Design of a compliant lever-type passive vibration isolator using quasi-zero-stiffness mechanism

Abstract

Bu tez çalışmasında, esnek bağlantılı kaldıraç-tipi ve yarı-sıfır-direngenlik mekanizmaları kullanarak oluşturulan yeni bir pasif titreşim yalıtıcısının tasarımı ve analizi yapılmıştır. Başlangıçta, yarı-sıfır-direngenlik mekanizması olmadan çeşitli sistem tasarımları yapılmıştır. Tasarımda kaldıraç-tipi mekanizma kullanılarak atalet bağlaşımıyla antirezonans frekansı elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu antirezonans frekansı, kaldıracın oluşturduğu atalet kuvveti ile sistemin direngenliğinden ötürü oluşan kuvvetin birbirini dengelediği frekansta oluşmaktadır. Kaldıraç-tipi mekanizma, yalıtıcının kütlesinin yalıtımdaki etkisini yükselttiği için daha az kütle ile daha etkili yalıtımyapılabilmesini sağlamaktadır. Yapılan tasarımlar analitik, sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Öncelikle, sistem toplu ve sürekli parametreli olarak modellenmiştir. Sonrasında sistem sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiştir. En geniş frekans aralığında en yüksek yalıtıma ulaşılabilmek için tasarımın eniyilemesi yapılmıştır. Sonuç olarak amaçlanan özelliklere sahip eniyilenmiş tasarım elde edilmiştir. En sonunda da eniyilenmiş tasarım üretilmiş ve test edilmiştir. İkinci bölümde sisteme yarı-sıfır-direngenlik mekanizması eklenmiştir. Bu tasarım, sistemi ayarlanabilir hale getiren bir çok parçadan oluşmaktadır. Negatif direngenlik mekanizmasının denklemleri sunulmuştur. Sonlu elemanlar yönteminin sonuçları analitik sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sonuçolarak yarı-sıfır-direngenlik mekanizması kullanılarak yeni bir esnek bağlantılı kaldıraç-tipi pasif titreşim yalıtıcısının tasarımı ve analizi sunulmuştur. Son adımda ise tasarım üretilmiş ve test edilmiştir. Bu tasarım ayrıca istenen titreşim yalıtımı frekans aralığına göre ayarlanabilir ve özellikle düşük frekanslarda yüksek yalıtım seviyeleri elde edilebilir.

In this thesis, design and analysis of a new passive vibration isolator usingcompliant lever-type and quasi-zero-sti ? ness (QZS) mechanisms is provided. At ? rst,various systems are designed without QZS mechanism. It is aimed to create antiresonance frequency by using lever-type mechanism. Anti-resonance occurs when theinertial force generated by the levered mass cancels the spring force. Since the levertype mechanism increases the e ? ect of the isolator mass, it is capable of isolating arelatively heavy body with little mass in itself. These designs are examined analytically,numerically and experimentally. First, the systems are modeled with lumped anddistributed parameters. Then, the system is modeled by ? nite element method (FEM).Optimization of the design is made to get highest isolation in the widest frequencyrange. As a result, the optimized design with desired properties is found. At last,the optimized design is manufactured and tested. In the second part, QZS mechanismis attached to the design. This design consists of multiple parts which renders thesystem adjustable. The equations of negative sti ? ness mechanism are provided. FEMresults are compared with the analytical results. The working principle of adjustablemechanisms are explained. As a result, design and analysis of a new compliant levertype passive vibration isolator using QZS mechanisms is provided. Finally, the designis manufactured and tested. This design can also be adjusted for the designed vibrationisolation frequency range and good isolation levels can be acquired especially at lowfrequencies.