Magneto-sensitive elastomers in vibration isolation

Resumen

Los aislantes de vibraciones de caucho se usan en diversas aplicaciones de ingeniería para aislar estructuras de los efectos no deseados de las vibraciones. Sin embargo, una vez que un aislante de vibraciones se instala en una aplicación, no es posible modificar sus propiedades para ajustarse a las condiciones variables. Una alternativa para obtener propiedades más adaptables consiste en el uso de elastómeros magneto-sensibles (MS). Los elastómeros MS son un tipo de material inteligente formado por una matriz, como puede ser caucho natural o sintético, a la que se le añaden partículas de hierro, mostrando propiedades que varían de forma rápida, continua y reversible al aplicar externamente un campo magnético. El objetivo de esta tesis es investigar la posibilidad de usar el caucho natural MS en el aislamiento de vibraciones. En primer lugar, se han estudiado de forma experimental las propiedades dinámicas a cizalladura del caucho natural MS para varias frecuencias, amplitudes dinámicas y campos magnéticos. Además, se ha investigado la influencia que puede tener en las propiedades dinámicas añadir negro de carbono y plastificantes al caucho MS. El negro de carbono es el aditivo reforzante más habitual que suele contener el caucho para mejorar sus propiedades mecánicas, mientras que los plastificantes facilitan el proceso de mezcla de los aditivos. A continuación, se ha investigado de manera experimental la eficacia de usar caucho MS en un sistema de aislamiento de vibraciones. Para ello se ha medido la energía que fluye hasta la base. El flujo de energía, que incluye tanto la fuerza como la velocidad de la base, es una medida adecuada de la eficacia de un sistema real de aislamiento de vibraciones donde la base no es perfectamente rígida. El sistema de aislamiento de vibraciones que se ha empleado en este estudio esta compuesto por una masa de aluminio excitado por un vibrador electrodinámico y montado sobre cuatro aislantes MS, no lineales y que dependen de la frecuencia, la amplitud dinámica y el campo magnético, que a su vez están unidos a una base relativamente rígida. La energía que fluye a través de los aislantes MS se puede medir directamente con un sensor de fuerza insertado bajo cada aislante y un acelerómetro colocado en la base junto a cada aislante. Se demuestra que los aislantes de caucho MS son más útiles que los aislantes de caucho convencionales ya que al poder variar la rigidez dinámica con la aplicación de un campo magnético externo se consigue un aislamiento más efectivo. Además, se ha empleado el método indirecto para medir el flujo de energía, que necesita solo acelerómetros, ya que suele ser difícil medir la fuerza directamente en una aplicación real. Se ha validado el método indirecto con el directo. Finalmente, se ha desarrollado un modelo de la energía que fluye a través de los aislantes MS, no lineales y que dependen de la frecuencia, la amplitud dinámica y el campo magnético, para el sistema de aislamiento de vibraciones ensayado anteriormente. Los aislantes suelen ser solo una pequeña parte de un sistema más complejo, por lo que se emplean sencillos modelos discretos para simular el comportamiento del caucho incluyendo tanto la dependencia con la frecuencia como con la amplitud dinámica. Recientemente, se ha modificado uno de estos modelos para incluir la influencia del campo magnético y por tanto simular el comportamiento del caucho MS. En este estudio se ha introducido este nuevo modelo MS en el sistema de aislamiento de vibraciones para modelizar los aislantes MS, mientras que la base se ha caracterizado con las inertancias directas y cruzadas en los puntos de unión y entre los mismos, respectivamente. Los resultados del modelo del flujo de energía se han comparado con los resultados experimentales obteniendo un resultado satisfactorio. El modelo del flujo de energía desarrollado proporciona un principio para diseñar sistemas de aislamiento de vibraciones compuestos por aislantes MS.