32
4.1 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 20132014 CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING What is damping? Dissipating some of the energy which is added to a dynamic system by exciting forces during each cycle of the response. Dissipation is achieved through resistive damping forces (may be internal such as molecular level interactions or external such as friction). Normally damping forces are lot smaller than elastic forces but around resonance elastic forces and balanced out by inertial resistance which leaves only the damping force to resist the motion of the DOF already moving. Thus, damping forces are of critical importance when the excitation frequency is near or at resonance frequency. No damping leads to boundless motion, while some damping will lead tolarge oscillations but with bounds (see Figure 4.1). Figure 4.1. Dependence of the character of a transient decay on loss factor [Nashif et.al. 1985]

CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

  • Upload
    others

  • View
    14

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.1 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 

4.1. VIBRATION DAMPING 

What is damping? 

Dissipating some of the energy which is added to a dynamic system by exciting forces during each cycle of the response. 

Dissipation is achieved through resistive damping forces (may be internal such as molecular level interactions or external such as friction). 

Normally damping forces are lot smaller than elastic forces but around resonance elastic forces and balanced out by inertial resistance which leaves only the damping force to resist the motion of the DOF already moving. 

Thus, damping forces are of critical importance when the excitation frequency is near or at resonance frequency.  

No damping leads to boundless motion, while some damping will lead tolarge oscillations but with bounds (see Figure 4.1).  

  

Figure 4.1. Dependence of the character of a transient decay on loss factor [Nashif et.al. 1985] 

   

Page 2: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.2 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

The effect of damping on dynamic repsonse of systems makes it an effective parameter to control vibrations only for the following cases: 

o For free vibration response (transient response) where the system oscillates at resonant frequencies (the rate at which these oscillations die out is related to system damping). 

o Limit steady‐state resonant response. o Attenuate traveling waves.  o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration damping for vibration control.  

Note that damping does little or nothing to reduce the amplitude of the forced responses other than resonance regions. 

Typical and very common vibration related problem is the existance of resonances and excitation forces near these system frequencies, making damping‐based passive vibration control techniques very viable. 

  

Table 4.1. Industries and particular mechanical components,  and main motivations for which vibration damping treatments are used [Corsaro and Sperling 1990]

 

   

Page 3: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.3 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Table 4.2. General areas of application of damping in controlling the effects of vibration [Corsaro and Sperling 1990] 

Structural fatigue and failure 

Damage to equipment 

Equipment malfunction 

Vibration (and Noise) control for personnel safety and function 

Effects on instruments, processes, and precision equipment 

 

When the natural damping in a system is inadequate for its intended function, then an applied damping treatment may be required to achieve the following objectives: 

Control of vibration amplitude at resonance 

Control excessive resonance vibrations which may cause high stresses, leading to premature failure. 

Example: For random excitation, damping in each mode at least exceeds a minimum specified value to keep random stresses within acceptable limits. Sonic fatigue of aircraft fuselage, wing, and control surface panels when they due to excitation by jet noise or boundary layer turbulence‐induced excitation.  

Noise control 

Control of noise radiation from vibrating surfaces, or the control of noise transmission through a vibrating surface (see Table 4.3). 

Decreasing the amplitudes of the vibrating surface. 

Example: Oil pan damping increase can drastically decrease structure‐borne noise contribution due structural vibrations (see Figure 4.2). 

  Table 4.3. Damping levels vs acoustic response [Corsaro and Sperling 1990]

 

Page 4: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.4 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Figure 4.2. Oil sump made of high damping laminated steel and effect of damping on free response of the oil sump.

