Passive vibration mitigation via multi-stable, mechanical means is relatively unexplored. In addition, achieving vibration suppression through avoiding resonance is at the forefront of up and coming research. This thesis investigates the application of a purely mechanical, bistable device as a passive method of vibration suppression. A purely mechanical device does not require power, multiple materials, or electrical circuits, and a passive device does not require external interaction or control. Therefore, a passive, mechanical device could be implemented with ease even in physically constrained environments with large dynamic loads, such as turbomachinery. The purely mechanical, bistable device presented herein replicates the two switches per resonance crossing evident in semi-active Resonance Frequency Detuning method. This work explores two different bistable, mass-spring models. The first is a single degree of freedom nonlinear mass spring model aiming to utilize asymmetry in the potential function to change the stiffness of the overall system. The second model is a coupled, two degree of freedom system that combines the nonlinear softening and hardening spring characteristics with the unique stiffnesses of two stable states. The performance is verified by targeting the first mode of a cantilever beam, with the device shifting the resonance away from the excitation frequency. Future research could apply these idealized models to complex, rotating structures and replicate the performance of the passive, mechanical devices in a physical geometry that could be manufactured as a part of a target structure.

This thesis presents the development and testing of distributed vibration absorber designs with specific application to heavy plates for the reduction of vibration and sound radiation. Two particular designs, already under investigation for use on thin panels or composite materials, were adapted to passively reduce broadband vibration and noise from large and heavy plates. These absorbers are referred to as Distributed Vibration Absorbers [DVAs] and Heterogeneous [HG] Blankets. Numerical models were developed, based on the theory of sound propagation through layered media and the vibration of plates, to simulate the performance of such absorbers for a variety of applications and media characteristics. The new absorber designs were then tested on a large, marine-type plate (4 feet by 2 feet by 1/4 inch) and showed both broadband noise and vibration control from 60 Hz to 5 kHz. DVAs could reduce the vibrating plate resonance magnitudes on the order of 15 dB at their tuning frequencies while providing overall vibration reduction of 5 dB or greater at higher frequencies. HG blankets were also capable of reducing plate resonance vibration up to 15 dB at their tuning frequencies and produced overall vibration reduction of 5 dB at higher frequencies. These absorbers are entirely passive, i.e. requiring no controller or prior modal testing of the structure, were placed randomly during testing, and are designed to contribute less than 10% additional mass to the structure, making them a robust vibration and noise control solution. / Master of Science

Absorvedores de vibração são comumente usados em aplicações com intuito de reduzir indesejadas amplitudes de vibração de estruturas e maquinas vibrantes. O conceito de um absorvedor de vibração linear consiste na ideia de projetar um subsistema com frequência de ressonância coincidente com uma dada frequência de interesse, tal que a amplitude de vibração do sistema primário e significativamente reduzida quando comparada a situação original, sem o absorvedor de vibração. Porem, uma deficiência dos absorvedores de vibração lineares típicos e sua estreita faixa de frequência de operação. Para superar essa deficiência, muitas tentativas de solução usando subsistemas não lineares tem sido propostas na literatura, ja que se apropriadamente projetados, eles podem aumentar a faixa de frequência de absorção de vibração e/ou melhorar a redução das amplitudes de vibração do sistema primário. Contudo, a síntese e o projeto de tais absorvedores não lineares não e tão simples e direta como no caso linear. Baseado na geometria de uma topologia proposta e encontrada na literatura, que compreende a inclusão de uma montagem do tipo snap through truss no lugar da mola linear do absorvedor de vibração, este trabalho tem intenção de apresentar um estudo sobre o projeto e otimização de um absorvedor dinâmico de vibrações não linear. Portanto, o efeito dos parâmetros do absorvedor e analisado quanto as perspectivas de redução das amplitudes de vibração do sistema principal como também de aumento da faixa de frequência de operação. A analise paramétrica do absorvedor foi promovida para responder questões sobre as variáveis de projeto, tanto físicas como geométricas. Realizou-se