An optimal adaptive vibration control for the fatigue damage reduction of a smart structure

Vibration control and fatigue damage reduction have historically been considered separately in structural mechanical component design. Anyway, due to the diffusion of Smart Structures, i.e. light-weight, extremely flexible and controlled by a large number of actuators and sensors, the effects of active vibration control on the structure fatigue damage are no longer negligible. The aim of this thesis is designing a vibration control system which could take into account the fatigue phenomenon, extending the structure life. The research splits into two lines: firstly, defining an adaptive optimal control logic which, monitoring the structure vibration parameters, adapts the control gain matrix in order to control the fatigue damage on the structure. Secondly, a sensor and actuator positioning technique will be defined with the aim to minimize the local damaging effects (due to high control forces) and spillover problems. The designed logics were tested both numerically and experimentally showing really interesting performances in terms of structure lifetime extension.

Il controllo di vibrazioni ed il danneggiamento a fatica di strutture sono state storicamente considerate separatamente nella fase di progettazione dei componenti meccanici. Recentemente però, a causa della diffusione di strutture "smart" (ossia leggere, estremamente flessibili e controllate da un gran numero di attuatori e sensori) gli effetti di un controllo attivo di vibrazioni sulla vita a fatica della struttura non possono essere considerati trascurabili. L’obiettivo di questa tesi è quindi quello di progettare un sistema di controllo che tratti il problema della riduzione delle vibrazioni e dell’estensione della vita a fatica delle strutture come un unico problema integrato. La ricerca si è quindi diramata su due fronti: da un lato la definizione di una legge di controllo adattativa che, monitorando i parametri di vibrazione della struttura, modifica la matrice dei guadagni del controllo allo scopo di minimizzare il danneggiamento a fatica della struttura. Dall’altro è stata definita una tecnica di posizionamento ottimo di sensori ed attuatori con l’obiettivo di minimizzare gli effetti di danneggiamento locale (dovuti ad eventuali elevate forze di controllo) e gli effetti di spillover. Le logiche così definite sono state testate sia numericamente che sperimentalmente su una piastra di materiale composito, mostrando eccellenti prestazioni in termini di incremento della vita utile della struttura.