4.2. MECHANISMS OF DAMPING IN MATERIALS AND MECHANICAL STRUCTURES 

 4.2.1. Internal Mechanisms of Damping (Material damping)  Mechanisms that dissipate vibrational energy in the form of heat within the volume of a 

material element as it is deformed.  Complex physical effects that convert kinetic and strain energy in a vibrating mechanical 

system consisting of a volume of macrocontinuous (solid) matter into heat.  Associated with internal atomic or molecular reconstructions of the microstructure or 

with thermal effects. o microstructure defects, such as grain boundaries and impurities. o thermoelastic effects caused by local temperature gradients resulting from 

nonuniform stresses, as in vibrating beams. o eddy current effects in ferromagnetic. o plastic slip or flow. o magnetomechanical effects. o dislocation movements. o inhomogeneous strain in fibrous materials. o the relaxation and recovery of the molecular chains after deformation 

(polymers or viscoelastic materials).  Under cyclic stress or strain these mechanisms lead to the formation of a stress‐strain 

hysteresis loop of the type shown in Figure 4.3.   Most structural metals and alloys have relatively little damping under most 

conditions(Steel and alimimum will have exteremely small damping).  Some alloy systems, however, have crystal structures specifically selected for their 

relatively high damping capability.  o Nonlinear and increases as cyclic stress amplitudes increase (see Figure 4.4).  

 

Page 5: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.5 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 Figure 4.3. Typical stress‐strain (or load‐deflection) hysteresis loop for a material under 

cyclic stress [Harris and Pierson 2002].  

  

 Figure 4.4. Damping behavior of a copper‐manganese alloy as a function of strain 

amplitude and temperature [Nashif et.al. 1985]  

The cyclic integral of force with respect to the displacement, which is the area of the hysteresis loop, is equal to the work done against the damping force. 

This integral (loop area) is the energy dissipated per cycle of motion.  This is the damping capacity which, when divided by the material volume, gives the per‐

unit‐volume damping capacity as before (see Figure 4.5 for damping capacity values for vairous materials). 

 

Page 6: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.6 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 Figure 4.5. Damping capacity of various materials [Nashif et.al. 1985] 

   

The damping force should be resisting the motion so it should somehow be a function of the velocity of the motion of which it is resisting. 

Typical damping ratios for material damping for metals and alloys: 0.0005‐0.005  Typical damping ratios for material damping for viscelastic materials: 0.05‐0.75  Polymeric or elastomeric materials are capable  (under certain conditions) of dissipating 

far  larger  amounts  of  energy  per  cycle  than metals  and  alloys. We  will  discuss  this further. 

4.2.2. External Mechanisms of Damping Structures and machines can be damped by mechanisms which are essentially external to the system or structure itself. Such mechanisms, which can be very useful for vibration control in engineering practice (friction dampers, air‐film dampers), include:  Structural damping (friction and impact at joints)  Adjacent touching parts of the machine or structure slide cyclically relative to one 

another, on a macroscopic or a microscopic scale, dissipating energy (see Figure 4.6).  

 

Page 7: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.7 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 Figure 4.6. Different mechanisms of structural damping for a clamped beam [Nashif et.al. 1985] 

   Mechanical  energy  dissipation  caused  by  friction  due  to  the  relative motion  between 

components.  Impacting at the joints in a mechanical system or structure can also be considered under 

this type of damping.   Difficult  to  develop  a  generalized  analytical model  that  would  satisfactorily  describe 

structural damping.  Rubbing is usually represented by a Coulomb friction model.  Impacting, however, should be determined from the coefficient of restitution of the two 

members that are in contact.  Most common method of estimating  structural damping  is by measurementof   overall 

damping in the mechanical system.  o For  metals  and  alloys  internal  (material)  damping  is  negligible  compared  to 

structural damping.  o In  tall  buildings,  bridges,  vehicle  guideways,  and many  other  civil  engineering 

structures and  in machinery,  such as  robots and vehicles, dominant damping  is the structural damping mechanism.

o  A major form of structural damping is the slip damping that results from energy dissipation  by  interface  shear  at  a  structural  joint.  The  degree  of  slip damping that is directly caused by Coulomb (dry) friction depends on such factors as joint forces  (for  example,  bolt  tensions),  surface  properties  and  the  nature  of  the materials  of  the mating  surfaces.  This  is  associated with wear,  corrosion,  and 

Page 8: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.8 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

general deterioration ofthe  structural  joint.  In  this  sense,  slip damping  is  time‐dependent.  It  is a common practice  to place damping  layers at  joints  to  reduce undesirable  deterioration  of  the  joints.  Sliding  causes  shear  distortions  in  the damping layers, causing energy dissipation by material damping and also through Coulomb friction. In this way, a high level ofequivalent structural damping can be maintained without causing excessive  joint deterioration. These damping  layers should have a high stiffness (as well as a high specific‐damping capacity) in order to  take  the  structural  loads  at  the  joint.  For  structural damping  at  a  joint,  the damping force varies as slip occurs at the joint.