otimização do absorvedor com objetivo de sintoniza-lo a frequência de trabalho desejada, através de busca extensiva e algoritmos genéticos. Os resultados mostram que o absorvedor não linear proposto pode ser mais efetivo que seu correspondente linear em ambos os aspectos, na redução da máxima amplitude de vibração e no aumento da faixa de frequência de absorção. Portanto, apesar da dificuldade inicial de projeto, esse tipo de absorvedor representa uma alternativa interessante na atenuação das amplitudes de vibração ao longo de uma extensa faixa de frequência. / Dynamic vibration absorbers are commonly used in several applications in order to reduce undesired vibration amplitudes of vibrating machinery and structures. The concept of a linear vibration absorber is based on the idea of designing a subsystem with a resonance frequency coincident with a given frequency of interest such that the vibration amplitude of the primary system is significantly reduced when compared to the original situation (without the vibration absorber). But one of the known handicaps of typical linear vibration absorbers is their narrow frequency range of operation. To overcome this handicap, a number of tentative solutions have been proposed in the literature using nonlinear subsystems. If properly designed, they could enlarge the frequency range of vibration absorption and/or improve vibration reduction of the primary system. However, the synthesis and design of such nonlinear absorbers are not as straightforward as for their linear counterpart. A proposed design found in the open literature consists of replacing the linear spring of the vibration absorber by a nonlinear snap-through truss. This work aims to present a study on the design and optimization of a nonlinear dynamic vibration absorber based on snap-through absorber geometry. The effect of the absorber parameters was analyzed on both, the primary system vibration amplitude reduction and the frequency range of operation. Parametric analyses of the absorber were carried out to answer questions about the physical and geometric design variables. The absorber optimization was performed in two different ways, by extensive search and genetic algorithms, in order to tune it in the desired working frequency. The results show that the proposed nonlinear vibration absorber may be more effective than its linear counterpart both in terms of maximum vibration amplitude reduction and absorption frequency-range. Therefore, despite the increased design complexities such an absorber is an interesting alterna- tive in attenuating vibration amplitudes over a wide frequency range.

Absorvedores de vibração são comumente usados em aplicações com intuito de reduzir indesejadas amplitudes de vibração de estruturas e maquinas vibrantes. O conceito de um absorvedor de vibração linear consiste na ideia de projetar um subsistema com frequência de ressonância coincidente com uma dada frequência de interesse, tal que a amplitude de vibração do sistema primário e significativamente reduzida quando comparada a situação original, sem o absorvedor de vibração. Porem, uma deficiência dos absorvedores de vibração lineares típicos e sua estreita faixa de frequência de operação. Para superar essa deficiência, muitas tentativas de solução usando subsistemas não lineares tem sido propostas na literatura, ja que se apropriadamente projetados, eles podem aumentar a faixa de frequência de absorção de vibração e/ou melhorar a redução das amplitudes de vibração do sistema primário. Contudo, a síntese e o projeto de tais absorvedores não lineares não e tão simples e direta como no caso linear. Baseado na geometria de uma topologia proposta e encontrada na literatura, que compreende a inclusão de uma montagem do tipo snap through truss no lugar da mola linear do absorvedor de vibração, este trabalho tem intenção de apresentar um estudo sobre o projeto e otimização de um absorvedor dinâmico de vibrações não linear. Portanto, o efeito dos parâmetros do absorvedor e analisado quanto as perspectivas de redução das amplitudes de vibração do sistema principal como também de aumento da faixa de frequência de operação. A analise paramétrica do absorvedor foi promovida para responder questões sobre as variáveis de projeto, tanto físicas como geométricas. Realizou-se otimização do absorvedor com objetivo de sintoniza-lo a frequência de trabalho desejada, através de busca extensiva e algoritmos genéticos. Os resultados mostram que o absorvedor não linear proposto pode ser mais efetivo que seu correspondente linear em ambos os aspectos, na redução da máxima amplitude de vibração e no aumento da faixa de frequência de absorção. Portanto, apesar da dificuldade inicial de projeto, esse tipo de absorvedor representa uma alternativa interessante na atenuação das amplitudes de vibração ao longo de uma