Projekty a granty

Výzkum vlivu vstupních parametrů na chování kulového absorbéru a analýza experimentálně získaných dat

SP2024/069

ROZBOR PROBLEMATIKY V ČR A VE SVĚTĚ: Mechanické vibrace paří mezi vnější vlivy prostředí, kterým jsou běžně všechny objekty vystavovány. K redukci jejich účinků jsou využívány absorbéry. První absorbér byl představen roku 1909 Oliverem Johnem Frahmem v [1] pro snížení valivého pohybu lodí a vibrací lodního trupu. Nyní se pohlcovače využívají ve všech oblastech inženýrské praxe. Ve stavebnictví jsou absorbéry do budov implementovány pro zmenšení účinku vibrací, které dle původu můžeme dělit na přírodní a technické [2]. Nejrobustnějším a nejpoužívanějším typem jsou tzv. pasivní absorbéry. Do této kategorie patří tlumiče s vyladěnou hmotou. Úkolem těchto mechanických zařízení je redukovat odezvu konstrukce disipací energie dodávané z vnějších zdrojů [3]. Zástupcem zmíněné skupiny je kulový absorbér vibrací, skládající se ze dvou částí; podpůrné mísy a vnitřní koule. Výhodou tlumiče tohoto typu je široký rozsah frekvencí, na který je možno absorbér naladit. Existují však komplikace vyplývající z nelineární mechanické a matematické podstaty systému. Jde o neholonomní soustavu, což znamená, že okrajové podmínky tohoto systému jsou funkcí rychlosti. Absorbér vykazuje problémy spojené s nestabilitou pohybu, bifurkacemi a autoparametrickým kmitáním [4, 5]. Numerické simulace odezvy kulového absorbéru na buzení harmonickou silou rovněž odhalují nelineární chování soustavy. S rostoucí amplitudou budící síly dochází ke zvyšování vlivu nelineárního charakteru úlohy a vzniku nestabilních oblastí řešení. Provádění numerické analýzy je obtížné, avšak možné například s použitím přístupu představeným navrhovatelem v minulém projektu (kombinace modifikované metody sečen a metody délky oblouku). Numerické simulace odezvy kulového absorbéru rovněž odhalují změkčování (softening) rezonančních křivek a vliv parametru absorbéru na jejich průběh [6]. Začleněním absorbéru do nosného systému měníme i mechanické vlastnosti a odezvu konstrukce, jak je analyzováno v [7]. Proto je nutné pokračovat ve zkoumání chování tohoto absorbéru. Navrhovaný projekt je rozdělen do dvou částí, a to na experimentální měření a vyhodnocování získaných dat. Metodicky nejbližší článek [8] byl publikován v roce 2019. Autor v publikaci cílí na představení nových typu kulových absorbéru. Jedná se o homogenní kulový absorbér (HBA), kde valivé tření radiálně vzrůstá úměrně úhlovému posunu koule a diskrétně-homogenní kulový absorbér (DBA), který neúměrný nárůst tření HBA aproximuje schodovitě. Experimentální část článku je věnována měření odezvy podpůrné konstrukce s pomocí akcelerometrů. Odezva je měřena před a po implementaci absorbéru. V publikaci je použito monitorování koule pomocí videozáznamu. Pozorován byl jeden směr pohybu a použitá kamera snímala obraz s frekvencí 25 snímků za sekundu (FPS). V článku není zmíněno, zda autor pracuje s distorzi obrazu. V navrhovaném projektu je plánováno využití vyšší frekvence videozáznamu (120 FPS) za účelem získání hladkých křivek odezvy. Výsledkem budou hodnoty posunu ve dvou směrech s uvážením vlivu distorze, například použitím “checkerboard calibration method” [9]. Publikace [8] rovněž neobsahuje rezonanční křivky. Mezi další články věnované problematice kulového absorbéru patří například [7], kde je však monitorována pouze odezva podpůrné konstrukce. Experimentální analýza chování absorbéru je rovněž publikovaná v [10], kde jsou posuny koule měřeny pomocí relativních senzorů Hottinger Baldwin. Autor v ní analyzuje odezvu absorbéru, logaritmický dekrement útlumu s aplikací různých materiálu povrchu valení a efektivitu pohlcování vibrací. Navrhovaný projekt bude zaměřen na vyhodnocení experimentálních dat pomocí videozáznamu. Výsledkem této analýzy jsou údaje o poloze koule v čase, které mohou dále sloužit pro určení rychlosti a zrychlení pohybu. Data lze pak dále použít pro identifikaci útlumu [11, 12]. Výsledky je plánováno porovnat s numerickými simulacemi. V experimentální části bude navázáno na předešlý projekt navrhovatele. [1] (Spojené státy americké). Device for damping vibrations of bodies. Hermann FRAHM, of Hamburg, Germany. Přihl.: 30.10.1909. Uděl.: 18.4.1911. 