Impact  Impact between imperfectly elastic parts of the system (may also be considered as part 

of structural damping).  Fluid pumping  Vibration of a structure forces the fluid medium within which the structure is immersed 

to pass cyclically through narrow paths or leaks between different zones of the system or between the system and the exterior, thereby dissipating energy. 

 Air‐Based damping  Acoustic  radiation  damping,  whereby  the  vibrational  response  couples  with  the 

surrounding fluid medium, leading to sound radiation from the structure.  Enclosing thin films of air around the vibrating structure allowing leaks from the enclosed 

air  volume.    Pressure  gradients  are  created  due  to  the  allowance  of  leaks which will create net forces resisting the motion of the structure.  

 

Figure 4.6. Various configurations where air film damping is observed [Nashif et.al. 

1985] 

Page 9: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.9 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Figure 4.7. A mechanical joint configuration where air film damping is observed 

[Jones 2001]  

 

 

 

4.3. MEASURES OF DAMPING  

How to characterize damping?  

Viscous damper:  

Hypothetical device that creates mathematically convinient damping forces.  If used properly very effective way of representing damping.  Not satisfactory way of representing higher levels of damping forces. 

To decide on how much damping to introduce to the system , we need to first know how much damping is already present in the system?  

 

4.3.1. Ways of identifying damping in mechanical systems: 

As far as passive vibration control applications are concerned most practical measure of damping is the modal damping ratio or modal loss factor. 

 

Damping Ratio: Already discussed (SDOF and MDOF). How to measure damping ratio from measured FRFs? Experimental modal analysis techniques? We will upload a write‐up on this topic on METU‐ONLINE later. Simplest way is to use the half‐power point method. 

   

Page 10: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.10 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Loss Factor:  

 

Page 11: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.11 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 

 

Figure 4.8. a) Effect of loss factor on system response b) Selection of loss factor (adapted 

from the 1970 paper by Crandall) 

 

4.3.2. Other measures of Damping  

Table 4.4. Common Types of Damping Measures and their interrelationships 

 

   

)(

)(

F

X

 

02.0  

2.0

(a) /n 

()   Viscous damper 

Actual loss factor 

(b) 

1.0

Page 12: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.12 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

4.4. VISCOELASTIC VIBRATION DAMPING 

A mechanism commonly known as viscoelastic damping is strongly displayed in many polymeric, elastomeric, and amorphous glassy materials. 

 Polymeric and Elastomeric materials  Polymers  Polymers  are  large  molecules  consisting  of  repeated  chemical  units  (`mers')  joined 

together, usually in a line, like beads on a string.  Each  `mer'  is  typically made  up  of more  than  5  and  less  than  500  atoms;  the word 

`polymer' is applied when you have more than about 50 `mers' stuck together.  Most of the plastics are made of polymers.  Molecular  chains  in  a  polymer  network  intertwine  and  are  connected  to  gether  at 

various locations (cross‐linked).  Specific properties can be tailored by manupulating the size and the atomic composition 

of the chains, changing the number of cross‐links, adding fillers such as carbon black to increase stiffness, tear and wear resistance and hysteresis. 

Polymers can be made stiff (plastics) or soft (film adhesives).  Elastomer:  A rubberlike synthetic polymer, as silicone rubber.  Elastomers are only slightly cross‐linked.  Natural rubber  Polymer made up of molecules of great length composed of hydrogen and carbon.  Naturally, molecular chains are flexible, independent of each over.  In its raw state, natural rubber is a tough material which deforms in part by viscous flow 

and in part elastically.  It becomes soft and sticky when warms. Its practical uses in the raw state are limited.  Vulcanisation Process:  The practical potential of rubber is achieved by the process known as vulcanisation. 

Vulcanisation with sulphur links the rubber molecules together at intervals along their length by means of short chains of sulphur atoms (other vulcanising systems as peroxides can be used). 

