International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.16
no.2
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pp.223-246
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2015
Structural vibration control using a piezoelectric shunt is an established control technique. This technique involves connecting a piezoelectric patch, which is bonded onto or embedded into the vibrating structure, to an electric shunt circuit. Thus, vibration energy is converted into electrical energy and is dissipated through a network of electrical components. Different configurations of shunt have been researched, among which the negative capacitance-inductance shunt has gained prominence recently. It is basically an analog, active circuit consisting of operational amplifiers and passive elements to introduce real and imaginary impedance on the vibrating structure. The present study attempts to model the behavior of a negative capacitance-inductance shunt in terms of power output and efficiency using circuit modeling software. The shunt model is validated experimentally and is used to control the structural vibration of an aluminum beam, connected to a pair of piezoelectric patches, under broadband excitation. The model is also used to determine the optimal parameters of a negative capacitance-inductance shunt to increase the efficiency and predict the voltage output limit of op-amp against the supply voltage.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.1
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pp.119-125
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1997
This paper deals with an experimental investigation on an active vibration control of ahybrid smart structure(HSS) via an electro-rheological fluid actuator(ERFA) and a piezoelectric film actuator(PFA). Firstly, an HSS is constructed by inserting a silicone oil-based electro-rheological fluid into a hollow can- tilevered beam and perfectly bonding piezoelectric films ofn the upper and lower surfaces of the beam as an actuator and a sensor, respectively. The control scheme of the ERFA tuning stiffness and damping charac- teristics of the HSS with imposed electric fields is formulated as a function of excitation frequencies on the basis of field-dependent respnses. On the other hand, as for the control scheme of the PFA permitting control voltages to generate axial forces or bending moments for suppressing deflections of the HSS, a neuro sliding mode controller(NSC) is employed. Furthermore, an experimental implementation activating the ERFA and the PFA independently is established to carry out an active vibration control in both the transient and forced vibrations. The experimental results exhibit a superior ability of the gtbrid actuation system to tailor elastodynamic response characteristics of the HSS rather than a single class of actuator system alone.
Theoretical and numerical assessments of approximate evaluations and simplified analyses of piezoelectric structures transverse shear modal effective electromechanical coupling coefficient (EMCC) are presented. Therefore, the latter is first introduced theoretically and its approximate evaluations are reviewed; then, three-dimensional (3D) and simplified two-dimensional (2D) plane-strain (PStrain) and plane-stress (PStress) piezoelectric constitutive behaviors of electroded shear piezoceramic patches are derived and corresponding expected short-circuit (SC) and open-circuit (OC) frequencies and resulting EMCC are discussed; next, using a piezoceramic shear sandwich beam cantilever typical benchmark, a 3D finite element (FE) assessment of different evaluation techniques of the shear modal effective EMCC is conducted, including the equipotential (EP) constraints effect; finally, 2D PStrain and PStress FE modal analyses under SC and OC electric conditions, are conducted and corresponding results (SC/OC frequencies and resulting effective EMCC) are compared to 3D ones. It is found that: (i) physical EP constraints reduce drastically the shear modal effective EMCC; (ii) PStress and PStrain results depend strongly on the filling foam stiffness, rendering inadequate the use of popular equivalent single layer models for the transverse shear-mode sandwich configuration; (iii) in contrary to results of piezoelectric shunted damping and energy harvesting popular single-degree-of-freedom-based models, transverse shear modal effective EMCC values are very small in particular for the first mode which is the common target of these applications.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.1
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pp.90-100
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1993
A finite element formulation of vibration control of a laminated plate with piezoelectric sensor/ actuators is presented. Classical lamination theory with the induced strain actuation and Hamilton's principle are used to formulate the equations of motion of the system. The total charge developed on the sensor layer is calculated from the direct piezoelectric equation. The equations of motion and the total charge are discretized with 4 node, 12 degrees of freedom quadrilateral plate bending elements with one electrical degree of freedom. The mass and stiffness of the piezoelectric layer are introduced by treating them as another layer in laminated plate. Piezoelectric sensor/actuators are distributed, but discrete due to the geometry of electrodes. By defining an i.d. number of electrode for each element, modelling of electrodes with variable geometry can be achieved. The static response of a piezoelectric bimorph beam to electrical loading and sensor voltage to given displacement are calculated. For a laminated plate under the negative velocity feedback control, the direct time response by the Newmark-.betha. method and damped frequencies and modal damping ratios by modal state space analysis are derived.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.662-667
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2005
Nonlinear dynamics of active piezolaminated plates are investigated with respect to the thermopiezoelastic behaviors. For largely deformed structures with small strain, the incremental total Lagrangian formulation is presented based on the virtual work principles. A multi field layer wise finite shell element is proposed for assuring high accuracy and non-linearity of displacement, electric and thermal fields. For dynamic consideration of thermopiezoelastic snap through phenomena, the implicit Newmark's scheme with the Newton-Raphson iteration is implemented for the transient response of various piezolaminated models with symmetric or eccentric active layers. The bifurcate thermal buckling of symmetric structural models is first investigated and the characteristics of piezoelectric active responses are studied for finding snap through piezoelectric potentials and the load path tracking map. The thermoelastic stable and unstable postbuckling, thermopiezoelastic snap through phenomena with several attractors are proved using the nonlinear time responses for various initial conditions and damping loss factors. Present results show that thermopiezoelastic snap through phenomena can result in the difficulty of buckling and postbuckling control of intelligent structures.
Supplying power to microsystems that have no physical connection to the outside is difficult, and using batteries is not always appropriate. This paper discusses how to generate electricity from mechanical energy when vibrated in a cantilever beam. A model for the system predicts that the output power of the system is maximized when the mechanical damping in the system is minimized. Furthermore, to cover a wide frequency range and to be useful in a number of applications, a system of beams with different resonant frequencies has been designed and optimized. This information makes it possible to determine what design alternatives are feasible for the creation of a micro power supply for any specific application of MEMS.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.7
s.124
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pp.587-595
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2007
Performance evaluation of advanced piezoelectric composite actuator is conducted with its application of structural vibration control. Characteristics of MFC(macro fiber composite) actuator are investigated by comparing traditional piezoceramic patch actuator. Finite element modeling is used to obtain equations of motion and boundary effects of smart hull structure with MFC actuator. Dynamic characteristics of the smart hull structure are studied through modal analysis and experimental investigation. LQG control algorithm is employed to investigate active damping of hull structure. It is observed that vibration of hull structure is suppressed effectively by the MFC actuators.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.1119-1124
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2007
Performance evaluation of advanced piezoelectric composite actuator is conducted with its application of structural vibration control. Characteristics of MFC (macro fiber composite) actuator are investigated by comparing traditional piezoceramic patch actuator. Finite element modeling is used to obtain equations of motion and boundary effects of smart hull structure with MFC actuator. Dynamic characteristics of the smart hull structure are studied through modal analysis and experimental investigation. LQG control algorithm is employed to investigate active damping of hull structure. It is observed that vibration of hull structure is suppressed effectively by the MFC actuators.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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