extensa faixa de frequência. / Dynamic vibration absorbers are commonly used in several applications in order to reduce undesired vibration amplitudes of vibrating machinery and structures. The concept of a linear vibration absorber is based on the idea of designing a subsystem with a resonance frequency coincident with a given frequency of interest such that the vibration amplitude of the primary system is significantly reduced when compared to the original situation (without the vibration absorber). But one of the known handicaps of typical linear vibration absorbers is their narrow frequency range of operation. To overcome this handicap, a number of tentative solutions have been proposed in the literature using nonlinear subsystems. If properly designed, they could enlarge the frequency range of vibration absorption and/or improve vibration reduction of the primary system. However, the synthesis and design of such nonlinear absorbers are not as straightforward as for their linear counterpart. A proposed design found in the open literature consists of replacing the linear spring of the vibration absorber by a nonlinear snap-through truss. This work aims to present a study on the design and optimization of a nonlinear dynamic vibration absorber based on snap-through absorber geometry. The effect of the absorber parameters was analyzed on both, the primary system vibration amplitude reduction and the frequency range of operation. Parametric analyses of the absorber were carried out to answer questions about the physical and geometric design variables. The absorber optimization was performed in two different ways, by extensive search and genetic algorithms, in order to tune it in the desired working frequency. The results show that the proposed nonlinear vibration absorber may be more effective than its linear counterpart both in terms of maximum vibration amplitude reduction and absorption frequency-range. Therefore, despite the increased design complexities such an absorber is an interesting alterna- tive in attenuating vibration amplitudes over a wide frequency range.

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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In the present work, a methodology for numerical simulation of self-heating phenomenon in viscoelastic materials has been developed, with the aim of proposing and validating finite element models that can be applied to predict the thermomechanical behaviour of structures including viscoelastic materials. The model takes into account the dependence of the mechanical characteristics of the viscoelastic material with respect to frequency and temperature and allows to obtain the transient temperature field. For this purpose, the heat source calculation is computed based on the dissipated energy obtained from the harmonic response calculation as the structure is submitted to cyclic loading. The validation of the model and the adjustment of two initially unknown parameters, namely the film coefficient for natural heat convection and the ratio of the heat source over the mechanical power dissipated through viscoelastic effects, were carried out by comparison of the model-predicted responses to experimental results counterparts, the latter being obtained by the application of a cyclic load to a sample specimen by means of a universal test machine, and measuring the temperatures within the viscoelastic material of the dispositive using thermocouples. A curve-fitting procedure was developed using an optimization routine, in order to identify optimal set of values of h and b. For each test, the experimental results were compared to those obtained from the numeric model after the identification, thus allowing the evaluation of the accuracy and limitations of the proposed model procedure. / Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de simulação numérica do fenômeno de auto-aquecimento, tendo como objetivo a realização e a validação de um modelo a ser aplicado à predição do comportamento termomecânico de estruturas incluindo materiais viscoelásticos. O modelo de elementos finitos proposto leva em conta a dependência das propriedades mecânicas do material viscoelástico com relação à frequência e temperatura, e permite a obtenção do campo de temperatura em regime transitório. O cálculo da fonte de calor é baseado na energia de dissipação viscoelástica obtida por meio da resposta em regime harmônico da estrutura submetida a um carregamento cíclico. A validação do modelo proposto e o ajuste de dois parâmetros inicialmente desconhecidos, a saber, o coeficiente de transferência de calor por convecção natural e a razão da fonte de calor pela energia decorrente da dissipação viscoelástica, foram efetuados via confrontação com resultados experimentais, estes sendo obtidos aplicando-se cargas cíclicas sobre um corpo de prova por meio de uma máquina universal de ensaios e registrando a temperatura no material viscoelástico do dispositivo com auxílio de termopares. Um procedimento de ajuste de curvas via uma rotina de otimização foi desenvolvido para a identifição dos parâmetros. Para cada ensaio, os resultados experimentais e os correspondentes obtidos com o modelo numérico após a identificação foram comparados, permitindo avaliar a precisão e as limitações do procedimento de modelagem proposto. / Mestre em Engenharia Mecânica