Vulcanisation gives strength, elasticity and mechanical behaviour less sensitive to temperature. 

Rubbers also contains a filler, generally carbon black, which improves tear and abrasion properties as well as increasing the modulus, hysteresis and creep. 

 Damping mechanism in polymers 

The damping action is caused by the relaxation and recovery of the molecular chains after deformation. 

Viscoelasticity is a property which is caused by the molecular rearrangement under stress. 

The speed of such processes depend on the speed of molecular motion of which temperature is a measure. 

Page 13: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.13 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 

Molecular level explanation for  viscoelastic behavior  In a polymer, each flexible threadlike molecule is continually changing the shape of its 

contour as it wriggles and writhes with its thermal energy (Figure 4.9).   

 Figure 4.9. Typical polymeric structure network[Nashif et.al. 1985] 

 

Strong dependence between frequency and temperature effects in polymer behavior due to the relationship between temperature and molecular vibrations (We will see it later). 

A wide variety of commercial polymeric damping material compositions exist (see Tables 4.5 and 4.6). 

o See D.I. Jones’s book for more detailed material and company information.  Polymeric damping materials are available commercially in the following categories: 

o Mastic treatment materials o Cured polymers o Pressure sensitive adhesives o Damping tapes o Laminates 

Damping material data related to the damping performance is provided in many formats. We will discuss this later.  

  

Table 4.5. Typical Damping Material Types [Harris and Pierson 2002]

     

Page 14: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.14 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Table 4.6. List of Damping Materials and systems Manufacturers [Harris and Pierson 2002] 

   

Rubbers (General Information) [Harris and Piersol, 2002] 

Elastomers are polymers that can be stretched substantially beyond their original length and will retract rapidly and forcibly to essentially their original dimensions upon release of the force. 

The optimum properties and/or economics of many rubbers are obtained through formulating with  

reinforcing agents, 

fillers 

extending oils 

vulcanizing agents 

antioxidants 

pigments  End‐use markets for formulated rubbers include automotive tire products, adhesives, 

cements, caulks, sealants, latex foam products, hose, belting , footwear (, and molded, extruded, and calendered products (athletic goods, flooring, gaskets, household products, O‐rings, blown sponge, thread, and rubber sundries). 

A list of general‐purpose elastomers and properties is summarized in Table 4.7.  

Table 4.7. Properties of general purpose elastomers [Harris and Piersol] 

   

Page 15: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.15 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

4.4.1. Theory Of Linear Viscoelasticity 

Mathematical modeling of linear viscoelastic behavior. o Small strain‐small stress deformation. 

If both strain and rate of strain are infinitesimal, and the time‐dependent stress‐strain relations can be described by linear differential equations with constant coefficients, we have linear viscoelastic behavior. 

Then, in a given experiment the ratio of stress to strain is a function of time (or frequency) alone, and not of stress magnitude. 

The relations between stress, strain, and their time dependences are in general described by a "constitutive equation" or "rheological equation of state."  

Non‐linear viscoelatic behavior (not within the scope of this course): o Hyperelasticity (large strain elasticity) o Stress softening effects o Large strain viscoelasticity 

 

4.4.1.1. Linear Time Domain Behavior of Viscoelastic Materials [Lakes 1998] 

Uniaxial, small deformation, linear stress‐strain constitutive relation for an elastic solid is as follows:  

Eεσ ,                  (1)  where E is Young’s modulus, σ  is stress and  ε is strain. The same relation can be written in a different form, in which a compliance term is utilized:  

Jσε ,                  (2)  

where J is the elastic compliance and defined as the inverse of the elastic modulus E,  

EJ

1                    (3) 

 On  the other hand,  for a viscous  fluid, shear stress occurring during  flow  is dependent on strain rate and given as:  

dt

dεσ ,                  (4) 

 

where  is the viscosity.   Viscoelastic  materials  are  the  ones  that  have  time  dependent  relationship  between 

stress and strain unlike the elastic ones.  This can be also defined as a behavior between pure elastic and pure viscous cases.  Some  of  the  observed  special  behaviors  for  viscoelastic materials  (Lakes  1998)  are  as 

follows:  

Page 16: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.16 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

1. For constant stress, strain increases with time (creep behavior). 2. For constant strain, stress decreases with time (relaxation process) 3. Dynamic stiffness depends on the rate of application of the load 4. For  cyclic  loading,  hysteresis  is  observed  between  stress  and  strain,  which  is  an 

indication of the energy dissipation. 5. Acoustic waves transmitted are attenuated. 

