Riduzione di vibrazioni tramite Particle Dampers

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Vicoter, in cooperazione con Lord-Parker Corporation e il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, sta svolgendo una ricerca inerente la soppressione passiva delle vibrazioni. L’attività è finanziata dalla Comunità Europea nell’ambito del progetto di ricerca Clean Sky 2 denominato ‘EMS-UHPE – Engine Mount System for Ultra High Pass Engine’. Essa è volta ad individuare e sperimentare tecnologie innovative di abbattimento delle vibrazioni da impiegarsi in ambiente aeronautico, motoristico in particolare, in grado di ridurre l’impatto delle risonanze sui limiti di progetto, permettendo un alleggerimento dei componenti.

Ad oggi una delle migliori soluzioni è risultata essere il Particle Impact Damper (PID). Questa tecnologia prevede l’utilizzo di un certo numero di particelle (sfere ma anche particelle di altra forma), poste all’interno di un involucro collegato alla struttura da smorzare, in grado di trasformare l’energia cinetica in calore mediante collisioni fra le particelle stesse e con le parerti.

PID example

Il PID offre la capacità di determinare smorzamenti elevati in una ampia banda di frequenze, con una notevole libertà realizzativa e la possibilità di utilizzo in ambienti ostili (es. alta temperatura), senza risentire di effetti di invecchiamento, al contrario di altre classiche soluzioni, come a es. i trattamenti basati su materiali viscoelastici. A fronte di una ineguagliabile flessibilità di impiego esso però presenta un comportamento fortemente non lineare che ne rende difficoltosa la progettazione ottimale, a causa della presenza di numerosi parametri di progetto.

Vicoter insieme al Politecnico di Milano sta portando avanti una campagna sperimentale, per individuare la sensibilità dello smorzamento introdotto rispetto a varie grandezze, quali l’entità dell’accelerazione sulla struttura, la tipologia di eccitazione (sinusoidale, random, …), la frequenza di lavoro, il numero delle sfere, il materiale di cui sono fatte, le dimensioni dell’involucro, il posizionamento dell’apparato, la sensibilità alle accelerazioni trasversali, il tutto nell’ambito di un approccio integrato simulazione/sperimentazione.

PID simplified test

Un semplice ma significativo apparato sperimentale è stato approntato. Una piastra sottile in alluminio, incastrata a un’estremità, è stata utilizzata come struttura in prova. I primi tre modi flessionali (fino a circa 150 Hz) sono stati eccitati mediante uno shaker elettrodinamico. La forza introdotta è stata letta attraverso una cella di carico mentre tre sensori sono stati utilizzati per rilevare l’accelerazione in alcuni punti della trave e due sensori laser sono stati impiegati per misurare sia lo spostamento verticale, sia, attraverso una differenza finita spaziale, la rotazione del dispositivo.

Per esigenze di normalizzazione dei risultati e per mantenere il più possibile costante l’agitazione delle particelle, i test sono stati condotti imponendo all’estremità libera della trave un’accelerazione verticale media di entità costante indipendente dalla frequenza.

Typical PID results

I risultati ottenuti a oggi confermano che, se correttamente progettato, un PID è in grado di realizzare apprezzabili riduzioni del picco di risonanza (fino a 20 volte) con un contenuto aumento di peso e un impatto ridotto sulla struttura ospite.

A ogni modo, essendo la massa delle particelle uno dei più importanti fattori a guidare la dispersione dell’energia, il trade-off tra le prestazioni del PID e l’aggravio di peso per delle strutture reali è tuttora in fase di studio.

PID test on aeronautical component