ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-DM17
ATENUAÇÃO DE VIBRAÇÃO ESTRUTURAL UTILIZANDO FLUIDO
MAGNETOREOLOGICOS
Camilo Mesquita Neto, Antônio Eduardo Turra e Vicente Lopes Junior
UNESP, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica
Av. Brasil, 56, Bairro Centro, Caixa Postal 31, CEP 15385-000, Ilha Solteira, SP
E-mail para correspondência: [email protected]
Introdução
Os fluidos magnetoreologicos, MR, e eletroreologicos, ER, são exemplos de materiais inteligentes. Os
materiais inteligentes são aqueles cujas propriedades podem ser alteradas por um campo externo. A diferença
entre fluidos MR e ER é que as propriedades de fluido MR são alteradas quando ele é exposto a um campo
magnético, enquanto, as propriedades de fluidos ER são alteradas quando exposto a um campo elétrico. Os
fluidos MR e ER foram descobertos no final dos anos 1940. Embora os fluidos MR e ER foram descobertos
quase ao mesmo tempo, os fluidos ER atraíram maior atenção. Porém, o número de estudos envolvendo
fluidos MR tem crescido de maneira significativa ultimamente. Embora o número de estudos em fluidos ER
seja maior que aqueles em fluidos MR, as características de fluidos MR são consideradas mais benéficas que
aquelas dos fluidos ER. Um estudo apresentado por Lord Materials Division (2004) mostrou que existem três
importantes vantagens dos fluidos MR. Primeira, os fluidos MR exigem fontes de voltagem mais baixa que
fluidos ER. Segunda, fluidos MR são menos sensíveis a contaminação que os fluidos ER. Por último, fluidos
MR, geralmente, suportam maiores tensões que fluidos ER. Então, fluidos MR serão enfocados
prioritariamente neste trabalho.
Nesta pesquisa serão desenvolvidos aspectos teóricos de um absorvedor de vibração utilizando fluidos
com propriedades variáveis. Ênfase especial será dada a fluidos magnetoreológicos (MR). Os fluidos com
propriedades ajustáveis tem sido estudados extensamente. Harland et al (2001) investigou o controle passivoadaptativo de vibração em uma viga composta de duas placas elásticas e um núcleo central preenchido com
fluido ER ou MR. A vibração da viga podia ser controlada ajustando o campo elétrico ou magnético aplicado
ao fluido ER ou MR. Phani e Venkatraman (2003) investigaram o comportamento de uma viga sanduíche
com fluido ER no centro. As propriedades de amortecimento dos elementos estruturais foram melhoradas
mudando a amplitude do campo elétrico aplicado.
No atual trabalho, as características do TVA são investigadas, especialmente a freqüência natural. A
vibração em vigas é estudada para ajudar na interpretação do comportamento do fluido MR. Finalmente, as
características de um fluido MR são implementadas no modelo matemático para se determinar até que ponto
suas propriedades podem ser ajustadas através da variação do campo magnético aplicado.
Aplicações de fluidos Magneto-reológicos
Fluidos MR têm sido usados em muitas aplicações. Pradeep (2001) mostrou que fluidos MR são
freqüentemente aplicados em três áreas. A primeira aplicação é a utilização destes fluidos MR em controle
semi-ativo de vibração. Existem vários dispositivos desenvolvidos para este tipo de aplicação, veículos
pesados e assento de ônibus escolar, dispositivos protéticos, lavadoras de roupa e suspensões primárias
automotivas. O propósito de um amortecedor que utiliza fluidos MR é atenuar vibrações estruturais. Estes
dispositivos estão atualmente implementados na Ponte de Dongting na China. No segundo tipo de aplicação,
fluidos MR podem ser usados em aplicações automotivas. Desenvolvimentos neste campo foram feitos por
Delphi Automotive. Eles implementaram um sistema de suspensão ativa com fluido MR e um amortecedor
de choque. O terceiro tipo de aplicação dos fluidos MR tem sido desenvolvido para aplicações aeroespaciais.
Neste projeto, fluidos MR são aplicados para um projeto de TVA, que é composto de uma viga
sanduíche com três camadas, contendo o fluido MR entre as duas camadas. As propriedades ajustáveis, isto é
propriedades de cisalhamento, são utilizadas para causar mudanças na freqüência natural do TVA.
Características dos fluidos MR
Srinivasan e McFarland (2001) mostraram que fluidos MR são suspensões de micro partículas de
polarização imersos em líquidos inertes. Os fluidos MR se comportam como fluidos Newtoniano quando não
existe campo externo. Comportamento Newtoniano é quando a tensão de cisalhamento é proporcional ao
produto da viscosidade e da deformação. O comportamento do fluido MR muda de Newtoniano para
Bingham quando um campo magnético externo é aplicado. Comportamento plástico de Bingham é quando a
tensão de cisalhamento é proporcional ao produto da viscosidade e da razão de deformação mais a tensão de
escoamento. Os modelos Newtoniano e de Bingham podem ser escritos nas seguintes formas:
Modelo Newtoniano:
τ = vγ&
(2.1)
Modelo de Bingham:
τ = τ y ( H ) + vγ&
(2.2)
onde τ , v , γ& , τ y e H são a tensão de cisalhamento, viscosidade, razão de deformação, tensão escoamento
e força de campo magnético, respectivamente.
Quando existir um campo magnético aplicado a um fluido MR, as partículas formam correntes na
direção do campo magnético aplicado, como mostrado na Figura 1. Estas correntes são resistentes ao
cisalhamento e causam tensão de escoamento quando uma força de cisalhamento é aplicada. Pradeep (2001)
mostra que os fluidos MR podem desenvolver uma tensão de cisalhamento de até 100 KPa, dependendo da
composição das partículas no fluidos MR e a densidade de fluxo.
(a)
(b)
Figura 1 Fluido MR sem campo magnético (a),com campo magnético (b) Lord Materials Division, (2004).
Referências Bibliográficas:
Harland N. R., Mace B. R., and Jones R. W., "Adaptive-Passive Control of Vibration Transmission in Beams
Using Electro/Magnetorheological Fluid Filled Inserts”, IEEE Transactions on Control Systems
Technology, vol. 9, pp. 9-220, 2001.
Lord
Materials
Division,
"Technology",
Retrieved,
November
10,
2004,
from
http://www.lord.com/Default.aspx?tabid=757
Lord Materials Division, "What is the Difference between MR and ER Fluid?", Retrieved, August 20, 2004,
from http://literature.lord.com/root/other/rheonetic/MRvsER.pdf
Phani A. S and Venkatraman K., "Vibration control of sandwich beams using electro-rheological
fluids", Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 17, pp. 1083-1095, 2003
Pradeep P. P., "Magnetorheological (MR) fluids: Principles and applications", Smart Materials
Bulletin, vol. 2001, pp. 7-10, 2001.
Srinivasan A. V. and McFarland D. M., “Smart Structures: Analysis and Design”, Cambridge University
press, 2001.