Ingeniería Mecánica · 2022
Análisis Numérico y Experimental de un Material Viscoelástico Implementado en un Sistema con Amortiguación Pasiva en una Viga Tipo Sándwich
El uso de materiales específicos para aplicaciones de amortiguamiento pasivo ha llevado a la investigación continua de nuevos materiales o materiales existentes para su desempeño en este campo, junto al emergente uso de metamateriales y métodos de fabricación o prototipado rápido que facilitan esta tarea como la impresión 3d. Su amplia aplicación en diferentes campos está permitiendo su desarrollo en cuanto al nivel de complejidad de las geometrías como diferentes métodos de construcción y diseño. Mejorando con ello la factibilidad de las posibles aplicaciones en diversos sistemas de trabajo. En este trabajo se revisaron las características mecánicas del material TPU NinjaFlexTM y sus propiedades de amortiguamiento desde un enfoque de ajuste. Su tipo de arquitectura del material (llenados hexaédricos con un número de orificios Na=3). Se ajustaron los datos al modelo de series de Prony con el fin de realizar su análisis numérico mediante el software ANSYS. Siendo este modelamiento validado con la experimentación del sistema de amortiguación pasiva de vibraciones en una viga tipo sándwich que representa y simplifica diversas aplicaciones para la evaluación de su viabilidad de construcción. Se evidenció la dependencia del tiempo en cuanto módulo de relajación de un material viscoelástico. Se encontró una capacidad de amortiguamiento descrita mediante un damping ratio de 3,49% a un rango de frecuencia de 7,5 Hz para un sistema de una viga tipo sándwich con la interfaz (aluminio/TPU/aluminio). El rango de frecuencia es para este tipo de sistemas que muestra otro pico de capacidad de amortiguamiento es cercano a 32,7 Hz con un valor de 3,264%. Durante el desarrollo del proyecto se resaltó sencilla y precisa implementación del EMA para la experimentación modal.
Texto completo 81 páginas con texto
Leer la tesis completa Ficha en el repositorio
Contenido
- Introducciónp. 14
- Objetivosp. 15
- Objetivo Generalp. 15
- Objetivos Específicosp. 15
- Marco Teóricop. 16
- Materiales Viscoelásticosp. 16
- 2.1.1 Análisis mecánico dinámico DMAp. 18
- 2.1.2 Modelos del comportamiento viscoelásticop. 19
- 2.1.2.1 Modelo de Maxwellp. 19
- 2.1.2.2 Modelo de generalizado de Maxwellp. 20
- 2.1.2.3 Modelo Kelvin-Voigtp. 21
- 2.1.3 Series de Pronyp. 22
- 2.1.4 Series de Prony en ANSYSp. 23
- Análisis modal experimental EMAp. 24
- Modal assurance criterion MACp. 25
- Half-Power Bandwidth Method (Peak- picking)p. 28
- Metodologíap. 30
- Obtención de datos y Ajuste del modelop. 30
- 3.1.1 Proceso de recopilación de datos del DMA y sus resultadosp. 30
- 3.1.2 Ajuste de datos al modelo de ANSYSp. 33
- 3.1.3 Ajuste mediante Matlab con Levenberg-Marquardp. 34
- Análisis Modal Experimentalp. 35
- 3.2.1 Proceso de impresión del TPU y armado de la viga tipo sándwichp. 35
- 3.2.1.1 Tratamientos del materialp. 35
- 3.2.1.2 Diseño de las probetasp. 36
- 3.2.1.3 Impresión de las probetasp. 36
- 3.2.1.4 Armado de la viga tipo sándwichp. 38
- 3.2.2 Desarrollo del análisis modal experimentalp. 39
- 3.2.2.1 Equipos de adquisición de datos usadosp. 39
- Módulo de adquisición de datosp. 39
- Martillo excitadorp. 40
- Acelerómetrop. 40
- 3.2.2.2 Montaje del experimentop. 41
- Parámetros de mediciónp. 44
- Proceso de toma de datosp. 44
- 3.2.2.3 Datos obtenidos (modos y FRF)p. 45
- Post procesamiento de las formas modalesp. 47
- 3.2.3 Análisis numérico en ANSYSp. 48
- 3.2.3.1 Carga inicial de datos y malladop. 48
- Importación y arreglos de la geometríap. 48
- Carga de datos de viscoelasticidad y propiedades del materialp. 48
- Carga de los parámetros de Prony en ANSYSp. 48
- Consideraciones del malladop. 49
- 3.2.3.2 Análisis Modalp. 48
- Formas modalesp. 51
- Proceso de obtención de datos a partir de las formas modalesp. 53
- 3.2.3.3 Respuesta armónicap. 54
- 3.2.3.4 Cálculo damping ratiop. 55
- Análisis de resultadosp. 56
- Resultado de ajuste de datosp. 56
- Datos obtenidos en el EMA y ANSYSp. 58
- 4.2.1 Comparación de datos experimentales y numéricos mediante el MACp. 60
- 4.2.2 Resultados del damping ratio y frecuencias naturalesp. 61
- Conclusionesp. 63
- Recomendacionesp. 64
