Vibraciones de vigas constituidas por materiales funcionalmente graduados

Abstract

La presente tesis trata sobre la novedosa aplicación de materiales funcionalmente graduados (-FGM- Functionally Graded Materials) en el diseño de estructuras tipo viga. Como es sabido, los estudios de rigidización dinámica, se llevan a cabo para evitar resonancias y/o reducir tensiones dinámicas. La forma tradicional que se emplea para optimizar la rigidez de la viga, es variando su sección transversal; ya sea reduciéndola de forma discontinua (multi-steps beams tal como se las conoce en inglés), ahusada (tapered beams tal como se las denomina en inglés) o bien empleando combinaciones de ambas. Surge la originalidad, desde el punto vista de la optimización dinámica, de adicionar una nueva solución al problema de la rigidización. La misma consiste en hacer variar las propiedades de estos modernos materiales en la dirección axial de las vigas (-AFGM-Axially Funtionally Graded Materials). El problema de vibraciones libres para las vigas AFG, se estudia implementando las teorías clásicas de Bernoulli-Euler y de Timoshenko, mediante tres enfoques aproximados; el método energético de Rayleigh-Ritz, el método de cuadratura diferencial generalizada (GDQM, por sus siglas en inglés) y el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés). Los resultados obtenidos se comparan con valores disponibles en la literatura. La muy buena correlación de los mismos, permite dar certezas de que el método de Rayleigh-Ritz, GDQM y FEM, son herramientas de gran precisión y eficiencia para la resolución de esta clase de problemas. Los casos de vigas propuestos se modelan con condiciones de bordes clásicas y con extremos elásticamente restringidos. Para la modelación numérica de los problemas, se implementa el software Wolfram Mathematica 9.0. En el estudio se tratan leyes de distribución del tipo axial asimétrica y axial simétrica; para varias composiciones y distintos materiales AFG. En particular, se da especial énfasis al material compuesto por alúmina (Alum) y acero (Ac), ya que desde el punto de vista ingenieril presenta propiedades atractivas para la rigidización dinámica de vigas. Se analiza el efecto dinámico que tiene adosar una o varias masas a la viga. Evidenciando que su presencia disminuye, en todos los casos, a los coeficientes de frecuencias naturales de la viga sin masa adosada. Y además, constituye un factor importante, desde el punto de vista del diseño, en la elección de la composición del material AFG a implementar. Para las vigas AFG cantiléver con características asimétricas del material, la composición a) Ac-Alum rigidiza más que la composición b) Alum-Ac, cuando el exponente n (de las leyes de variación) es menor a 1, exista o no masa adosada en el extremo libre. En cambio, para 1n> la composición b) es quien optimiza la solución. El caso 1n= es particular, ya que la composición a) rigidiza levemente más que b) cuando la viga no tiene masa adosada. Pero, cuando se adosa la masa, se aprecia que el coeficiente de frecuencia fundamental aumenta más para la composición b). Para vigas AFG con características simétricas, se evidencia que la composición c) Ac-Alum- Ac optimiza la rigidización haya o no masa adosada, frente a la composición d) Alum-Ac- Alum.

This thesis deals with the novel application of functionally graduated materials (FGM) in the design of beams. It is known that dynamic stiffening studies are carried out to avoid resonances and/or reduce dynamic stresses. The traditional method to optimize the rigidity of the beam consists in variations of its cross section; either by reducing it in a discontinuous way (multi-steps beams), in a tapered way (tapered beams) or by using a combination of both. In this Thesis, from the point of view of dynamic optimization, an original solution of the problem of stiffening is proposed. This novel solution consists in varying the properties of these modern materials in the axial direction of the beams (AFGM). With this aim, the problem of free vibrations for the AFG beams is studied through the classical theories of Bernoulli-Euler and Timoshenko, using three approximation approaches: the Rayleigh-Ritz energy method, the generalized differential quadrature method (GDQM) and the finite element method (FEM). The obtained results are compared with those available in the related literature. The very good correlation of these, allows to give certainty that the Rayleigh-Ritz method, GDQM and FEM, are tools of great precision and efficiency for the resolution of this class of problems. The cases of proposed beams are modeled with classic edge conditions and with elastically restrained edge supports. For the numerical modeling of the problems, Wolfram Mathematica 9.0 software is implemented. The used distribution laws are the axial asymmetric and axial symmetric and were applied for various compositions and different AFG materials; with a particular emphasis on the material composed of alumina (Alum) and steel (St), since it has attractive properties for the dynamic stiffening of beams from the engineering point of view. The dynamic effect of attaching one or several masses to the beam is analyzed. It is shown that their presence decreases, in all cases, the natural frequency coefficients of the beam that do not have attached mass. In addition, it constitutes an important factor, from the point of view of the design, in the choice of the composition of the AFG material to be implemented. In cantilever AFG beams with asymmetric characteristics of the material, the composition a) St-Alum stiffens more than the composition b) Alum-St, when the exponent n (of the laws of variation) is less than 1, whether or not there is an attached mass at the free end. On the other hand, for the composition b) it is the one that optimizes the solution. The case 1n= is particular, since the composition a) stiffens slightly more than b) when the beam has not attached mass. But, when the mass is attached, the fundamental frequency coefficient increases more for the composition b). In AFG beams with symmetrical characteristics, it is evident that the composition c) St- Alum-St optimizes the stiffening whether or not there is an attached mass, compared to the composition d) Alum-St-Alum.