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Master's Dissertation
Full name
Gabriela Mayumi de Freitas Otsubo
Knowledge Area
Date of Defense
São Carlos, 2020
Marqui Junior, Carlos de (President)
Bueno, Douglas Domingues
Silveira, Marcos
Title in English
Effects of piezoelectric based nonlinear energy sink on the aeroelastic behavior of a typical section
Keywords in English
Aeroelastic control
Nonlinear energy sink
Abstract in English
The attenuation of undesired structural vibrations is of interest in a variety of engineering applications ranging from industrial machines to aerospace structures. Especially for lightweight and flexible structures used in aircraft and spacecraft systems, piezoelectric shunt damping offers remarkable advantages as an electronic damping approach without the mass loading effects of conventional and bulky vibration damping methods. Linear piezoelectric vibration absorbers are tuned to a specific frequency and, therefore, their control performance may be significantly reduced if the target frequency is modified due to variation of environmental conditions, fabrication tolerances, parameter uncertainties, or nonlinearities, among others. Researchers have explored different types of nonlinear piezoelectric shunt circuits to enhance the vibration suppression bandwidth of piezoelectric absorbers and, therefore, overcome the limitations of linear piezoelectric absorbers. This work extends this topic by investigating numerically and experimentally the influence of nonlinear piezoelectric vibration absorbers on the behavior of linear and nonlinear aeroelastic systems. A typical section with two degrees of freedom is used and the electromechanical coupling is added to the plunge degree of freedom. Later, a concentrated nonlinearity, free play, is added to the typical section. For each typical section, the short-circuit configuration is assumed as reference case and the increase in the flutter speed is obtained numerically and experimentally. The results are presented in time and frequency domain and show increases of flutter speed from 2.5 % for the experimental nonlinear typical section to 3.7 % for the experimental linear one.
Title in Portuguese
Efeito de absorvedores piezelétricos de vibração não-lineares sobre o comportamento aeroelástico de uma seção
Keywords in Portuguese
Nonlinear energy sink
Controle aeroelástico
Abstract in Portuguese
A atenuação de vibrações estruturais indesejadas é de interesse em uma variedade de aplicações de engenharia, desde máquinas industriais até estruturas aeroespaciais. Principalmente no caso estruturas leves e flexíveis usadas em sistemas de aeronaves e espaçonaves, o shunt damping piezelétrico oferece vantagens notáveis, como uma abordagem de amortecimento eletrônico minimizando a adição de massa e de volume dos métodos convencionais de amortecimento de vibração. Absorvedores de vibração piezoelétricos lineares são sintonizados para uma frequência específica e, portanto, seu desempenho pode ser reduzido significativamente se a frequência alvo for modificada devido à variação das condições ambientais, tolerâncias de fabricação, incertezas de parâmetro, não-linearidades, entre outros. Pesquisadores exploraram diferentes tipos de circuitos shunt damping piezelétricos não-lineares para aumentar a faixa de frequências de operação e, portanto, superar as limitações dos absorvedores piezoelétricos lineares. Este trabalho estende este tópico investigando numericamente e experimentalmente a influência de absorvedores de vibração piezelétricos não-lineares no comportamento de sistemas aeroelásticos lineares e não-lineares. Uma seção típica com dois graus de liberdade é utilizada e o acoplamento eletromecânico é adicionado no grau de liberdade de plunge. Depois uma não-linearidade concentrada, free play, é adicionada à seção típica. Para cada seção, a configuração de curto-circuito é usada como caso de referência e o aumento da velocidade de flutter devido ao NES é obtido numericamente e experimentalmente. Os resultados são mostrados no domínio do tempo e da frequência e mostram aumentos na velocidade de flutter variando de 2,5 % para a seção típica nãolinear experimental até 3,7 % para a linear experimental.
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