Vibration Damping Investigation of Designed Mechanical Metamaterials Fabricated Using Additive Manufacturing. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Thesis) PhD Thesis_Fayyaz_202202260.pdf Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (28MB)

Arabic Abstract

بصفتها جبهة جديدة ومذهلة في الابتكار العلمي، تدفع المواد الخارقة (الميتاماتيريال) حدود المواد التقليدية وتُدخلنا في عصر من الاحتمالات التي لم يكن من الممكن تصورها من قبل. تُظهر المواد الخارقة الميكانيكية (MMs) خصائص وأداءً لا يمكن تحقيقه في المواد التقليدية. وقد أصبح استكشاف المعرفة المتعمقة حول خصائصها الميكانيكية، والجوانب المختلفة للاهتزاز، والتحكم في التخميد، مجالاً بحثياً حاسماً للباحثين. الاهتزاز الميكانيكي هو ظاهرة متأصلة في الأنظمة الهندسية، ينشأ عن التفاعل بين القصور الذاتي، والصلابة، والتخميد، وقوى الإثارة الخارجية. وغالباً ما يؤدي وجوده إلى انخفاض في الدقة والأداء العام للنظام، مع تقصير العمر التشغيلي للمكونات في الوقت نفسه. وتعتبر دراسة التحكم في الاهتزاز والتخميد جانباً مهماً للمواد الخارقة الميكانيكية (MMs) في بيئات الاهتزاز، والتي تحتاج إلى التعزيز والاستكشاف. وقد أُجريت العديد من الدراسات للتحقيق في الأداء الميكانيكي للمواد الخارقة الميكانيكية؛ ومع ذلك، فإن جانب التحكم في الاهتزاز والتخميد لم يُستكشف بالكامل. تتمتع المواد الخارقة الميكانيكية بأشكال معقدة وميزات دقيقة؛ وأصبح تصنيعها ممكناً بفضل ظهور تقنية التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد). يغطي هذا البحث المراجعة النقدية وتصميم المواد الخارقة الميكانيكية لتحسين أداء تخميد الاهتزازات في التطبيقات الهندسية. تشمل المراجعة الشاملة جوانب مختلفة للتحكم في الاهتزاز والتخميد في المواد الخارقة الميكانيكية، بما في ذلك النمذجة التحليلية والقياسات التجريبية، مع تسليط الضوء على الفجوات البحثية المحتملة والإجراءات اللازمة لمعالجتها. تمت نمذجة اثني عشر تصميماً للمواد الخارقة الميكانيكية ذات أشكال (مورفولوجيات) متنوعة كعوارض كابولية (ناتئة) بنسبة حجم ثابتة تبلغ 32% من مادة أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) وتم تصنيعها باستخدام تقنية نمذجة الترسيب المنصهر (FDM). كما تم استخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) عبر برنامج ANSYS وتحليل الأنماط التجريبي (EMA) باختبار مطرقة الصدم لتقييم معلمات الاهتزاز الرئيسية، بما في ذلك قوة الصدم، والترابط، والاستجابة الزمنية، ودوال الاستجابة الترددية، وأشكال الأنماط، والترددات الطبيعية، ونسب التخميد. تُظهر نتائج تصميمات المواد الخارقة الميكانيكية تردداً طبيعياً أقل (45-101 هرتز) مقارنة بالمرجع الصلب (161 هرتز)، مع توافق جيد بين النتائج العددية والتجريبية. وتراوحت نسب التخميد النمطي المئوية للتصميمات من 1.96% إلى 5.14%، حيث تفوقت معظم تصميمات المواد الخارقة الميكانيكية على التصميم الصلب. والجدير بالذكر أن الشبكة ثمانية السطوح 2 (octahedral lattice 2) حققت أعلى تخميد (ζexp=5.14%)، مما أدى إلى تقليل سعة استجابة ذروة الرنين بنسبة تتراوح بين 81-84٪ تقريباً عند (ζbase=0.8-1%)، مما يوضح إمكاناتها القوية للتطبيق في المجالات الحساسة للاهتزاز. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء اختبار الانحناء لنفس تصميمات المواد الخارقة الميكانيكية باستخدام تقنية الانحناء ثلاثي النقاط. وقد تمت نمذجتها بنفس نسبة الحجم البالغة 32% وتصنيعها من مادة ABS باستخدام تقنية .FDM. تم الحصول على بيانات التجربة، بما في ذلك ذروة القوة، والحد الأقصى للإزاحة، ومعامل الانحناء، وإجهاد الانحناء، لاثني عشر تصميماً. وعلاوة على ذلك، تم تقييم سعة الحمل النوعية (SLC) وامتصاص الطاقة النوعي (SEA) لتحديد الكفاءة الهيكلية. أظهرت النتائج اعتماداً مورفولوجياً (شكلياً) عميقاً، مما أثر على خصائص الانحناء، أي ذروة قوة بين 135-296 نيوتن، ومعامل انحناء بين 94-379 ميجا باسكال، وإجهاد انحناء بين 3.8-8.34 ميجا باسكال، وحد أقصى للإزاحة بين 3.54-15 ملم، وانخفاض في الوزن بنسبة 37% تقريباً مقارنة بالعارضة الصلبة. حقق التصميم D1 المبني على الشكل المكعب أقصى قدر من الصلابة الهيكلية، محققاً سعة حمل نوعية (SLC) تصل إلى 5.95 نيوتن/جرام ومعامل انحناء يبلغ 379 ميجا باسكال. وعلى العكس من ذلك، تفوق التصميم D11 المبني على شكل ثماني السطوح في المطاوعة والقدرة على تحمل الاصطدام، حيث أظهر إزاحات قصوى تتجاوز 13 ملم وحقق أقصى امتصاص طاقة نوعي (SEA) عند 0.07 جول/جرام. علاوة على ذلك، نجح ترتيب دعامات المواد الخارقة الميكانيكية في تحويل آليات الفشل من الكسر الهش الكارثي إلى تشوه موضعي تدريجي. تُظهر هذه النتائج أن المواد الخارقة الميكانيكية المُصنعة إضافياً يمكن ضبطها شكلياً لإعطاء الأولوية إما للصلابة النوعية أو لامتصاص الطاقة النوعي، مما يدعم إمكاناتها في تطبيقات الوزن الخفيف المخصصة. يُستخدم تصميم المواد الخارقة الميكانيكية صاحب الأداء الأعلى في نموذج تمثيلي لذراع روبوتية خاصة بالتصنيع الإضافي بالقوس السلكي، وذلك لتخميد اهتزاز المستجيب النهائي (الطرف المؤثر) الخاص بها من أجل تحقيق حركة دقيقة. تم استخدام نهج تصميم مبتكر يدمج المواد الخارقة الميكانيكية المُصنعة إضافياً في وصلات الذراع الروبوتية للتخفيف السلبي لاهتزاز المستجيب النهائي، دون المساس بالسلامة الهيكلية. تم استكشاف تحليل الإجهاد عبر العناصر المحدودة (FEA) والاستجابة الديناميكية عبر توجيهات تشغيلية مختلفة، بما في ذلك توجيه الامتداد الكامل (FSO)، وتوجيه الامتداد النصفي (HSO)، وتوجيه الامتداد الأقل (LSO). ويتم تحليل تأثير المواد الخارقة الميكانيكية المدمجة بشكل منهجي، وتحديداً عن طريق تغيير أطوالها (50 ملم، 100 ملم، و 150 ملم) داخل كل وصلة. تم تصميم نماذج الذراع الروبوتية وتحليلها باستخدام تقسيم الشبكات (meshing) والشروط الحدية المناسبة في برنامج ANSYS. وتم التحقق من صحة نتائج الاهتزاز والتخميد من FEA، بما في ذلك التردد الطبيعي النمطي ودالة الاستجابة الترددية للمستجيب النهائي، باستخدام تقنية تحليل الأنماط التجريبي (EMA) من خلال اختبار مطرقة الصدم، وذلك للوصلات الفردية التي تحتوي على مواد خارقة ميكانيكية مدمجة بأطوال 0 و 50 ملم و 100 ملم و 150 ملم. أظهرت النتائج أن تصميم المواد الخارقة الميكانيكية المدمجة في الوصلات الروبوتية يوفر قدرات فائقة لتخميد الاهتزاز السلبي، محققاً انخفاضاً يصل إلى 93% في سعة اهتزاز الرنين في توجيه الذراع الروبوتية الأكثر ضعفاً من الناحية الهيكلية. وتسلط هذه الدراسة الضوء على قدرة المواد الخارقة الميكانيكية المُصنعة إضافياً على التخميد السلبي لاهتزازات الذراع الروبوتية دون المساس بالسلامة الهيكلية.

