UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II” DIPARTIMENTO DI SCIENZE FISICHE CNR-INFM COHERENTIA Composito elasto-magnetico innovativo con rigidità.

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1 UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II” DIPARTIMENTO DI SCIENZE FISICHE CNR-INFM COHERENTIA Composito elasto-magnetico innovativo con rigidità variabile per applicazioni nel campo dell’attenuazione delle vibrazioni Reserch Team : Prof. LUCIANO LANOTTE Dott. GIOVANNI AUSANIO Dott. VINCENZO IANNOTTI Relatore : Dr. VINCENZO IANNOTTI

2 Configurazione del nuovo materiale a multistrato (a) singola lamina magnetica e singola lamina di gomma naturale, (b) disposizione dei poli all’interno del campione, (c) schema del provino multistrato finale Altezza attenuatore (L)58 mm Lato della base (L 1 )30 mm Lato della base (L 2 )34 mm Lato della singola lamina magnetica (h 1 )20 mm Lato della singola lamina magnetica (h 2 )20 mm Altezza della singola lamina magnetica (h)5 mm Lato della singola lamina di gomma naturale (s 1 )20 mm Lato della singola lamina di gomma naturale (s 2 )20 mm Altezza della singola lamina di gomma naturale (s)2 mm Caratteristiche del polimero utilizzato riferite alla fase solida MaterialeSilicone TipoESSIL 244 AXON ColoreOpalescente % di reticolante15 Modulo di Young320 kPa Viscosità44000 mPa.s Densità1.1 g/cm3

3 Principi di funzionamento dell’attenuatore quando sottoposto a deformazione armonica longitudinale - Dissipazione di energia attraverso l’attrito interno dovuto allo scorrimento all’interfaccia tra strati elastici precompressi (bianco) e strati plastici duri (giallo) (a) conformazione del provino senza carico; (b) comportamento del provino per un carico di compressione di lieve entità (la presenza dell’attrito statico non permette ancora lo scorrimento trasversale degli strati elastici); (c) provino sottoposto al carico finale (scorrimento degli strati elastici con lavoro delle forze di attrito cinetico) (a) conformazione del provino nello stato iniziale compresso; (b) comportamento del provino in decompressione (lo scorrimento verso l’interno determina sforzi di attrito radente); (c) provino decompresso (cessa l’azione dell’attrito interno)

4 - Effetti dovuti alla presenza delle forze di repulsione magnetiche: 1. Piccola isteresi magnetica a seguito della variazione del campo prodotto da ogni lamina su quella adiacente 2. Aumento delle forze di repulsione interne a seguito dell’azione magnetica nella fase di compressione (aumento di rigidezza complessiva del multistrato) 3. Diminuzione delle forze di repulsione magnetiche in fase di dilatazione (diminuzione della rigidezza complessiva del multistrato) Principi di funzionamento dell’attenuatore quando sottoposto a deformazione armonica longitudinale

5 Diagramma di carico: modulo della tensione  in funzione del modulo della componente di deformazione longitudinale relativa  per il provino multistrato La forza repulsiva si oppone alla deformazione a cui è soggetto l’attenuatore e ne provoca quindi un aumento di rigidezza come si evince dall’incremento della pendenza del diagramma di carico Principi di funzionamento dell’attenuatore quando sottoposto a deformazione armonica longitudinale

6 Conseguenza di questa variazione della repulsione magnetica, nel caso di oscillazione, è un’attesa disarmonicità della vibrazione introdotta dall’attenuatore con una diminuzione del semiperiodo dell’oscillazione nella fase di compressione del multistrato (blu) ed un aumento del semiperiodo dell’oscillazione nella fase di decompressione del multistrato (verde). L’installazione del provino multistrato provoca, durante la fase di compressione, un aumento di E cui corrisponde un aumento della velocità di propagazione dell’onda secondo la relazione. Aumentando diminuisce il semiperiodo. Durante la fase di decompressione, si riduce ed aumenta il semiperiodo. Principi di funzionamento dell’attenuatore quando sottoposto a deformazione armonica longitudinale