  All materials  show  viscoelastic  behavior,  but  the  deviation  from  elastic  characteristics 

depends on the type of the material.  Metals  show  strong  elastic behavior  at moderate  temperatures, while polymers  show 

significant viscoelasticity at same temperature levels.  First of  the  two  transient properties of viscoelastic materials  is creep.  It  is a  slow, gradual deformation of a material under constant stress. For uniaxial stress case, stress history that will cause pure creep behavior can defined as:  

)()( 0 tut ,                 (5) 

 

where  u(t)  is  the  unit  step  function.  The  strain  (t) will  increase with  time  following  the relationship  

0

)()(

t

tJ ,                  (6) 

 where  J(t)  is  called  the  creep  compliance.  Elastic  material  is  a  special  case  of  general viscoelastic model with a creep compliance of  

)()( 0 tuJtJ .                 (7) 

 Viscous materials  (like  liquids)  is another special case  for creep behavior, where  the creep compliance is  

)()( ttutJ ,                 (8) 

 

where  is the viscosity of the liquid.   Second transient property of the viscoelastic materials is the stress relaxation, which is the gradual decrease of stress when the material is held at constant strain. If the strain is applied as the given function  

)()( 0 tut ,                 (9) 

 the stress will decrease following the relationship   

Page 17: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.17 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

0

)()(

t

tE ,                  (10) 

 where E(t) is the relaxation modulus.  To  simplify  the understanding  the  concepts, only uniaxial  stress‐strain  case  is  considered. Relaxation and creep might also be occurring in shear and volumetric deformation as well as extension. Different relaxation and creep functions can be defined for different deformation modes.   In order  to aid physically realize creep and relaxation process, stress and strain curves are presented  in  Figure  4.10  (creep)  and  Figure  4.11  (relaxation).  SEE  THE  POWER  POINT SLIDES. 

Figure 4.10. Stress and strain curves vs. time (Creep case) [adapted from Lakes 1998]  Figure 4.11. Stress and strain curves vs. time (Relaxation case) [adapted from Lakes 1998] 

 

 

ViscoelasticElastic

Viscous

Relaxation Recovery

 

 

Viscoelastic

Elastic

Viscous

Creep Recovery

Page 18: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.18 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Viscoelastic materials can be categorized  into two groups based on their phase. They 

might be in solid or liquid state.  

Although the transient behavior of viscoelastic solids and  liquids are similar, there are some generic differences. 

  For example  the  relaxation modulus  for viscoelastic converges  to  zero as  time goes  to 

infinity, i.e.  0)( tEliquids (Figure 4.12). 

For  viscoelastic  solids  on  the  other  hand,  relaxation modulus  converges  to  a  positive 

finite value as the time goes to infinity, i.e.  esolids EtE )(  (Figure 4.13).  

In  case  of  creep,  viscoelastic  liquids  achieve  a  steady  flow  –  or  linearly  increasing deformation – with time as shown in the creep compliance plot given in Figure 4.14. 

For the solids, the compliance approaches to an equilibrium value which represents zero strain rate (Figure 4.15). 

  

Figure 4.12 Typical Relaxation Modulus distribution for viscoelastic liquids 

Figure 4.13 Typical Relaxation Modulus distribution for viscoelastic solids 

 

 

Figure 4.14. Typical Creep Compliance distribution for viscoelastic liquids  

J(t) 

E(t) 

Ee 

E(t) 

Page 19: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.19 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

  

Figure 4.15. Typical Creep Compliance distribution for viscoelastic solids 

    4.4.1.2. Viscoelastic Response due to an Arbitrary Input   A very powerful concept in polymer physics is the Boltzmann’s Superposition Principle.   Simply  Boltzmann’s  Superposition  Principle  states  that  each  loading  state  of  a 

viscoelastic material makes  independent contribution to total  loading history, and total final deformation is the sum of each contribution. 

