Estudio del impacto de la remoción periódica de material en la atenuación de vibraciones en vigas

Abstract

La reducción de ruido y vibraciones es esencial en una variedad de aplicaciones en diversos campos, desde la industria automotriz hasta la medicina. Estas aplicaciones se centran en minimizar las vibraciones no deseadas para mejorar la calidad, seguridad y rendimiento de los sistemas. Las investigaciones recientes muestran que los metamateriales para reducción de vibraciones pueden cumplir con dichos requisitos, debido a que tienen una estructura artificial diseñada con propiedades geométricas específicas que le permiten manipular y controlar las ondas vibratorias, con el objetivo de atenuar o mitigar las vibraciones indeseadas en determinados sistemas o estructuras.

Estos materiales son cruciales por su capacidad para suprimir vibraciones mecánicas en bandas de frecuencias específicas, algo que los materiales convencionales no logran. La implementación de metamateriales en vigas es especialmente interesante, ya que mejora el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de sistemas mecánicos en diversas aplicaciones. Tradicionalmente, las bandas prohibidas se han creado con elementos como masas sintonizadas o periódicas. Sin embargo, este trabajo propone un enfoque innovador que utiliza operaciones simples de mecanizado como solución práctica y eficiente para generar bandas prohibidas en vigas, ofreciendo una alternativa más accesible y económica que los métodos convencionales, reduciendo la complejidad y abriendo nuevas posibilidades para optimizar el control de vibraciones en estructuras.

Este trabajo analiza el efecto de la remoción periódica de material en la reducción o supresión de vibraciones en vigas. Se lleva a cabo un estudio numérico utilizando el método de elementos finitos en vigas con dicha remoción de material. Para esta tarea, se emplea el software SDT de Matlab, especializado en el modelado de elementos finitos para problemas vibratorios. Este análisis numérico es seguido por una fase experimental con el objetivo de validar el modelo propuesto.

Se definieron dos geometrías de celda para el análisis, y se realizaron simulaciones numéricas de la viga completa considerando diferentes números de celdas periódicas y relaciones de espesor. Paralelamente, se llevaron a cabo mediciones experimentales de vibraciones. Los resultados mostraron una alta coherencia con las predicciones numéricas hasta los 5000 Hz; sin embargo, a frecuencias superiores, el ruido en las mediciones afectó la confiabilidad debido a las limitaciones de los equipos. Se observó que la periodicidad óptima y el contraste de espesores dependen de las dimensiones de la celda periódica, influyendo significativamente en los anchos de banda generados. Los resultados sugieren que las operaciones de mecanizado simples son eficaces para generar bandas prohibidas en estructuras tipo viga aligeradas, proporcionando una solución accesible para el control de vibraciones.