7 Caratteristiche della trave utilizzata per le prove sperimentali Trave in Acciaio Inox 304 densità  = 7,93 g/cm 3 modulo elastico E =204000Mpa peso P =5 kg lunghezza della trave L =1615 mm lunghezza del vincolo p =90 mm spessore della trave H =10,5 mm larghezza della trave B =40 mm distanza dell'accelerometro dall'estremo libero d' =55 mm distanza tra i profili d =58 mm altezza cilindro di sostegno h =375 mm

8 Test di laboratorio ed obiettivi relativi CASO a : mensola senza attenuatori CASO b : mensola con attenuatori non magnetizzati CASO c : mensola con attenuatori magnetizzati CASO d : mensola con soli magneti in repulsione CASO a: mensola senza attenuatori Parametro misurato: costante di tempo di attenuazione delle vibrazioni libere  =f(l i,d) Principio ispiratore della misura: valutare il comportamento spontaneo delle vibrazioni da usare come riferimento di partenza CASO b: mensola con attenuatori non magnetizzati Parametro misurato: costante di tempo di attenuazione delle vibrazioni libere  =f(l i,d) Principio ispiratore della misura: valutare l’efficacia dell’attenuatore nel far diminuire la costante di tempo di attenuazione attraverso il solo effetto passivo dell’assorbimento dovuto agli attriti interni tra componenti elastici e componenti rigidi CASO c: mensola con attenuatori magnetizzati Parametro misurato: costante di tempo di attenuazione delle oscillazioni spontanee  =f(l i,d) Principio ispiratore della misura: valutare l’effetto aggiuntivo sull’assorbimento dovuto all’aumento di rigidezza dell’attenuatore a causa della repulsione magnetica CASO d: mensola con soli magneti in repulsione Parametri misurati: a) costante di tempo di attenuazione delle oscillazioni libere  =f(l i,,d); b) ampiezza di oscillazione forzata alla frequenza spontanea di vibrazione u o =f(l i,d,d’) Principio ispiratore della misura: evidenziare l’effetto sull’assorbimento dovuto alla sola azione repulsiva magnetica tramite dissimmetria di variazione della rigidezza tra compressione e dilatazione

9 Principali Risultati Risultati comparativi sulla costante di tempo di assorbimento in regime di vibrazione spontanea Comportamento della trave in regime di vibrazione spontanea per valori della saetta iniziale impulsiva l i =4 mm, (a) in assenza di attenuatori, (b) con due attenuatori non magnetizzati e (c) magnetizzati. Per distanza degli attenuatori dall’incastro che è variata da L/4 a ¾ L, si osserva comunque l’andamento tipico in figura (caso L/4), ossia la costante di tempo di attenuazione  è abbattuta dalla presenza degli attenuatori e maggiormente quando le parti rigide sono magnetizzate. 27% 40%

10 Principali Risultati Comportamento della trave in regime di vibrazione spontanea per valori della saetta iniziale impulsiva di 4 mm, 9 mm e 15 mm in presenza di due attenuatori magnetizzati. All’aumentare dell’ampiezza della sollecitazione impulsiva, si osserva che la costante di tempo di assorbimento  conserva praticamente lo stesso valore nell’ambito di piccole oscillazioni. Efficacia dell’attenuazione nel range delle piccole vibrazioni

11 Effetti della sola repulsione magnetica asimmetrica sulla costante di tempo di assorbimento in regime di vibrazione spontanea. Principali Risultati Fissata la sollecitazione impulsiva (l i =4mm) si è valutato l’effetto della sola azione magnetica di due magneti disposti con le polarità concordi a distanza di d’ 1 ) 65 cm, d’ 2 ) 4 cm e d’ 3 ) 1 cm posizionati a L/2. Al diminuire della distanza tra i magneti, si osserva una diminuzione della costante di tempo di assorbimento . Questo significa che l’effetto di attenuazione delle vibrazioni dovuto alle sole forze di repulsione magnetiche aumenta al crescere della entità delle forze repulsive stesse. 38%47%