For linear viscoelastic behavior, Boltzmann’s superposition principle can be applied. 

For  consecutive  step  stress  inputs as  shown  in Figure 4.16,  the  strain  can be written as a combination of the strain caused by each individual step input, i.e (see Figure 4.17); 

210 )()()()( tJtJtJt (11)

Figure 4.16. Superposed step stress inputs   

(t) 

t0  t1  t2 

J(t) 

0  Je 

Page 20: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.20 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Figure 4.17. Strain response to multiple step stress inputs  As  0t , the strain becomes: 

d

d

dtJt

t )()()(

              (12) 

where  )(t   is an arbitrary function of time. Similary for an arbitrary function of strain, the 

stress can be obtained as:  

d

d

dtEt

t )()()(

              (13) 

 

 

 

4.4.1.3. Viscoelastic Constitutive Relation and Representation of Material Damping by Frequency Dependent Complex Modulus  

The  standard  linear  viscoleastic  constitutive  relation  for  a  uniaxial  state  of  stress  is [Christensen 1971, Bagley 1979]:  

J

j j

j

jK

k k

k

kdt

εdEε(t)E

dt

σdbσ(t)

10

1          (14) 

 or  

J

j j

j

jK

k k

k

kdt

εdq

dt

σdp

00.(Gaul 1991)          (15) 

  

(t) 

Page 21: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.21 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

For  harmonic  response  analysis,  stress  and  strain  can  be  defined  as  tiet 0)( , tiet 0)( .  Substituting  these  into  the  differential  form  of  constitutive  equation  gives 

[Nashif et al 1985]:  

K

k

kk

J

j

jj

K

k

kk

J

j

jj

ib

iaE

ib

iEE

1

100

1

100

0

)(1

)(1

)(1

)(

(16)

This relation between stress and strain amplitudes can be written  in a more compact form as:  

00 )( EiE               (17) 

 where  E  and   E  are storage modulus and loss modulus respectively.Both are functions of frequency for the general viscoelastic behavior.   For metals, storage modulus  E  is constant over the frequency domain and loss modulus 

E  is a weak function of frequency.  For elastomeric materials both moduli are functions of frequency.  Besides  the  frequency  dependence,  most  viscoelastic  materials  have  also  strong 

temperature dependence.  The relation between harmonic response amplitudes of stress and strain can be written  in 

terms of a complex frequency dependent modulus )(~* jE , which is defined as:  

 

        (18) 

 Frequency  domain  distributions  of  storage  and  loss moduli  of  a  specific material  can  be experimentally  obtained  and  viscoelastic model  terms  can  be  used  to  represent  the  real material behavior.    Complex moduli can be written in another form:  

)(1)()(~* iEiE             (19) 

 

where a loss factor term () is defined as  

)(

)()(

E

E

                (20) 

   

00*

0 ))()(()(~ EjEjE

Page 22: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.22 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

What does loss factor represent?  

In  an  effective  passive  vibration  control  technique  based on  the  use of  high  damping viscoelastic  materials,  the  viscoelastic  components  or  elements  must  participate significantly in the energy of vibration.  

Typical values of moduli for viscoelastic materials are given in Table

 Table 4.8. Typical Moduli of Viscoelastic Materials [Harris and Pierson 2002] 

 

Page 23: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.23 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

4.4.1.4. Complex Modulus in terms of Relaxation Modulus  Using  Equation  (12),  the  complex  modulus  can  be  obtained  in  terms  of  the  relaxation modulus as follows:  

dtetEiiE ti

)()()(

~*          (21) 

 or 

 

)()(~* tEiiE             (22) 

 

where  )(~* iE  is the complex modulus and   is the Fourier transform symbol. 

 

4.4.1.5. Generalized Maxwell Model Representation of Linear Viscoelastic Behavior  The  simplest  version  of  the Maxwell model  for  viscoelastic materials  is  composed  of  an elastic and viscous components connected in series as shown in Figure 4.18.  

Figure 4.18. Single element Maxwell model [adapted from Lakes 1998]

 

The spring represents the elastic component and E is the elastic modulus (unit is Pa). 