[pt] O controle passivo de vibrações em edifícios usando absorsores pendulares tem sido bastante estudado na literatura técnica e usado na pratica em edifícios altos como o Taipei-101 em Taiwan. Como a frequência do pêndulo depende apenas do seu comprimento e da aceleração da gravidade, para sintonizar a frequência do pêndulo com a do edifício, tem-se como única variável de projeto o comprimento do pêndulo. Entretanto, em muitos casos, o comprimento necessário e o espaço requerido não se coadunam com o projeto. Nestes casos pode-se substituir o pêndulo clássico por um sistema pendular equivalente composto por uma massa que se movimenta sobre uma superfície curva, permitindo maior flexibilidade no projeto do absorsor, já que o comprimento do pêndulo torna-se irrelevante e a forma da superfície curva pode ser otimizada. Em virtude do movimento da massa sobre a superfície curva, novas forças de inércia e amortecimento não encontradas no pêndulo clássico podem aparecer. No presente trabalho um sistema pendular composto de uma massa que se desloca através de suportes rolantes sobre uma superfície curva é proposto para controle das oscilações de estruturas sob excitação de base. Este sistema pendular tem a vantagem de poder ser usado tanto como um amortecedor pendular de massa sintonizada (APMS) quanto como isolador de base pendular (IBP). Como o sistema pendular pode, em certos casos, apresentar grandes rotações, barreiras que limitam o movimento são propostas, gerando forças de impacto cuja eficiência no controle de vibrações é aqui investigada. / [en] The passive vibration control of buildings using pendulum absorber has been extensively studied in the technical literature and used in high buildings such as the Taipei-101 in Taiwan. Since the frequency of the pendulum depends only on its length and the acceleration of gravity, to tune the frequency of the pendulum to that of the building, its length is the sole design variable. However, in many cases, the pendulum length and the space required for its installation are not consistent with the design. In these cases one can replace the classic pendulum with an equivalent pendulum system comprising a mass that moves on a curved surface, allowing greater flexibility in the absorber design as the length of pendulum becomes irrelevant and the shape of the curved surface can be optimized. Because of the mass movement on the curved surface, new inertia and stiffness forces not found in the classic pendulum may appear. In the present work a pendulum system comprising a mass that moves through rolling bearings on a curved surface is proposed for control of the oscillations of structures under base excitation. This pendulum system has the advantage of being used both as a pendulum tuned mass damper (APMS) and as a base isolation pendulum system (IBP). As the pendulum system can, in certain cases, display large rotations, barriers which limit its movement are proposed, generating impact forces whose efficiency in vibration control is here investigated.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Engineering composite structures containing piezoelectric elements coupled with the so-named shunt circuits, with the aim of passive vibration attenuation, are characterized by inherent uncertainties in their parameters, which can affect significantly performance of the passive shunt circuit. In this context, this work presents the stochastic finite element modeling of a composite structure containing piezoelectric element to be coupled with a shunt circuit, in such a way, that uncertain parameters such as the fiber s orientation, layer thicknesses and the resistance and inductance in the shunt circuit are assumed as uncertain variables and, their corresponding dispersion, is characterized in the stochastic response by propagating the uncertainties into the model. First, the deterministic electromechanical problem is modeled by combining the First-Order Shear Deformation Theory and the concept of Equivalent Single Layer, in order to approximate the mechanical displacement fields, with the so-called Layerwise Theory used to model the discrete electric fields within the composite element. In the sequence, the shunt circuits coupled to the piezoelectric element are introduced in the model. The deterministic finite element modeling procedure was performed taking