12 Effetti della sola repulsione magnetica sull’abbattimento diretto dell’ampiezza di vibrazione in regime di sollecitazione continua alla frequenza di vibrazione spontanea fondamentale Principali Risultati Comportamento della trave in regime di oscillazione forzato. Si osserva che, passando da una posizione dei magneti a distanza di 65 cm (distanza molto maggiore della distanza alla quale si è verificato non esserci più alcuna azione reciproca tra i magneti) ad una distanza di 4 cm, l’interazione tra i magneti abbatte il valore dell’ampiezza di oscillazione di circa il 20%. (1)(2) (3)

13 L’effetto già noto della frizione interna tra strati elastici e duri è reso efficace attraverso l’aumento della superficie all’interfaccia prodotta dalla struttura a multistrato La presenza dell’azione di repulsione magnetica interna produce effetti del tutto innovativi (auto attivazione di variazione di rigidezza) Le prove effettuate dimostrano che l’azione combinata di dissipazione meccanica e magnetica interna al materiale produce una diminuzione della costante di tempo di assorbimento che facilmente può essere del 40% (ma in prospettiva si può pensare di migliorare la situazione) Ulteriore effetto della repulsione magnetica asimmetrica durante le vibrazioni è l’abbattimento diretto dell’energia assorbita nel modo vibrazionale fondamentale; infatti si è constatato un abbattimento diretto dell’ampiezza di vibrazione del 20% Conclusioni

14 Aspetti cruciali da approfondire, o migliorare, per poter prevedere una effettiva applicazione: Determinare l’effetto dell’invecchiamento a causa della frizione all’interfaccia tra componenti elastici e rigidi Ottimizzare il dimensionamento del sistema multistrato attenuatore ed in particolare della componente magnetica Considerare casi in cui gli sforzi compressivi sono molto più elevati, avvicinandosi maggiormente alle condizioni di lavoro effettive In ogni caso, i risultati dei test sinora svolti inducono all’esecuzione di detti approfondimenti, tenendo soprattutto conto dell’ulteriore grande vantaggio insito nel nuovo attenuatore in materiale composito qui presentato, ossia: migliore predisposizione, rispetto ai sistemi già usati, ad essere realizzato in forme e composizioni di qualsivoglia tipo, e quindi la grande adattabilità alle più svariate condizioni di lavoro.

15 Tempi e costi per il mercato Il mercato dei dispositivi di controllo delle oscillazioni sta estendendosi con un giro d’affari che, nella sola Europa, si aggira su alcune migliaia di milioni di euro l’anno. Costo di realizzazione per ciascun prototipo di laboratorio sinora adoperato nei test: dalle decine di euro alle centinaia di euro in relazione ai materiali impiegati. Tempi prevedibili per l’ottenimento di un prodotto proponibile sul mercato: circa 6 mesi con materiali componenti già commercializzati; circa 2 anni nell’ipotesi di produzione dei materiali impiegati con costi finali progressivamente più bassi. Giungere ad un prodotto finito comporterà: - prove su situazioni reali riprodotte in scala; - ottimizzazione nella scelta dei materiali componenti e nel loro assemblaggio. Il raggiungimento di tale obiettivo necessita di una ricerca mirata con l’impiego di un paio di persone dedicate (1 post doc + 1 contratto per personale tecnico) e adeguati finanziamenti (≥ 80.000 Euro/anno) per produrre prototipi significativi in un paio di anni.

16 Fantasie Introdurre una bobina attorno al composito elasto- magnetico così da ottenere, per effetto della variazione di magnetizzazione locale, prodotta dalla vibrazione, una forza elettromotrice indotta. In questo modo è possibile immaginare: Un ulteriore contributo, attraverso la legge di Lenz, all’attenuazione della vibrazione. Il recupero dell’energia assorbita dal materiale, attraverso tale contributo all’attenuazione delle vibrazioni, sotto forma di energia elettrica.