The dashpot is the viscous component with  being the viscosity(unit is N.s/m2). 

The total strain  can be written as the summation of the strain in the elastic and viscous components: 

 

21                 (29) 

 The strain rate is:  

dt

d

dt

d

dt

d 21               (30) 

E

E

2

1

Page 24: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.24 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

The stress is same in both components:  

2 E                 (31) 

 and 

 

dt

d 1                 (32) 

From Equations (31) and (32):  

Edt

d

dt

d 12                 (33) 

 and  

dt

d 1                 (34) 

 Substituting Equations (33) and (34) into Equation (30), the constitutive equation for a single Maxwell model element is obtained:  

Edt

d

dt

d 1              (35) 

 

For a  step  input  )()( 0 tut ,  the  stress  response  for  the  single Maxwell element can be 

derived as: 

EtEt

eEet 00)(             (36) 

 The relaxation modulus  )(tE  can be written as: 

 

Et

Eet

tE0

)()(              (37) 

 A new parameter, relaxation time, is defined in terms Eand  :  

E

                 (38) 

 Now the relaxation modulus can be written in terms of the relaxation time:  

t

EetE )(                 (39) 

 

Page 25: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.25 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Complex  shear modulus  for  the  single element Maxwell model  can be obtained  from  the Laplace transform of the relaxation modulus:   

)()(~

tEssE                 (40) 

 

s

EssE

1)(

~                (41) 

 The complex modulus can be obtained by replacing Laplace variable  s  with i :  

i

EiisEiE

1)(

~)(

~*             (42) 

 Some common simple viscoelastic models –  including the single element Maxwell model – are given  in Table 4.9 with corresponding constitutive equation and  the complex modulus 

expressions. The units of the parameters E and  are Pa and N.s/m2 respectively.  Table 4.9. Some common, simple viscoelastic models  

Model Constitutive equation  [Lakes 1998] 

Complex  Modulus 

)(~* iE   

[Jones 2001]  Maxwell model

dt

d

dt

d

E

1

jE

Ej

Kelvin-Voigt model

dt

dE

jE

Standar linear model

dt

dEE

EE

dt

dE

)( 211

21

1

1 12

11

11

jE

jE

Ej

E

E

E1 1

E2

Page 26: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.26 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

A generalized Maxwell model can be constructed by connecting N single Maxwell elements as  shown  in  Figure  4.19.  The  relaxation modulus  for  the  generalized Maxwell model  can written as:  

N

i

t

iieEtE

1

)(                 (43) 

  

Figure 4.19. Generalized Maxwell model with N elements [adapted from Lakes 1998] 

  Similarly, the complex modulus for the generalized Maxwell model can be obtained as:  

N

n n

nn

i

EiiE

1

*

1)(

~               (44) 

 

Real and imaginary parts  )(~ E and  )(

~ E can written separately as: 

  

N

n n

nn

i

EE

122

22

1)(

~

              (45) 

and  

N

n n

nn

i

EE

1221

)(~

              (45) 

E1

1

E2

2

En

n

EN

N

……

Page 27: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.27 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

The  generalized Maxwell  can  be modified  by  adding  a  pure  elastic  element with  an 

elastic parameter  eE in parallel as shown in Figure 4.20. 

This modified model  is essentially  for  representing viscoelastic  solids which has a non‐

zero relaxation modulus as time approaches infinity, i.e.  eEtE )( . 

Note that for the original Maxwell model,  0)( tE , which is typical liquid behavior. 

 

Figure 4.20. Modified Generalized Maxwell model with N elements (also called the 

generalized standard model) [adapted from Lakes 1998]  The  relaxation  modulus  for  the  modified  Maxwell  model  (also  called  the  generalized standard model) becomes:  

1

1

)(N

n

t

neneEEtE             (46) 

The complex modulus for the modified model can also be written as:  

 

1

1

*

1)(

~ N

n n

nne i

EiEiE

          (47) 

 Real and imaginary parts of the complex modulus becomes:  

1

122

22

1)(

~ N

nn

nne

EEE

          (48) 

and  

1

1221

)(~ N

nn

nnEE

            (49) 

   

Ee

E1

1

En

n

NN-1

N-1

……

Page 28: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.28 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

4.4.2. Typical Viscoelastic Material Behavior As A Function Of Temperature 

Modulus and loss factor distribution as a function of temperature at constant frequency (see Figure 4.21). 

