International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.7
no.2
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pp.42-49
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2006
In this paper, an efficient piezoelectric passive damper is newly devised to suppress the multi-mode vibration of plates. To construct the passive damper, the piezoelectric materials are utilized as energy transformer, which can transform the mechanical energy to electrical energy. To dissipate the electrical energy transformed from mechanical energy, multiple resonant shunted piezoelectric circuits are applied. The dynamic governing equations of a coupled electro-mechanical piezoelectric with multiple piezoelectric patches and multiple resonant shunted circuits is derived and solved for the one edge clamped plate. The equations of motion of the piezoelectrics and shunted circuits as well as the plate are discretized by finite element method to estimate more exactly the effectiveness of the piezoelectric passive damper. The method to find the optimal location of a piezoelectric is presented to maximize effectiveness for desired modes. The electro-mechanical coupling term becomes important parameter to select the optimal location.
Chen, Genda;Garrett, Gabriel T.;Chen, Chaoqiang;Cheng, Franklin Y.
Structural Engineering and Mechanics
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v.17
no.3_4
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pp.539-556
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2004
In this paper, the design, fabrication and characterization of a piezoelectric friction damper are presented. It was sized with the proposed practical procedure to minimize the story drift and floor acceleration of an existing 1/4-scale, three-story frame structure under both near-fault and far-field earthquakes. The design operation friction force in kip was numerically determined to range from 2.2 to 3.3 times the value of the peak ground acceleration in g (gravitational acceleration). Experimental results indicated that the load-displacement loop of the damper is nearly rectangular in shape and independent of the excitation frequency. The coefficient of friction of the damper is approximately 0.85 when the clamping force on the damper is above 400 lbs. It was found that the friction force variation of the damper generated by piezoelectric actuators with 1000 Volts is approximately 90% of the expected value. The properties of the damper are insensitive to its ambient temperature and remain almost the same after being tested for more than 12,000 cycles.
Two active/passive vibration dampers were designed to control a cantilever beam first mode of vibration. The active element was a piezoelectric polymer, polyvinlidene fluoride (PVDF). The passive damping was provided by the application of a viscoelastic layer on the surface of the steel beam. Two substantially different damper configurations were designed and tested. One damper consisted of a piezoelectric actuator bonded to one face of the beam, with a viscoelastic layer applied to the other surface of the beam. The second one was composed of a layer viscoeastic layer with one surface bonded to the beam, and with other being constrained by nine piezoelectric actuators connected in parallel. A control law based on the sign of the angular velocity of the cantilever beam was implemented to control the beam first mode of vibration. The piezoelectric sensor output was digitally differentiated to obtain the transverse linear velocity, and its sign was used in the control algorith. Two dampers provided the system a damping increase of a factor of four for the first damper and three for the second damper. Both dampers were found to work well at low levels of vibration, suggesting that they can be used effectively to prevent resonant vibrations in flexible structure from initiating and building up.
To reduce the vibration of cable-stayed bridges, conventional magnetorheological (MR) damper control system (CMRDS), with separate power supply, sensors and controllers, is widely investigated. In this paper, to improve the reliability and performance of the control system, one adaptive MR damper control system (AMRDS) consisting of MR damper and piezoelectric energy harvester (PEH) is proposed. According to piezoelectric effect, PEH can produce energy for powering MR damper. The energy is proportional to the product of the cable displacement and velocity. Due to the damping force changing with the energy, the new system can be adjustable to reduce the cable vibration. Compared with CMRDS, the new system is structurally simplified, replacing external sensor, power supply and controller with PEH. In the paper, taking the N26 cable of Shandong Binzhou Yellow River Bridge as example, the design method for the whole AMRDS is given, and simple formulas for PEH are derived. To verify the effectiveness of the proposed adaptive control system, the performance is compared with active control case and simple Bang-Bang semi-active control case. It is shown that AMRDS is better than simple Bang-Bang semi-active control case, and still needed to be improved in comparison with active control case.
