Development of multi-branch shunt impedances for mono-modal vibration control

Nowadays, piezoelectric materials are widely employed in the dynamics and vibration control field. Indeed, energy harvesting, structural vibration damping, active vibration control and structural health monitoring are only some of the active fields that use piezoelectric materials today. Focusing on a generic electromechanical system, there is therefore the possibility to control the vibration of the structure thanks to the piezoelectric material double function of actuator, counteracting the mechanical system’s deformation, and sensor, transmitting the structure’s vibration to an electric circuit under the form of electrical charge. In this framework, the aim of the present work is the development of a new multi-branch shunt impedance for single-mode control purpose in the frequency domain. In particular, observing the Frequency Response Function of a generic electromechanical system subject to an excitation force, the methodology will enable to obtain a flat plateau in correspondence of the resonant mode. To successfully accomplish this task, several issues need to be tackled, from the correct modelling of the electrical circuit layout to the effective evaluation of its performances. Therefore, in this thesis work an integrated analytical-numerical methodology based on multi-branch shunt impedances and mono-modal vibration control has been developed. By means of this procedure, it becomes possible to widen the resonant mode peak better tackling the mistuning phenomenon, together with lowering the computational effort while keeping high the robustness and the reliability of the method. To support the model development, the analogy between the electrical and the mechanical domains has been extensively exploited. Eventually, the different aspects of the modelling approach have been combined into a hybrid model and an effective and reliable new mono-mode control vibration method has been formulated.

Oggigiorno, i materiali piezoelettrici sono ampiamente utilizzati nel settore della dinamica e del controllo delle vibrazioni. Infatti, la raccolta di energia, lo smorzamento delle vibrazioni strutturali, il controllo attivo delle vibrazioni e il monitoraggio della salute di una struttura sono solo alcuni degli ambiti attivi che utilizzano i materiali piezoelettrici. Concentrandosi su un generico sistema elettromeccanico, vi è di conseguenza la possibilità di controllare le vibrazioni di una struttura grazie alla duplice funzione dei materiali piezoelettrici di attuatore, contrastando la deformazione del sistema meccanico, e di sensore, trasmettendo la vibrazione della struttura a un circuito elettrico nella forma di carica elettrica. In questo ambito, lo scopo del presente lavoro è lo sviluppo di una nuova impedenza shunt multi-ramo per il controllo di un singolo modo nel dominio delle frequenze. In particolare, osservando la Funzione di Risposta in Frequenza di un generico sistema elettromeccanico soggetto a una forza di eccitazione, la metodologia consentirà di ottenere un plateau piatto in corrispondenza del modo risonante. Per portare a termine con successo questo compito, diverse problematiche devono essere affrontate, dalla corretta modellizzazione della configurazione del circuito elettrico all’efficace valutazione delle sue prestazioni. Di conseguenza, in questo lavoro di tesi una metodologia integrata analitica-numerica basata sulle impedenze shunt multi-ramo e sul controllo di vibrazioni mono-modale è stata sviluppata. Attraverso questa procedura, diviene possibile allargare il picco di risonanza fronteggiando meglio il fenomeno della non-regolazione, insieme ad abbassare lo sforzo computazionale mentre vengono mantenute alte la robustezza e l’affidabilità del metodo. Per supportare lo sviluppo del modello, l’analogia tra i domini elettrico e meccanico è stata ampiamente utilizzata. Infine, i diversi aspetti dell’approccio modellistico sono stati combinati in un modello ibrido e un nuovo metodo mono-modo di controllo delle vibrazioni è stato formulato.