati con un approccio robusto che ha considerato un'elevata incertezza sulla forza di attrito con due strategie di ottimizzazione.