The piezoelectric thin film sensor has good characteristics to observe the impact responses of composite structures. The capabilities for monitoring impact behavior of Gr/Ep laminates subjected to damage-induced impact using the PVDF(polyvinylidene fluoride) film sensor were examined. For a series of low-velocity impact tests from low energy to damage-induced energy, simulated sensor signals were compared with measured signals and the PVDF film sensor. Local impact damages(matrix cracking and delamination) were found at three impact tests, but the measured signals agreed well with the simulated sensor signals based on the linear relationship between the impact forces and the PVDF film sensor signals. And the inverse technique was applied to reconstruct the impact forces using the PVDF film sensor signals. Most of reconstructed impact forces had good agreement with the measured forces. The comparison results showed that the local damage due. to low-velocity impact didn't disturb the global impact responses of composite laminates and the reconstruction of impact forces from PVDF sensor signals wasn't affected by the local damage.
One promising method for impact detection of composite structures is based on the use of piezopolymer thin fim (PVDf) sensor. In this paper, the relationship between the contact force and the signals of the attached strain gage and PVDF sensor to the composite plate subjected to low-velocity impact were derived. The relation for the open circuit and short circuit voltage of PVDF sensor was derived based on the equivalent circuit model of the piezoelectric sensor. The work was then extended to include experimental investigation into the use of short circuit voltage of PVDF sensor without using charge amplifier to detect low-velocity impact. The natural frequencies and damping ratio of the composite plate obtained from the vibration test were used to modify the analytical model and therefore the differences between measured and simulated signal of the modified analytical model in both forward and backward problem were considerably reduced. The reconstructed contact force and simulated sensor signals agreed well with the measured contact force, strain gage signal, and PVDF sensor singanl.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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제28권5호
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pp.497-502
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2015
In this paper, a stress function-based approach was proposed to analyze the reduction of free-edge peeling stress in smart composite laminates using piezoelectric actuator under bending load. Electro-mechanically coupled governing equation was obtained by complimentary virtual work principle. The stress state was solved by the generalized eigenvalue procedure. The free-edge peeling stress of smart composite laminates was reduced by the piezoelectric actuation. The reduction rate of peeling stress in cross-ply composite laminate is larger than that in angle ply composite laminate.
This paper presents a structural health monitoring method using piezoelectric paint sensor designed for an impact sensor. The piezoelectric paint sensor can be flexibly deposited onto most structural surfaces in a thin form of the paint, and measure impact signals without any external device such as a power amplifier. In this study, a composite plate having four zones coated with piezoelectric paint was used for impact monitoring test. The sensitivity of the piezoelectric paint sensor was obtained by measuring the output voltages against the impact force. In addition to the sensitivity measurement, the impact position has been also estimated by comparing the output signals of the paint sensors when the impact occurs on the specimen.
Park, Chan Ik;Lee, Gwan Ho;Kim, In Geol;Lee, Yeong Sin
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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제31권2호
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pp.51-56
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2003
The piezoelectric thin film(PVDF: polyvinylidene fluoride) sensors having good dynamic sensing charachteristics can be used to monitor low vwlocit impact on composite structures. The impact response function for composite sandwich beam was derved. The impact tests at low energy without inducing damage were performed on the instrumented drop weight impact tester. The measured signals of PVDF sensors attached on the surface of the beam agreed well with the simulated signals. And the inverse technique was applied to reconstruct the impact forces from the PVDF sensor signals. Most of reconstructed impact forces showed good agreement with the measured forces. The comparison results showed that the piezoelectric thin film sensor can be used to monitor the low velocity impact on composite sandwich structures.
Piezoelectric Fiber Composites with Interdigitated Electrodes (PFCIDE) were previously introduced as an alternative to monolithic wafers with conventional electrodes for applications of structural actuation. This paper is an investigation into the performance improvement of piezoelectric fiber composite actuators by changing the matrix material. This paper presents a modified micro-electromechanical model of a piezoelectric fiber/piezopolymer matrix composite actuator with interdigitated electrodes (PFPMIDE). Various concepts from different backgrounds including three-dimensional linear elastic and dielectric theories have been incorporated into the present linear piezoelectric model. The rule of mixture and the modified method to calculate the effective properties of fiber composites are extended to apply to the PFPMIDE model. The new model is validated comparing with available experimental data and other analytical results.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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제32권3호
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pp.37-44
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2004
This paper deals with the performance analysis of LIPCA(Light-weight Piezo-Composite actuator) including the material nun-linearity of the embedded 3203HD PZT wafer. For this analysis, we used a piezo-shell element code based on a nine-node assumed strain shell element formulation. The material non-linearity was implemented in the formulation due to a large observed discrepancy between the measured displacement and the computed actuation displacement based on the linear analysis. An experimentally extracted piezo-strain function of the PZT wafer and incremental formulation were incorporated into the linear finite element code to improve the accuracy of the estimated actuation displacement of the LIPCA. The non-linear piezo-shell program was used to predict the non-linear performance of the LIPCA. The simulated actuation displacement from the non-linear code showed much better agreement with the measured data.
The energy harvesting device is known to be promising as an alternative to solve the resource shortage caused by the depletion of petroleum resources. In order to overcome the limitations (environmental pollution and low mechanical properties) of piezoelectric elements capable of converting mechanical motion into electrical energy, many studies have been conducted on a polymer matrix-based composite piezoelectric energy harvesting device. In this paper, the output performance and related applications of the reported piezoelectric composites are reviewed based on the applied materials and processes. As for the piezoelectric fillers, zinc oxide, which is advantageous in terms of eco-friendliness, biocompatibility, and flexibility, as well as ceramic fillers based on lead zirconate titanate and barium titanate, were reviewed. The polymer matrix was classified into piezoelectric polymers composed of polyvinylidene fluoride and copolymers, and flexible polymers based on epoxy and polydimethylsiloxane, to discuss piezoelectric synergy of composite materials and improvement of piezoelectric output by high external force application, respectively. In addition, the effect of improving the conductivity or the mechanical properties of composite material by the application of a metal or carbon-based secondary filler on the output performance of the piezoelectric harvesting device was explained in terms of the structure of the composite material. Composite material-based piezoelectric harvesting devices, which can be applied to small electronic devices, smart sensors, and medicine with improved performance, can provide potential insights as a power source for wireless electronic devices expected to be encountered in future daily life.
The mechanical properties of composite materials may severely degrade in the presence of damage. Especially, the high-velocity impact such as bird strike, a hailstorm, and a small piece of tire or stone during high taxing, can cause considerable damage to the structures and sub-system in spite of a very small mass. However, it is not easy to detect the damage in composite plates using a single technique or any conventional methods. In this paper, the PVDF(polyvinylidene fluoride) film sensors were used for monitoring high-velocity impact damage initiation and propagation in composite laminates. The WT(wavelet transform) and STFT(short time Fourier transform) are used to decompose the sensor signals. A ultrasonic C-scan and a digital microscope are also used to examine the extent of the damage in each case. This research shows how various sensing techniques, PVDF sensor in particular, can be used to characterize high-velocity impact damage in advanced composite.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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제23권5호
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pp.445-454
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2003
Health monitoring is a major concern not only in the design and manufacturing but also in service stages for composite laminated structures. Excessive loads or low velocity impact can cause matrix cracks and delaminations that may severely degrade the load carrying capability of the composite laminated structures. To develop the health monitoring techniques providing on-line diagnostics of smart composite structures can be helpful in keeping the composite structures sound during their service. In this study, we discuss the signal processing techniques and some applications for health monitoring of composite structures using piezoceramic sensors and fiber optic sensors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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