Vibration control on a tensegrity structure using shape memory alloys

Abstract

Um sistema de tensegrity é composto por dois tipos de elementos, elementos de tração e compressão, os quais promovem a estabilidade estrutural do sistema, neste trabalho as partes de tração são cabos (cabos de aço), e as partes compressivas são barras de aço. Uma característica atrativa de uma estrutura de tensegridade é a capacidade de ser retrátil, por esta razão, é interessante para aplicações espaciais devido ao pequeno volume que ocupa um possível transporte para uma estação espacial. Em geral, essas estruturas podem ser grandes com muitas células repetitivas. Neste trabalho, estuda-se uma estrutura de tensegrity composta por dez células periódicas de barras e cabos. O modelo matemático, obtido pelo método dos elementos finitos, é validado experimentalmente considerando o caso de uma célula estrutural. Para tornar o sistema adaptável à excitação externa, um dos cabos de aço na célula elementar é substituído por um fio de liga de memória de forma (SMA) que permite que as características dinâmicas do sistema sejam alteradas de acordo com uma corrente elétrica aplicada no SMA, para que através do efeito Joule a liga seja aquecida. Diferentes configurações para a colocação do cabo SMA são estudadas com o objetivo de reduzir as amplitudes de vibração para uma excitação de força harmônica.

A tensegrity system is composed by two types of elements, tensile and compressive parts, which promotes the structural stability of the system, in this case the tensile parts are cables (steel cables), and the compressive parts are bars, in this work made of steel. An attractive characteristic of a tensegrity structure is the capability to be deployable, for this reason, is interesting for space applications due to the small volume that it occupies in a possible transport to a station outside the Earth. In general, these structures can be large with many repetitive cells. In this work, a tensegrity boom structure consisting of ten periodic cells made of bars and cables is studied. The mathematical model, obtained by finite element method is validated experimentally considering the case of one structural cell. In order to make the system adaptable to external excitation, one of the steel cables in the elementary cell is replaced by a SMA (shape memory alloy) wire (Nitinol) allowing the dynamics characteristics of the system to be changed according to an electrical current applied to the SMA, to heat the alloy through Joule effect. Different configurations for placing the SMA cable are studied with the objective of reducing the vibration amplitudes for harmonic force excitation.