English Abstract

As a fascinating new frontier in scientific innovation, metamaterials are pushing the limits of traditional materials and bringing in an era of previously unimaginable possibilities. Mechanical metamaterials (MMs) display properties and performance that cannot be realized in conventional materials. Exploring in-depth knowledge about its mechanical properties, various aspects of vibration, and damping control is becoming a crucial research area for researchers. Mechanical vibration is an inherent phenomenon in engineering systems, arising from the interplay of inertia, stiffness, damping, and external excitation forces. Its presence often leads to a reduction in accuracy and overall system performance, while simultaneously shortening the operational lifespan of components. The study of vibration and damping control is an important aspect of MM in vibration environments, need to be enhanced and explored. Several studies have been conducted on the mechanical performance investigation of MM; however, the vibration and damping control aspect is not fully explored. MMs have complex shapes and intricate features; fabrication is possible due to the emergence of the additive manufacturing technique. This research covers the critical review and design of MMs for improving vibration-damping performance for engineering applications. The comprehensive review covers various aspects of vibration and damping control in MM, including analytical modeling and experimental measurements, highlighting potential research gaps and procedures to address them. Twelve MM designs with varied morphologies are modeled as cantilever beams with a constant volume ratio of 32% in acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and fabricated using fused deposition modeling (FDM). Finite-element analysis (FEA) using ANSYS and experimental modal analysis (EMA) impact hammer testing were used to evaluate key vibration parameters, including impact force, coherence, time response, frequency response functions, mode shapes, natural frequencies, and damping ratios. The MM designs results show a lower natural frequency (45-101 Hz) than the solid reference (161 Hz), with numerical and experimental results in good agreement. Percent modal damping ratios for MM designs ranged from 1.96% to 5.14%, with most MM designs outperforming the solid design. Notably, the octahedral lattice 2 achieved the highest damping (ζ_exp=5.14%), reducing the resonant peak response amplitude approximately by 81-84% for ζ_base=0.8-1%, demonstrating its strong potential for implementation in vibration-sensitive applications. Additionally, the flexure testing of same MM designs was performed using three-point bending technique. They are modeled with the same volume ratio of 32% and fabricated from ABS material using FDM. The experiment data, including peak force, maximum displacement, flexure modulus, and flexure stress, were acquired for twelve MM designs. In addition, the specific load capacity (SLC) and specific energy absorption (SEA) were evaluated to determine structural efficiency. The results showed a profound morphological dependency, affecting the flexure properties, i.e., 135-296N peak force, 94-379MPa flexure modulus, 3.8-8.34 MPa flexure stress, 3.54-15mm maximum displacement, and 37% weight reduction approximately compared to a solid beam. Cubic based MM design D1 maximized structural rigidity, achieving an SLC of up to 5.95 N/g and a flexural modulus of 379 MPa. Conversely, octahedral based MM design D11 excelled in compliance and crashworthiness, exhibiting maximum displacement exceeding 13 mm and maximizing SEA at 0.07J/g. Furthermore, the MM strut arrangement successfully shifted the failure mechanisms from catastrophic brittle fracture to progressive, localized deformation. These findings show that additively manufactured MMs can be morphologically tuned to prioritize either specific stiffness or specific energy absorption, supporting their potential for tailored lightweight applications. This highest performing MM design is used in the representative wire arc additive manufacturing robotic arm to damp the vibration of its end effector to achieve precise motion. A novel design approach was utilized that embeds the additively manufactured MMs into the links of a robotic arm for passive vibration attenuation of its end effector, without compromising structural integrity. FEA stress analysis and dynamic response are explored across various operational orientations, including full stretch orientation (FSO), half stretch orientation (HSO), and least stretch orientation (LSO). The impact of embedded MM is systematically analyzed, specifically varying its lengths (50mm, 100mm, and 150mm) within each link. The robotic arm models were designed and analyzed using suitable meshing and boundary conditions in ANSYS software. The FEA vibration and damping results, including modal natural frequency and frequency response function of the end effector, were validated using the experimental modal analysis (EMA) technique using hammer impact testing, for individual links with 0, 50mm, 100mm, and 150mm embedded MM. The results showed that embedded MM design in robotic links offers superior passive vibration damping capabilities, achieving up to a 93% reduction in resonant vibration amplitude in the most structurally vulnerable robotic arm orientation. This study highlights the ability of additively manufactured MMs to passively damp robotic arm vibrations without compromising structural integrity.