into the parameterization process of the design variables of interest to be further assumed as random variables in a straightforward way. In the present stochastic finite element modeling procedure, the uncertain variables are modeled as Gaussian stochastic homogeneous fields and discretized according to the Karhunen-Loève expansion method, with the aim of generating the exact stochastic matrices. The obtained results, in terms of the envelopes of the frequency response functions for a composite beam incorporating piezoelectric material coupled with a shunt circuit, demonstrate the interest in considering the uncertainties in the preliminary design phase of the shunt circuits to control the undesired vibrations. / Estruturas compósitas em engenharia contendo elementos piezelétricos acoplados a circuitos elétricos shunt, para fins de atenuação passiva dos níveis de vibração, apresentam incertezas inerentes em seus parâmetros de projeto, as quais, podem afetar significativamente a eficiência dos circuitos elétricos passivos. Neste contexto, este trabalho apresenta a modelagem por elementos finitos estocásticos de uma estrutura em material compósito laminado contendo elemento piezelétrico acoplado a circuitos elétricos shunt, de modo que, parâmetros incertos, como direções das fibras, espessuras das camadas e a resistência e indutância do circuito shunt, são assumidos como sendo variáveis aleatórias e, a dispersão destas variáveis, é caracterizada nas respostas estocásticas obtidas após a propagação das incertezas no modelo. Desta forma, realiza-se em um primeiro momento a modelagem do problema eletromecânico determinístico. Para tal, há combinação das teorias de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem e da Camada Equivalente Única para aproximação dos campos de deslocamentos mecânicos, com a Teoria Layerwise, que utiliza o conceito de Camadas Equivalentes Discretas na consideração dos campos elétricos, os quais, são assumidos discretos ao longo da espessura da estrutura do laminado. Na sequência, faz-se a inclusão dos circuitos elétricos shunt no modelo eletromecânico. A modelagem determinística é realizada de forma parametrizada para que se possa realizar a introdução a posteriori das incertezas no modelo de forma mais eficiente. Utilizando-se do Método dos Elementos Finitos Estocásticos, os parâmetros fatorados das matrizes e os elementos do circuito são considerados como variáveis aleatórias e modelados como campos homogêneos estocásticos gaussianos. Estes campos são então discretizados de acordo com o método de expansão em série de Karhunen-Loève, onde são geradas as matrizes estocásticas exatas do sistema eletromecânico via modificação do processo de integração pelas funções de covariância. Os resultados obtidos, em termos dos envelopes das respostas em frequência para uma viga compósita contendo um elemento piezelétrico acoplado ao circuito shunt, evidenciam a importância de se considerar as incertezas durante as fases de concepção inicial e/ou pré-projeto de sistemas dinâmicos incorporando circuitos shunt para o controle passivo de vibrações. / Mestre em Engenharia Mecânica

The transition from internal combustion engine to battery electric cars is accompanied by a shift on the NVH issues damaging the passenger comfort. The rolling noise generated by the wheels and tyres is in particular characterized by an increasing attention from OEMs and car manufacturers. Among the causes of the rolling noise are the vibrations generated at the wheel, which are transmitted to the vehicle interior through its structure. To limit these vibrations at their source, a new innovative concept has been proposed at Stellantis. This idea is based on the use of a specific type of vibration absorber known by the acronym MTMD (Multiple Tuned Mass Damper).First, the existing literature about vibrations absorbers and optimisation techniques has been reviewed. Then, initial simulations on a global model comprising the wheel and beam-like resonators have shown how this system can effectively reduce a resonant peak.Optimisation processes have then revealed an important attenuation of a wheel resonance, even when the peak frequency is shifted. This demonstrated how important the distribution of resonators resonance frequencies are and their damping ratios when designing a robust and efficient MTMD.Finally, local resonators have been designed and modelled by considering the constraints for an integration on a wheel. A satisfactory design for resonators able to vibrate at the wanted frequency has been found. The beam-like resonators used in the first global model have then been replaced by these real resonators, confirming the possible gain with this device in a vehicle. / Övergången från förbränningsmotorer till batterielektriska bilar åtföljs av en övergång till NVH-frågor som kan påverka