A passive self-turning vibration neutraliser for dual frequency excitation with enhanced operational bandwidth

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a análise de um neutralizador passivo de vibrações, baseado em uma viga retangular, montada sobre um rolamento central. O dispositivo foi concebido para superar a limitação de faixa estreita de atuação dos neutralizadores convencionais, por meio de uma rotação passiva para uma de duas posições preferenciais em resposta à frequência de excitação. A existência de duas direções ortogonais de rigidez permite que o sistema atue eficientemente em duas frequências de sintonização distintas, ampliando sua faixa efetiva de operação. A pesquisa utiliza modelagem teórica, simulações numéricas e validação experimental. Inicialmente, modelos analíticos de um e dois graus de liberdade foram empregados para descrever os princípios fundamentais do funcionamento de neutralizadores. Em seguida, foi desenvolvido um modelo no domínio da frequência para estimar a resposta em regime permanente com o dispositivo travado em diferentes orientações. Ensaios modais foram realizados para identificação dos parâmetros dinâmicos da estrutura. Para descrever o comportamento dinâmico completo, especialmente o fenômeno de auto-rotação, foi proposto um modelo no domínio do tempo com cinco graus de liberdade. Esse modelo incorporou os efeitos da rotação e da excitação harmônica da base, sendo validado experimentalmente para diversos protótipos. A análise revelou que o fenômeno de auto-rotação pode ser interpretado como uma excitação auto-paramétrica, sendo impulsionado por uma rigidez variável no tempo, modulada a duas vezes a frequência de excitação. Os resultados confirmam que o dispositivo é capaz de se adaptar passivamente à frequência de entrada, ajustando sua orientação de forma autônoma e ampliando sua faixa de atenuação vibratória. O trabalho contribui com uma nova classe de neutralizadores passivos, oferecendo um avanço conceitual e prático para aplicações sujeitas a excitações de frequência variável.

This thesis presents the development and analysis of a passive vibration neutraliser, designed as a beam-like structure mounted on a central roller bearing. The device addresses the narrow bandwidth limitation of conventional neutraliser by passively reorienting itself to one of two preferred angular positions depending only on the excitation frequency. The orthogonal stiffness distribution results in two distinct tuning frequencies, effectively broadening the operational range of vibration suppression. This research combined theoretical modelling, numerical simulations, and experimental validation. Initial analytical models with one and two degrees of freedom were used to establish the fundamental dynamics of vibration neutralisers. A frequency-domain model was then developed to predict the steady-state response for fixed orientations, with parameters identified through modal testing. To capture the full dynamic behaviour, including the self-turning effect, a five-degree-of-freedom time-domain model was proposed. This model incorporated rotational motion and harmonic base excitation, and was validated experimentally across three devices. The analysis showed that the self-rotation phenomenon can be interpreted as a form of auto-parametric excitation, driven by time-varying stiffness modulated at twice the excitation frequency. The results demonstrate that the device can passively adapt to changes in excitation frequency, autonomously adjusting its orientation to enhance vibration attenuation. This work introduces a new class of self-turning passive neutralisers, offering a significant advancement for applications requiring efficient vibration control over a broad frequency range.