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.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제7권1호
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pp.106-117
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2006
The active vibration control of composite shell structure has been performed with the optimized sensor/actuator system. For the design of sensor/actuator system, a method based on finite element technique is developed. The nine-node Mindlin shell element has been used for modeling the integrated system of laminated composite shell with PVDF sensor/actuator. The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the effect of spillover. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Continuous electrode patterns are discretized according to finite element mesh, and orientation angle is encoded into discrete values using binary string. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator for the first and the second mode vibration control of singly curved cantilevered composite shell structure are designed with the method developed on the finite element method and optimization. For verification, the experimental test of the active vibration control is performed for the composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law.
In this study, the nano-composite actuator based on Fullerene and Nafion was newly developed to improve the electro active polymer actuators. The tensile test was employed to define the mechanical stiffness and strength of the nano-composite membrane. Also, the bending displacement of the Fullerene-Nafion based nano-composite actuator was investigated under DC and AC excitations with various magnitudes and frequencies. As a result, the new nano-composite actuator based on Fullerene-Nafion shows much larger deformation than the pure Nafion based actuator and solves the straightening back Problem of the previous electro active polymer actuators.
The actuating performance of plate-type unimorph piezoelectric composite actuators having various stacking sequences was evaluated by three dimensional finite element analysis on the basis of thermal analogy model. Thermal residual stress distribution at each layer in an asymmetrically laminated plate with PZT ceramic layer and thermally induced dome height were predicted using classical laminated plate theory. Thermal analogy model was applied to a bimorph cantilever beam and LIPCA-C2 actuator in order to confirm its validity. Finite element analysis considering thermal residual deformation showed that the bending behavior of piezoelectric composite actuator subjected to electric loads was significantly different according to the stacking sequence, thickness of constituent PZT ceramic and boundary conditions. In particular, the increase of thickness of PZT ceramic led to the increase of the bending stiffness of piezoelectric composite actuator but it did not always lead to the decrease of actuation distance according to the stacking sequences of piezoelectric composite actuator. Therefore, it is noted that the actuating performance of unimorph piezoelectric composite actuator is rather affected by bending stiffness than actuation distance.
The active vibration control of laminated composite shell has been performed with the optimized sensor/actuator system. PVDF film is used fur the material of sensor/actuator. Finite element method is utilized to model the whole structure including the piezoelectric sensor/actuator system, The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the adverse effect of spillover. In the finite element discretization process, the nine-node shell element with five nodal degrees of freedoms is used. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator profiles are optimized for the first and the second modes suppression of singly curved cantilevered composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law. The real time vibration control with profile optimized sensor/actuator system has been performed. Experimental result shows successful performance of the integrated structure for the active vibration control.
This work describes an investigation into the feasibility of using an acoustic emission (AE) technique to evaluate the integrity of a composite actuator with a PZT ceramic under electromechanical cyclic loading. AE characteristics have been analyzed in terms of the behavior of the AE count rate and signal waveform in association with the performance degradation of the composite actuator during the cyclic tests. The results showed that the fatigue cracking of the composite actuator with a PZT ceramic occurred only in the PZT ceramic layer, and that the performance degradation caused by the fatigue damage varied immensely depending on the existence of a protecting composite bottom layer. We confirmed the correlations between the fatigue damage mechanisms and AE signal types for the actuators that exhibited multiple modes of fatigue damage; transgranular micro damage, intergranular fatigue cracking, and breakdown by a short circuiting were related to a burst type signal showing a shortly rising and slowly decaying waveform with a comparably low voltage, a continuous type signal showing a gradual rising and slowly decaying waveform with a very high voltage and a burst and continuous type signal with a high voltage, respectively. Results from the present work showed that the evolution of fatigue damage in the composite actuator with a PZT ceramic can be nondestructively identified via in situ AE monitoring and microscopic observations.
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 and actuator shape. This paper presents a modified micro-electromechanical model and numerical analyses of piezoelectric fiber/piezopolymer matrix composite actuator with interdigitated electrodes (PFPMIDE). Numerical analyses show that the shape of the graphite/epoxy composite plate with the PFPMIDE may be controlled by judicious choice of voltages, piezoelectric fiber angles, and elastic tailoring of the composite plate.
본 논문은 기존의 유/공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는 경량, 고성능 지능소자 구동기를 설계/제작하고 이를 소형 무인비행체의 조종익 시스템에 적용 가능성을 연구한 것이다. 또한 압전 복합재료 작동기에 대한 성능평가를 수행하였으며, 유니모프 및 바이모프 형태의 작동기를 제작하여 각각의 작동 특성을 확인하였다. 이와 같은 성능시험 평과 결과를 통해 바이모프 형태의 작동기가 하중 유무와 무관하게 선형적인 받음각 변화를 가짐을 알 수 있었다. 이러한 지능소자 구동 시스템은 소형 로봇, 유도무기 및 MAV, UAV의 조종익 제어 시스템으로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
This paper presents the robust control simulation of a composite beam using self-sensing actuators(SSA). The self-sensing actuator is a new concept for intelligent material, where a single piezoelectric element simultaneously functions as both a sensor and an actuator. In a practical implementation of the self-sensing actuator an electrical bridge circuit is used to measure strain. The circuit could provide significant information about strain in the element if it were well-balanced. Our aim is design a robust controller which guarantees that the performance of a self-sensing actuator is robust against perturbation of the bridge balance and to confirm the advantages of this technique. Simulation results show that the self-sensing actuator driven by the designed controller exhibits excellent performance in suppressing the vibration of a composite beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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