525455. [2] Pirner, M. a O. Fischer. Dynamika ve stavební praxi. Praha: ČKAIT, 2010. ISBN 978-80-87438-18-3 [3] Elias, S. a V. Matsagar. Research developments in vibration control of structures using passive tuned mass dampers. Annual Reviews in Control. 2017, 44, 129-156. ISSN 13675788. Dostupné z: DOI: 10.1016/j.arcontrol.2017.09.015 [4] Naprstek, J., C. Fischer, M. Pirner a O. Fischer. Non-linear Model of a Ball Vibration Absorber. In: PAPADRAKAKIS, Manolis, Michalis FRAGIADAKIS a Vagelis PLEVRIS, ed. Computational Methods in Earthquake Engineering. Dordrecht: Springer Netherlands, 2013, s. 381-396. Computational Methods in Applied Sciences. ISBN 978-94-007-6572-6. DOI: 10.1007/978-94-007-6573-3_18 [5] NáprsteK, J. a C. Fischer. Stable and unstable solutions in auto-parametric resonance zone of a non-holonomic system. Nonlinear Dynamics. 2020, 99(1), 299-312. ISSN 0924-090X. DOI: 10.1007/s11071-019-04948-0 [6] Kawulok, M., S. Pospisil., N. Freiherrova a D. Juracka. Numerical Simulation of a Planar Model of a Ball Absorber in a Spherical Dish. Periodica Polytechnica Civil Engineering.2023, 67(3), 855–866. DOI: 10.3311/PPci.21725. [7] Sun, L., S. Li a F. Zhang. Effect of Self-Resetting Ball Absorber on the Mechanical Properties of the Fabricated Structure and Its Influencing Factors: Theory and Experimentation. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 2022, 10(3), 897-917. ISSN 2523-3920. DOI: 10.1007/s42417-021-00418-3 [8] Matta, E. Ball vibration absorbers with radially-increasing rolling friction. Mechanical Systems and Signal Processing. 2019, 132, 353-379. ISSN 08883270. DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.06.033. [9] Wilhelm, B. Zhang’s Camera Calibration Algorithm: In-Depth Tutorial and Implementation, Technical Report HGB16-05, University of Applied Sciences Upper Austria, School of Informatics, Communications and Media, Dept. of Digital Media, Hagenberg, Austria, May 2016. DOI: 10.13140/RG.2.1.1166.1688/1 [10] Pirner, M. Actual behaviour of a ball vibration absorber. Online. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2002,90(8),987-1005. ISSN 01676105. DOI: 10.1016/S0167-6105(02)00215-5. [11] Dao, D. L. Experimental evaluation of damping models for a nonlinear pendulum system. Physics Education. 2023, 58 (5). ISSN 0031-9120. DOI: 10.1088/1361-6552/ace1ca. [12] Geraschenko, V. S.; Grishin, A. S. a N. I. Gartung. Approaches For The Calculation Of Rayleigh Damping Coefficients For A Time–History Analysis. Online. Structures Under Shock and Impact XV. 2018, 180, 227-237. DOI: 10.2495/SUSI180201. PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: V projektu je plánováno použití již vyrobené experimentální soustavy skládající se ze dvou hlavních části. Tyto dvě části jsou vzájemně propojeny a vytváří vodící lišty, jež určují trajektorii valení koule. Povrch vodících lišt je možné měnit a tím ovlivňovat odezvu za pomoci tření. V případě příliš velkého tření bude povrch ošetřen olejem. Na vyrobené sestavě je možné operativně měnit vzdálenost mezi vodícími kolejnicemi. Bylo vypozorováno, že poloha bodu kontaktu mezi koulí a kolejnicemi má rovněž nezanedbatelný vliv na odezvu. Přesná vzdálenost je zajištěna pomocí 3D tištěných distančníků vyrobených spoluřešitelem Davidem Juračkou, jenž disponuje tiskárnami Prusa i3 MK3S+. V rámci projektu je plánováno provádění dynamických experimentů (volné a buzené kmitání) v laboratoři Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, která vlastní budič kmitů TIRAvib