Diseño y evaluación de vigas con remoción periódica de material para la reducción de vibraciones

Abstract

Diversas aplicaciones en la industria, en particular la industria automotriz y aeronáutica, requieren medidas estrictas de reducción de ruido y vibraciones. Las investigaciones realizadas en los últimos años muestran que los metamateriales acústicos pueden cumplir con dichos requisitos. Los metamateriales son materiales compuestos artificiales, cuyas propiedades pueden ser diferentes a las de sus materiales constitutivos. Esta característica se logra diseñando estructuras con geometrías específicas acorde a las propiedades requeridas. En particular, una de las propiedades que se pueden lograr en el diseño de estos materiales, corresponde a la posibilidad de suprimir vibraciones mecánicas a ciertas bandas de frecuencias. A partir de lo anterior, resulta interesante estudiar la implementación de estos metamateriales en vigas, dado que corresponden a un componente básico en ingeniería, siendo uno de los objetos principales en el control de vibraciones. El presente trabajo tiene como objetivo el diseño y evaluación de vigas con remoción periódica de material para la supresión de vibraciones. Para ello, se desarrollará el diseño numérico mediante elementos finitos de vigas con remoción periódica de material, en el sentido del espesor, para la supresión de vibraciones. Para lograr dicho objetivo, se utilizará el software SDT de Matlab, herramienta especializada en el modelamiento de elementos finitos para problemas de vibraciones. Posterior al estudio analítico, se continuará con el análisis experimental con el fin de validar el modelo desarrollado previamente. Para una longitud de viga fija, se realizaron simulaciones numéricas con diferentes números de celdas periódicas y relaciones de espesor. Se realizaron mediciones de vibraciones sin contacto en las vigas estudiadas. Los resultados experimentales coinciden con las predicciones numéricas. Se observó que la periodicidad óptima de la celda y el contraste de espesores dependen de las dimensiones de la viga. En particular, el contraste de espesores influye significativamente en el número, ancho y el nivel de las brechas de banda generadas. Los resultados obtenidos indican, en general, que las operaciones de mecanizado simples pueden ser una forma sencilla pero eficaz para la generación de huecos de banda en estructuras aligeradas tipo viga. El tema de investigación se encuentra financiado por el gobierno Canadiense para cooperación Quebec-Chile ’Coopération Québec-Chili 2021-2023’ en donde el título del proyecto ganador del fondo es "Métamatériau à bilan énergétique positif pour la réduction du bruit". Además, se cuenta con el financiamiento del proyecto Fondecyt 1210442 ’Optimal Design of Ultralight Sandwich Panels with Cellular Truss Cores and Large Phononic Band Gaps’. El trabajo a desarrollado es en colaboración con académicos de la Universidad de Sherbrooke, Canadá.