Stress and deflection of Active Fiber Composite(AFC) embedded and/or attached composite structures are numerically investigated at the constituent level by the Direct Numerical Simulation(DNS). The DNS approach which models and simulates the fiber and matrix directly using 3D finite elements need to be solved by efficient way. To handle this large scale problem, parallel program for solving piezoelectric behavior was developed and run on the parallel computing environment. Also, the stress result from DNS approach is compared with that from uniform field model.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제9권2호
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pp.18-33
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2008
This paper presents design optimization of a new Active Twist Rotor (ATR) blade and conducts its aeroelastic analysis in forward flight condition. In order to improve a twist actuation performance, the present ATR blade utilizes a single crystal piezoelectric fiber composite actuator and the blade cross-sectional layout is designed through an optimization procedure. The single crystal piezoelectric fiber composite actuator has excellent piezoelectric strain performance when compared with the previous piezoelectric fiber composites such as Active Fiber Composites (AFC) and Macro Fiber Composites (MFC). Further design optimization gives a cross-sectional layout that maximizes the static twist actuation while satisfying various blade design requirements. After the design optimization is completed successfully, an aeroelastic analysis of the present ATR blade in forward flight is conducted to confirm the efficiency in reducing the vibratory loads at both fixed- and rotating-systems. Numerical simulation shows that the present ATR blade utilizing single crystal piezoelectric fiber composites may reduce the vibratory loads significantly even with much lower input-voltage when compared with that used in the previous ATR blade. However, for an application of the present single crystal piezoelectric actuator to a full scaled rotor blade, several issues exist. Difficulty of manufacturing in a large size and severe brittleness in its material characteristics will need to be examined.
This study is concerned with a numerical analysis based on the finite element method to describe the effect of midplane delamination in smart laminated composite plate structures. A new finite element model for centrally located delamination and healthy section was developed and coded in Matlab. The transient analysis of delaminated composite plate with integrated Active Fiber Composite (AFC) was investigated in the present article. The formulation of the governing equation was based on the minimum total potential energy approach. The Newmark time integration technique was employed to solve the differential equations. A parametric study on the effects of boundary conditions and AFC patch location, in presence of delamination on the laminated plate were studied.
In this work, active control algorithm is adopted to reduce delamination effects of the damaged composite structure and control performance with MFC actuator is numerically evaluated. Finite element model for the damaged composite structure with piezoelectric actuator is established based on improved layerwise theory. In order to achieve high control performance, MFC actuator, which has increased actuating force, is considered as a piezoelectric actuator. Mode shapes and corresponding natural frequencies for the damaged smart composite structure are studied. After design and implementation of active controller, dynamic characteristics of the damaged smart composite structure are investigated.
In this work, active control algorithm is adopted to reduce delamination effects of the damaged composite structure and control performance with MFC actuator is numerically evaluated. Finite element model for the damaged composite structure with piezoelectric actuator is established based on improved layerwise theory. In order to achieve high control performance, MFC actuator, which has increased actuating force, is considered as a piezoelectric actuator. Mode shapes and corresponding natural frequencies for the damaged smart composite structure are studied. After design and implementation of active controller, dynamic characteristics of the damaged smart composite structure are investigated.
최근에 소개된 능동 FSS(active frequency selective surface) 또는 ESS(electromagnetic smart screen)는 2차원 금속섬유 복합재료에서 금속섬유의 부하저항을 변화시킴으로써 복합재료의 분산특성을 변경시키는 기술이다. 본 논문에서는 부하저항의 변화에 따른 ESS의 분산특성을 효율적으로 계산하기 위해 GEC(generalized equivalent conductor) 기법을 기반으로 수정하여 적용한다. 부하저항에 따른 ESS의 투과계수와 유효유전율을 1~40 GHz의 범위에서 시뮬레이션 한다. 또한, 부하저항을 변경함으로써 공진주파수와 대역폭을 변경할 수 있음을 보인다.
The complexity of macro-fiber composite (MFC) materials increasing the difficulty in simulation and analysis of MFC integrated structures. To give an accurate prediction of MFC bonded smart structures for the simulation of shape and vibration control, the paper develops a linear electro-mechanically coupled static and dynamic finite element (FE) models based on the first-order shear deformation (FOSD) hypothesis. Two different types of MFCs are modeled and analyzed, namely MFC-d31 and MFC-d33, in which the former one is dominated by the $d_{31}$ effect, while the latter one by the $d_{33}$ effect. The present model is first applied to an MFC-d33 bonded composite plate, and then is used to analyze both active shape and vibration control for MFC-d31/-d33 bonded plate with various piezoelectric fiber orientations.
The composite materials may be exposed to environmental (thermal or hygral or both) condition during their service life. The effect of environmental condition is usually adverse from the point of view of design of composite structures. In the present research study the effect of hygrothermal condition on the design of laminated composite structures is investigated. The active fiber composite (AFC) which may be utilized as actuator or sensor is considered in the present analysis. The sensor layer is used to sense the level of response of the composite structures. The sensed voltage is fed back to the actuator through the controller. In this study both displacement and velocity feedback controllers are employed to reduce the response of the composite laminate within acceptable limit. The Newmark direct time integration scheme is employed along with modal superposition method to improve the computational efficiency. It is observed from the numerical study that the laminated composite structures become weak in the presence of hygrothermal load. The response of the structure can be brought to the acceptable level once the AFC layer is activated through the feedback loop.
This study proposes an optics-based active sensing system for continuous monitoring of underground pipelines in nuclear power plants (NPPs). The proposed system generates and measures guided waves using a single laser source and optical cables. First, a tunable laser is used as a common power source for guided wave generation and sensing. This source laser beam is transmitted through an optical fiber, and the fiber is split into two. One of them is used to actuate macro fiber composite (MFC) transducers for guided wave generation, and the other optical fiber is used with fiber Bragg grating (FBG) sensors to measure guided wave responses. The MFC transducers placed along a circumferential direction of a pipe at one end generate longitudinal and flexural modes, and the corresponding responses are measured using FBG sensors instrumented in the same configuration at the other end. The generated guided waves interact with a defect, and this interaction causes changes in response signals. Then, a damage-sensitive feature is extracted from the response signals using the axi-symmetry nature of the measured pitch-catch signals. The feasibility of the proposed system has been examined through a laboratory experiment.
Active control of forced vibration of the cantilevered laminated composite plates using collocated piezoceramic sensor/actuator is analyzed numerically and verified experimentally for various fiber orientations. Impact on the stiffness and the damping properties is studied by varying stacking sequence of [$\theta$$_{4}$O$_{2}$90$_{2}$]s for the laminated composite plate. For the forced vibration control, the plate is excited by one pair of collocated PZT exciters in resonance and its vibrational response is suppressed by the other collocated PZT sensor/actuator using direct negative velocity feedback. It is shown that the active control of forced vibration is more effective for the smart laminated plate with higher modal damped stiffness(2ζ$\omega$/aup 2/) .
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[게시일 2004년 10월 1일]
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