typ TV5550/LS. Ostatní části představeného projektu budou prováděny v prostorách Fakulta stavební VŠB–TUO. Je plánováno vytvoření přibližně 21 různých variant experimentu. Tyto experimenty budou realizovány pro: - cca. 4 vzdálenosti rozestupu vodící kolejnice, - cca. 5 variant povrchu kolejnice, - cca. 4 plné ocelové koule různých poloměrů, - cca. 4 duté ocelové koule o stejných poloměrech jako koule plné, - cca. 4 plné dřevěné koule o stejných poloměrech jako ocelové koule. Každá ze zmíněných variant bude vystavována volnému i buzenému kmitání (celkem tedy cca 42 experimentů). V případě buzených kmitů je pro vytvoření rezonančních křivek zapotřebí provést experimenty pro více budících frekvencí. Jejich počet je závislý na zvoleném rozdílu po sobě jdoucích budicích frekvencí a šířce intervalu v jakém se bude hodnota frekvence pohybovat. Pokud bude interval od 2 do 6 Hz a velikost kroku bude zvolena 0,1 Hz, bude nutno analyzovat celkem 40 záznamů pro jedno měření. Pro vyhodnocování experimentu bude používán videozáznam. Již provedené experimenty ukázaly, že není zapotřebí pořizovat záznamy vysokorychlostní kamerou. Dostatečné kvality je dosaženo s mobilním telefonem, který je schopen pořizovat videa ve full HD s frekvencí 120 FPS. V průběhu dalších experimentů je však možné, že bude potřeba frekvenci navýšit na 240 FPS. Pro přípravu skriptu je používán software MatLab a některé jeho vestavěné funkce. Detekce koule je prováděna s použitím Houghovy transformace. Pro lepší detekci koule ve videozáznamu je její povrch obarven. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU: Ing. Marek Kawulok - Hlavní řešitel projektu. - Rešerše odborných publikací zaměřených na zkoumanou problematiku. - Provádění experimentálních měření. - Práce na skriptu v Matlab pro vyhodnocení videozáznamu. - Vyhodnocování výsledků experimentů. - Vypracovávání příspěvku na konferenci a publikace do recenzovaného časopisu. - Aktivní účast na konferenci. - Práce na projektu cca 12 hodin týdně. Ing. Arch. David Juračka - Pomoc s přípravou modelu pro 3D tisk. - Provádění 3D tisku doplňkových dílů. - Pomoc s přípravou a korekce článku a konferenčních příspěvků. - Práce na projektu cca 6 hodin měsíčně. Prof. Ing. Stanislav Pospíšil, Ph.D. - Hlavní odborný školitel. - Konzultant v rámci předloženého projektu. ROZPOČET – ROZDĚLENÍ (130 400 Kč) Stipendia (83 000 Kč): 73 000 Kč – Marek Kawulok (cca 12 hodin/týden ) 10 000 Kč – Ing. Arch. David Juračka ( cca 6 hodin/měsíc ) Materiálové náklady (2 860 Kč): 1 000 Kč – Nákup filamentu do 3D tiskárny pro tisk náhradních dílů a doplňků k experimentu 860 Kč – Nákup drobného materiálu (např. lepidla, šroubky, ...), barev ve spreji a pryže pro vytvoření povrchu dráhy valení 1 000 Kč – Nákup různých variant zkušebních koulí. Služby (20 000 Kč): 5 000 Kč – Vložné na konferenci Modelování v mechanice 2024 15 000 Kč – Provádění experimentů s využitím budiče a akcelerometrů na UTAM AV-ČR. Kalibrace experimentálního zařízení a snímačů. Cestovní náklady (11 500 Kč): 1 500 Kč – Cestovní výdaje na konferenci Modelování v mechanice 2024 10 000 Kč (4×2 500 Kč) – Služební cesty do laboratoří UTAM AV-ČR se záměrem provádění experimentálních měření Doplňkové (režijní) náklady 10 % = 13 040 kč HARMONOGRAM PRACÍ: Leden: Rešerše odborné literatury Únor-Březen: Práce na skriptu v MatLab pro vyhodnocování videozáznamu a provádění případných úprav na experimentální sestavě Duben-Květen: Provádění experimentálních měření (vliv povrchu a rozteče kolejnic dráhy valení na odezvu koule) Květen: Účast na konferenci Modelování v mechanice Červen: Vyhodnocování experimentů Červenec-Srpen: Provádění experimentálních měření (vliv parametrů koule na její chování) Září: Vyhodnocování experimentů Říjen-Listopad: Příprava publikace, zaslání publikace a dokončení projektu

2024

2024

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Kawulok Marek Ing.