Linear behavior: modulus is independent of the strain amplitudes.  Nonlinearity  occurs  above  certain  treshold  strain  levels  (depending  on  the  type  of 

polymer structure and composition).  The  strain  levels  in  vibration  control  applications  are  often  below  linear  behavior 

treshold.  At low temperatures, high modulus and low loss factors are typical (Glassy region).  After a particulat temperature, material starts to soften drastically with sharp increase in 

loss factor (Transition region).  As temperature  is  increased more beyond the transition region modulus decreases and 

reaches stable low value (Rubbery region).  Further  increase  in  temperature  beyond  rubbery  region  causes  the  material  to 

disintegrate (Flow region) (for most rubberlike materials (polymers with cross‐links this region do not exist)). 

Modulus values could be as high as 100 GPa in the glassy region and as low as 10000 Pa in the rubbery region. 

Width of transition region 20oC to 200oC – 300oC.  Encompasses a temperature range of a few hundred degrees.  Loss factor usually below 10‐2 and 10‐3 for glassy region.   Loss factor as high as 1‐2 in the transition region.  Loss factor between 0.1 to 0.3 in the rubbery region for many materials.  These properties depend on the composition.  

 Figure 4.21. Variation of the storage modulus and loss factor with temperature [Nashif 

et.al.1985]    

Page 29: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.29 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 

Critical Parameters that may be used when evaluating the performance of a viscoelastic material (see Figure 4.22): 

o Ts:   softening temperature or transition temperature 

o T0:   peak loss factor temperature 

o Peak loss factor 

o ΔT:   Width  of  the  transition  region  (required  to  be  large  for  vibration 

control applications).  Plastics 

o Softening temperature Ts is quite high. o Wide glassy region.  

Elastomers o Softening temperature Ts is low below room temperature. o A large transition region is desired for vibration control usage. 

 

 

Figure 4.22. Variation of the real part of the modulus and loss factor with temperature – constant frequency [Jones 2001] 

 

   

Page 30: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.30 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

4.4.3.  The Effects Of Frequency On Viscoelastic Material Properties  

Inverse effect of temperature: Increasing frequency (at constant temperature) has similar effect on the complex modulus as decreasing temperature. 

Several decades of frequency change similar to a change of a few degrees of temperature(basis for temperature‐frequency superposition principle – will be discussed later. This principle will enable characterization of viscoelastic materials in a large frequency range using a single test technique). 

Large range of frequency (10 to 20 decades) (compare it to few hundred degrees) o  (LOW) 10‐8Hz  to 108 Hz (HIGH)  

 

 Figure 4.23. Variation of the real part of the modulus and loss factor with frequency – 

constant temperature [Jones 2001]  

  

 

 

 

 

Page 31: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.31 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

 

Typical carpet plots of storage modulus and loss factor of viscoelastic materials are given in Figure 4.24.  

In Table 4.10, you can find typical values for viscoelastic solid elastic (storage) tensile modulus and loss factors (see Table 4.11 for shear modulus properties). 

 

 

Figure 4.24. Frequency and temperature dependence of loss factor and storage modulus of viscoelastic materials [Encyclopedia of Vibration] 

 

Page 32: CHAPTER 4 PASSIVE VIBRATION CONTROL 4.1. VIBRATION DAMPING iscourses.me.metu.edu.tr/courses/...PASSIVE_VIBRATION_CONTROL_… · o See Tables 4.1 and 4.2 examples for using vibration

4.32 ME 708 LECTURE NOTES, by Dr. Gökhan O. ÖZGEN, Fall 2013‐2014 

Table 4.10. Typical viscoelastic solid elastic (storage) tensile modulus and loss factors [Jones 2001 and Nahif et.al. 1985]

 

 

Table 4.11. Typical viscoelastic solid elastic (storage) shear modulus and loss factors [Jones 2001 and Nahif et.al. 1985]