Opracowanie ustrojów antywibracyjnych o innowacyjnych strukturach 3D

Kierownik projektu: dr inż. Piotr Kowalski

Streszczenie projektu:

Głównym celem projektu było opracowanie modeli ustrojów przeznaczonych do redukcji drgań mechanicznych. W ramach realizacji projektu opracowano 6 rodzajów modeli ustrojów antywibracyjnych 3D w wersjach końcowych.  Wszystkie opracowane modele miały budowę modułową. Po wykonaniu serii wydruków próbnych 3D i analizie uzyskiwanej dokładności i jakości ich wytwarzania, została wybrana technologia druku 3D MJF (Multi Jet Fusion) orazdwa podstawowe materiały, z których wykonano opracowane modele ustrojów antywibracyjnych 3D.

Rys. 1. Ustrój antywibracyjny nr 5 w wersji końcowej - przykład

Na laboratoryjnym stanowisku badawczym, wyposażonym w wibrometry laserowe, przeprowadzono badania przenoszenia drgań przez wszystkie opracowane ustroje antywibracyjne 3D. Podczas badań wyznaczano funkcje przejścia H1 i H2 na podstawie sygnałów prędkości drgań rejestrowanych na górnej powierzchni badanego ustroju obciążonego masą dobraną doświadczalnie (w zależności od konstrukcji danego ustroju) oraz na stole wzbudnika drgań. Wyznaczono częstotliwości rezonansowe i odpowiadające im wartości funkcji H1 i H2 oraz dolne częstotliwości granicznedla zakresów, w których funkcje H1 i H2 osiągają wartości mniejsze lub równe 1, oznaczające redukcję drgań przez badane ustroje. Wyznaczone częstotliwości rezonansowe i graniczne wraz z wartościami możliwych do zastosowania obciążeń posłużyły do określenia zakresów stosowalności opracowanych modeli ustrojów antywibracyjnych 3D.

Rys. 2. Przykładowe przebiegi funkcji przejścia H1 uzyskane podczas badań modelu ustroju antywibracyjnego 3D nr 6 pod obciążeniem 60 g, 120 g i 180 g

Na laboratoryjnym stanowisku badawczym, wyposażonym w kamerę szybkoklatkową, wykonano badania drgań w punktach pomiarowych, umieszczonych na opracowanych modelach ustrojów antywibracyjnych poddanych wymuszeniu w postaci przestrajanego sygnału sinusoidalnego. Na podstawie analizy nagrań wideo wykonanych podczas testów, przeprowadzonej przy pomocy oprogramowania MOVIAS Neo, zostały wyznaczone przebiegi czasowe przemieszczenia drgań (rys. 2). Uzyskane przebiegi wykorzystano jako dane weryfikacyjne w badaniach symulacyjnych.

     Badania symulacyjne przeprowadzono dla czterech wybranych modeli ustrojów antywibracyjnych, przy wykorzystaniu oprogramowania Femap 2021.1. metodą elementów skończonych (MES). Wykonano analizy modalne, częstotliwościowe oraz rozkładu naprężeń i wytężenia badanych modeli (rys. 3).

Rys. 3. Rozkład naprężeń w modelu nr 5 - przykład

Obliczone wartości częstotliwości rezonansowych i amplitud przemieszczeń były walidowane przy użyciu danych eksperymentalnych. Jedynie w jednym przypadku uzyskano zadowalającą zgodność z danymi eksperymentalnymi. Może to oznaczać, że wykorzystane oprogramowanie nie umożliwia w zadowalającym stopniu uwzględniania nieliniowości badanych modeli. Duży wpływ na rozbieżności uzyskiwanych wyników symulacji z danymi eksperymentalnymi miała stosunkowo niska jakość wydruków opracowanych modeli. Poprawa jakości wydruków może znacząco zwiększyć zgodność z wartościami uzyskiwanymi eksperymentalnie. W przypadku doboru ustrojów do określonych warunków ich działania, symulacje numeryczne nawet (przybliżonych modeli) będą miały bardzo duże znaczenie. 

W celu sprawdzenia możliwości wykorzystania alternatywnej do symulacji numerycznych, metody obliczeniowej, w wyniku której możliwe byłoby określenie częstotliwości rezonansowych modeli ustrojów antywibracyjnych, przeprowadzono laboratoryjne badania ich współczynników sprężystości. Wyznaczano je na podstawie pomiarów ugięcia statycznego wywołanego stosowanymi obciążeniami.  Do pomiarów wykorzystano laserowy system pomiaru grubości. Uzyskane wartości wykazały silnie nieliniowe ich przebiegi. Weryfikacja obliczeniowa polegająca na wyznaczeniu częstotliwości rezonansowych i porównaniu ich z wartościami otrzymanymi podczas pomiarów nie dostarczyła zadowalających wyników. 

Zostały przeprowadzone badania właściwości antywibracyjnych wybranych modeli ustrojów antywibracyjnych 3D przy wykorzystaniu rzeczywistych sygnałów drganiowych generowanych przez szlifierkę oscylacyjną, wiertarkę oraz wentylator. W każdym z badanych przypadków uzyskano redukcję drgań nawet dla składowych o niskich częstotliwościach. Wyznaczona redukcja drgań wynosiła od 50.6 % nawet do 97.9% (co praktycznie oznacza eliminację drgań).

Uzyskane wyniki badań właściwości antywibracyjnych opracowanych modeli ustrojów antywibracyjnych 3D wskazują na duże możliwości rozwoju koncepcji stosowania struktur 3D do redukcji drgań. Opracowane wybrane modele ustrojów antywibracyjnych 3D zostały zgłoszone do ochrony patentowej.

W ramach upowszechnienia wyników projektu zostały opracowane materiały informacyjne przeznaczone do zamieszczenia na stronach internetowych Instytutu (zweryfikowane podczas webinarium „Nowe techniki i metody oceny oraz redukcji zagrożeń wibroakustycznych w środowisku pracy” oraz dokumentacja techniczna opracowanych ustrojów antywibracyjnych 3D. Opracowano 3 publikacje:

• Możliwości zastosowania symulacji MES do badania drgań struktur antywibracyjnych 3D, Bezpieczeństwo Pracy – Nauka i Praktyka, 11/2022, ISDN 0137-7043
• Testing the anti-vibration properties of an exemplary 3D structure, publikacja złożona w czasopiśmie: Archives of Mechanics,
• Laboratory tests and numerical simulations of two anti-vibration  structures made by 3D printing - comparative research publikacja złożona w czasopiśmie: Archives of Acoustics,

Został także opublikowany referat: Example of numerical model of the 3D antivibration structure, Proceedings SSN 2329-3675, ISBN 978-981-18-5070-7, wygłoszony na międzynarodowej konferencji 28th International Congress on Sound and Vibration, Singapore, July 24-28, 2022

Zostały przygotowane i wygłoszone również referaty:

• Symulacje struktur antywibracyjnych 3D na XIX Międzynarodowej Konferencji Zwalczania Hałasu Noise Control 2022, 26-29 czerwca 2022 r. Lidzbark Warmiński

• Zastosowanie MES w badaniach antywibracyjnych struktur 3D na XXII SYMPOZJUM Higiena pracy – aktualne problemy, Łódź, 14-16.09.2022 r

Jednostka: Pracownia Drgań Mechanicznych

Okres realizacji: 01.01.2020 – 31.12.2022