A self-sensing magnetorheological (MR) damper with embedded piezoelectric force sensor has recently been devised to facilitate real-time close-looped control of structural vibration in a simple and reliable manner. The development and characterization of the self-sensing MR damper are presented based on experimental work, which demonstrates its reliable force sensing and controllable damping capabilities. With the use of experimental data acquired under harmonic loading, a nonparametric dynamic model is formulated to portray the nonlinear behaviors of the self-sensing MR damper based on NARX modeling and neural network techniques. The Bayesian regularization is adopted in the network training procedure to eschew overfitting problem and enhance generalization. Verification results indicate that the developed NARX network model accurately describes the forward dynamics of the self-sensing MR damper and has superior prediction performance and generalization capability over a Bouc-Wen parametric model.
Vibration control of plates with a passive electrical damper is presented in this paper. This electrical absorber, piezoelectric patches connected with a resistor and an inductor in series, is analogous to the damped mechanical vibration absorber. For estimating the effectiveness of piezoelectric absorber, the governing equations of motion are derived using a classical laminate plate theory and Hamilton principle. The developed theoretical analyses are validated experimentally for simply-supported aluminum plates in order to demonstrate the performance of passive electrical damper. The result shows that the vibration amplitude is reduced about 14dB for the targeted first vibration mode.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.10
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pp.1778-1784
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2003
Vibration control of plates with a passive electrical damper is presented in this paper. This electrical absorber, piezoelectric patches connected with a resistor and an inductor in series, is analogous to the damped mechanical vibration absorber. For estimating the effectiveness of piezoelectric absorber, the governing equations of motion are derived using a classical laminate plate theory and Hamilton principle. The developed theoretical analysis is validated experimentally for a simply-supported aluminum plate in order to demonstrate the performance of passive electrical damper. The result shows that the vibration amplitude is reduced about 14dB for the targeted first vibration mode.
A control algorithm combining viscous and non-linear Reid damping mechanisms has been recently proposed by the authors to command active friction dampers. In this paper, friction dampers and the proposed algorithm are applied to control the seismic responses of a nonlinear 20-story building. Piezoelectric stack actuators are used to implement the control algorithm. The capacity of each damper is determined by the practical size of piezoelectric actuators and the availability of power supply. The saturation effect of the actuators on the building responses is investigated. To minimize the peak story drift ratio or floor acceleration of the building structure, a practical sequential procedure is developed to sub-optimally place the dampers on various floors. The effectiveness of active friction dampers and the efficiency of the proposed sequential procedure are verified by subjecting the building structure to four earthquakes of various intensities. The performance of 80 dampers and 137 dampers installed on the structure is evaluated according to 5 criteria. Numerical simulations indicated that the proposed control algorithm effectively reduces the seismic responses of the uncontrolled 20-story building, such as inelastic deformation. The sub-optimal placement of dampers based on peak acceleration outperforms that based on peak drift ratio for structures subjected to near-fault ground motions. Saturation of piezoelectric actuators has adverse effect on floor acceleration.
Theoretical analysis is performed on a multi-mode energy harvester design with focus on the first two vibration modes. Based on the analysis, a modification is proposed for designing a novel adaptive multi-mode energy harvester. The device comprises a simply supported beam with distributed mass and piezoelectric elements, and an adaptive damper that provides a 180 degree phase shift for the motions of two supports only at the second vibration mode. Theoretical analysis and numerical simulations show that the new design can efficiently scavenge energy at the first two vibration modes. The energy harvesting capability of the multi-mode energy harvester is also compared with that of a cantilever-based energy harvester for single-mode vibration. The results show that the energy harvesting capacity is affected by the damping ratios of different designs. For fixed damping ratio and design dimensions, the multi-mode design has higher energy harvesting capacity than the cantilever-based design.
Piezoelectric shunt is an electric type damper capable of reducing the vibration of the structure. Vibration generated at the natural frequency of the structure are converted into electrical energy through the piezoelectric material attached to the structure. Electric energy can be dissipated by thermal energy using piezoelectric shunt composed of inductor and resistance to reduce vibration. In this paper, the equation for the optimum inductance required to reduce the vibration of the cantilever beam was examined and the vibration of the aluminum cantilever was reduced by using finite element analysis and experiments. In the finite element analysis, the mode shape and the strain energy distribution were calculated to examine the mounting position, and the vibration reduction of the cantilever was calculated by adjusting the inductance and resistance circuit values. In addition, in the experiment, a variable inductor module was used to reduce the vibration occurring at a specific frequency of the cantilever. Finally, based on the results of the finite element analysis and the experiment, it was verified that the piezoelectric shunt can effectively reduce the vibration of the cantilever.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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