- Referencias Bibliográficasp. 65
- Apéndicesp. 67
- Tabla 1 Datos del DMA de módulo de almacenamiento, de perdida, el complejo y tan (δ)p. 33
- Tabla 2 Datos obtenidos por el ajuste por el método de Levenberg-Marquardp. 35
- Tabla 3 Parámetros de impresiónp. 37
- Tabla 4 Tabla procesamiento de datos de la forma modal 1p. 47
- Tabla 5 Tabla procesamiento de datos formas modales ANSYSp. 54
- Tabla 6 Valores de damping ratio provenientes del hamonic response ANSYSp. 55
- Tabla 7 Matriz numérica y exprimentalp. 58
- Tabla 8 Comparación de los datos experimentales mediante el error porcentualp. 62
- Tabla 9 Tabla procesamiento de datos de la forma modal 2p. 75
- Tabla 10 Tabla procesamiento de datos de la forma modal 3p. 75
- Figura 1 Ilustración ángulo de desfase entre la fuerza cíclica y la respuesta del materialp. 18
- Figura 2 Ilustración del modelo de Maxwellp. 20
- Figura 3 Modelo generalizado de Maxwellp. 21
- Figura 4 Modelo simplificado de Kelvin-Voigtp. 22
- Figura 5 MAC ejemplo 2Dp. 27
- Figura 6 Método de peak-pickingp. 29
- Figura 7 Croquis ilustrativo para modelado de ecuacionesp. 31
- Figura 8 Diseño probeta final con na = 4 con pestañas para realizar agarrep. 32
- Figura 9 Impresiones de prueba para la calibración optima de la impresorap. 37
- Figura 10 Probetas impresas resultado finalp. 38
- Figura 11 Armado de viga tipo sándwichp. 39
- Figura 12 Oros 35 módulo de adquisición de datos y Hammer DYNAPULSE 5850 Bp. 40
- Figura 13 Acelerómetro DYTRAN 10.66 mv/gp. 41
- Figura 14 Montaje viga tipo sándwich a un anclaje fijop. 42
- Figura 15 Montaje del experimento de una viga tipo sándwich para el EMAp. 43
- Figura 16 Gráfica FRFp. 45
- Figura 17 Gráfica de los primeros dos modos en 7,5 Hz y 32,7 Hzp. 46
- Figura 18 Gráfica de los siguientes dos modos en 76,1 Hz y 131,58 Hzp. 46
- Figura 19 Carga de parámetros de viscoelasticidad en ANSYSp. 49
- Figura 20 Continuidad entre la interfaz de malladop. 50
- Figura 21 Tabla element quality ANSYSp. 50
- Figura 22 Forma modal 1 en flexión de la viga tipo sándwichp. 51
- Figura 23 Forma modal 2 en flexión de la viga tipo sándwichp. 52
- Figura 24 Forma modal 3 en flexión de la viga tipo sándwichp. 52
- Figura 25 Representación del path generado a lo largo de la vigap. 53
- Figura 26 Gráfica de función de respuesta de frecuencia del modelo numéricop. 55
- Figura 27 Gráfica tan(δ)p. 57
- Figura 28 Módulo de relajación en función del tiempop. 57
- Figura 29 CrossMAC entre datos experimentalesp. 59
- Figura 30 CrossMAC experimental y numéricop. 60
- Figura 31 Comparativa de las formas modales entre experimental y teóricap. 61
- Figura 32 Gráfica resultado del ajuste de los datos del DMA (módulo de almacenamiento)p. 69
- Figura 33 Gráfica resultado del ajuste de los datos del DMA (módulo de pérdida)p. 69
- Figura 34 Gráfica resultado del ajuste de los datos del DMA tan(δ)p. 70
- Figura 35 Explosionada viga completap. 71
- Figura 36 Vista isométrica del elemento interno de la vigap. 72
- Figura 37 Vista isométrica del elemento externo de la vigap. 72
- Figura 38 Artillery Sidewinder X1p. 73
- Figura 39 Viga empotrada en un extremo a una estructura rígidap. 74
- Figura 40 Montaje del experimento de una viga tipo sándwich para el EMA vista 2p. 74
- Figura 41 Selección del User Defined Resultp. 76
- Figura 42 Uso del código UVECTORSp. 76
- Figura 43 Modos resultados del pathp. 77
- Figura 44 Módulo de almacenamientop. 78
- Figura 45 Módulo de pérdidap. 78
- Figura 46 CrossMAC entre datos experimentales 2Dp. 80
- Figura 47 CrossMAC entre datos numéricos y experimentales 2Dp. 81
- Apéndice A. Script de Matlab para la optimización de los datos del DMAp. 67
- Apéndice B. Ecuaciones usadas para la determinación de las medidas de la probetap. 70
- Apéndice C. Esquematización de la probeta principal despiece y piezasp. 71
- Apéndice D. Impresora 3d Artillery Sidewinder X1p. 73
- Apéndice E. Montaje del EMA para una viga en voladizo tipo sándwichp. 74
- Apéndice F. Procesamiento de las formas modales 2 y 3p. 75
- Apéndice G. Proceso de descarga de las formas modales para el pathp. 76
- Apéndice H. Figura de cada modo resultante con la herramienta pathp. 77
- Apéndice I. Módulos de almacenamiento, pérdida y el script con el modelo resultantep. 77
- Apéndice J. CrossMAC en 2Dp. 80