passagerarnas komfort. Det rullningsljud som genereras av hjul och däck får i synnerhet ökad uppmärksamhet från OEM:er och biltillverkare.Bland orsakerna till rullningsljudet finns de vibrationer som genereras vid hjulet och som överförs till fordonets inre genom dess struktur. För att begränsa dessa vibrationer vid källan har ett nytt innovativt koncept föreslagits av Stellantis. Idén bygger på användningen av en särskild typ av vibrationsdämpare som kallas MTMD (Multiple Tuned Mass Damper).Först har den befintliga litteraturen om vibrationsdämpare och optimeringstekniker gåtts igenom. Därefter har inledande simuleringar på en global modell som omfattar hjulet och balkliknande resonatorer visat hur detta system effektivt kan minska en resonanstopp.Optimeringsprocesserna har sedan bekräftat att hjulresonansen är kraftigt dämpad, även när toppfrekvensen är förskjuten. Detta visade hur viktig fördelningen av resonansfrekvenser och dämpningsförhållanden för resonatorer är när man utformar en robust och effektiv MTMD.Slutligen har lokala resonatorer utformats och modellerats genom att beakta begränsningarna för en integrering i ett hjul. En tillfredsställande utformning av resonatorer som kan vibrera vid den önskade frekvensen har hittats. De balkliknande resonatorer som användes i den första globala modellen har sedan ersatts av dessa riktiga resonatorer, vilket bekräftar den potentiella förbättringen med denna anordning i ett fordon.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Esta Dissertação versa sobre a análise de confiabilidade de estruturas sujeitas a controle ativo e passivo de vibrações, com ênfase na aplicação dos métodos de confiabilidade de primeira ordem (FORM, First Order Reliability Method) e segunda ordem (SORM, Second Order Reliability Method). Esses são usados para calcular o índice de confiabilidade e, consequentemente, a probabilidade de falha de estruturas, considerando variáveis aleatórias modeladas segundo funções densidade de probabilidade. Três técnicas de controle são avaliadas: controle ativo empregando atuadores piezelétricos; controle passivo por absorvedores dinâmicos de vibrações e controle passivo baseado em atuadores piezelétricos conectados a circuitos shunt ressonantes. Para cada caso, são definidas funções de estado limite que descrevem limites operacionais e/ou requisitos de projeto, cuja avaliação é baseada em respostas obtidas por meio de modelos de elementos finitos das estruturas analisadas. Para cada uma das técnicas de controle, aplicações numéricas dos métodos FORM e SORM são realizadas considerando como estrutura principal uma treliça plana. Para efeito de avaliação da precisão das estimações de confiabilidade fornecidas por estes métodos, foram também utilizadas Simulações de Monte Carlo. A partir dos resultados, são discutidas as características específicas observadas para cada técnica de controle. Em específico, para duas delas foram identificados domínios de segurança e de falha de formas atípicas, em cujos casos, fica inviabilizado o uso dos métodos FORM e SORM. De modo geral, os resultados confirmam a importância e a conveniência de se aplicarem os métodos de análise de confiabilidade a estruturas sujeitas a procedimentos de controle de vibrações. / This dissertation is devoted to the reliability analysis of structures subjected to active and passive vibration control, with emphasis on the use of First Order Reliability Method (FORM) and Second Order Reliability Method (SORM). These methods are used to evaluate the reliability indices and the associated failure probability, considering that the random variables are modeled by probability density functions. Three techniques of vibration control are considered, namely: active control using PZT stack actuators, passive control based on dynamic vibration absorbers, and passive control based on piezoelectric transducers connected to resonant shunt circuits. For each technique, limit state functions are defined related to the operational limitations or design requirements. Their evaluation is made from structural responses obtained from finite element models. For each control technique, numerical applications of FORM and SORM are carried-out for a two-dimensional truss, defined as the structure of interest. To assess the accuracy of the reliability estimations provided by those methods, Monte Carlo Simulations are also performed. The numerical results enable to put in evidence specific characteristics of each control technique as related to reliability. Specifically, for two of them it is verified the occurrence of atypical geometrical forms of the safety and failure domains, which preclude the use of FORM and SORM. In general, the results confirm the importance and convenience of performing reliability assessment of structures subjected to vibration control procedures. / Dissertação (Mestrado)