In this paper, dynamic buckling of the smart subjected to blast load subjected to electric field is studied. The sandwich structure is rested on Pasternak foundation with springs and shear elements. Applying piezoelasticity theory and hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT), the motion equations are derived by energy method. For calculating the dynamic instability region (DIR) of the sandwich structure, differential quadrature method (DQM) along with Bolotin method is used. The aim of this study is to investigate the effects of applied voltage, geometrical parameters of structure and boundary conditions on the DIR of the structure. The results show that applying negative voltage, the DIR will be happened at higher excitation frequencies. In addition, the clamped-clamped beam leads to higher excitation frequency with respect to simply supported boundary condition.
Based on the theory of piezoelasticity, an analytical solution for a typical multilayer piezoelectric composite cantilever is obtained by the Airy function method. The piezoelectric cantilever may consist of any number of layers. Moreover, the material and thickness for different layers may be different. The solution obtained in the present paper is concise and can be easily applied for the bending analysis of multilayer piezoelectric actuators considering the effect of bonding layers and electrodes. At last, a comprehensive parametric study is conducted to show the influence of electromechanical coupling (EMC), the number of piezoelectric layers, the elastic modulus of elastic layer and the thickness ratio on the bending behavior of actuators. Some interesting results for the design of multilayer piezoelectric actuators are presented.
This paper presents an efficient and accurate coupled beam model for piezoelectric bimorphs based on improved first-order shear deformation theory (FSDT). The model combines the equivalent single layer approach for the mechanical displacements and a layerwise modeling for the electric potential. General electric field function is proposed to reasonably approximate the through-the-thickness distribution of the applied and induced electric potentials. Layerwise defined shear correction factor (k) accounting for nonlinear shear strain distribution is introduced into both the shear stress resultant and the electric displacement integration. Analytical solutions for free vibrations and forced response under electromechanical loads are obtained for the simply supported piezoelectric bimorphs with series or parallel arrangement, and the numerical results for various length-to-thickness ratios are compared with the exact two-dimensional piezoelasticity solution. Excellent predictions with low error estimates of local and global responses as well as the modal frequencies are observed.
A simply supported hybrid plate consisting of top and bottom functionally graded elastic layers and an intermediate actuating or sensing homogeneous piezoelectric layer is investigated by an elasticity (piezoelasticity) method, which is based on state space formulations. The general spring layer model is adopted to consider the effect of bonding adhesives between the piezoelectric layer and the two functionally graded ones. The two functionally graded layers are inhomogeneous along the thickness direction, which are approached by laminate models. The effect of interlaminar bonding imperfections on the static bending and free vibration of the smart plate is discussed in the numerical examples.
A state-space method is developed to investigate the time-dependent behaviors of an angle-ply cylindrical shell in cylindrical bending with surface-bonded piezoelectric layers. Both the interfacial diffusion and sliding are considered to describe the properties of the imperfect interfaces. Particularly, a matrix reduction technique is adopted to establish the transfer relations between the elastic and piezoelectric layers of the laminated shell. Very different from our previous paper, in which an approximate numerical technique, i.e. power series expansion method, is used to deal with the time-dependent problems, the exact solutions are derived in the present analysis based on the piezoelasticity equations without any assumptions. Numerical results are finally obtained and the effects of imperfect interfaces on the electro-mechanical responses of the laminated shell are discussed.
In this study, nonlinear vibrations and dynamic instabilities of a smart embedded micro shell conveying varied fluid flow and subjected to the combined electro-thermo-mechanical loadings are investigated. With the aim of designing new hydraulic sensors and actuators, the piezoelectric materials are employed for the body and the effects of applying electric field on the stability of the system as well as the induced voltage due to the dynamic behavior of the system are studied. The nonlocal piezoelasticity theory and the nonlinear cylindrical shell model in conjunction with the energy approach are utilized to mathematically modeling of the structure. The fluid flow is assumed to be isentropic, incompressible and fully develop, and for more generality of the problem both steady and time dependent flow regimes are considered. The mathematical modeling of fluid flow is also carried out based on a scalar potential function, time mean Navier-Stokes equations and the theory of slip boundary condition. Employing the modified Lagrange equations for open systems, the nonlinear coupled governing equations of motion are achieved and solved via the state space problem; forth order numerical integration and Bolotin's method. In the numerical results, a comprehensive discussion is made on the dynamical instabilities of the system (such as divergence, flutter and parametric resonance). We found that applying positive electric potential field will improve the stability of the system as an actuator or vibration amplitude controller in the micro electro mechanical systems.
A smart hollow cylinder consisting of a host functionally graded elastic core layer and two surface homogeneous piezoelectric layers is presented in this paper. The bonding between the layers can be perfect or imperfect, depending on the parameters taken in the general linear spring-layer interface model. The effect of such weak interfaces on free vibration and steady-state response is then investigated. Piezoelectric layers at inner and outer surfaces are polarized axially or radially and act as a sensor and an actuator respectively. For a simply supported condition, the state equations with non-constant coefficients are obtained directly from the formulations of elasticity/piezoelasticity. An approximate laminated model is then introduced for the sake of solving the state equations conveniently. It is further assumed that the hollow cylinder is embedded in an elastic medium and is simultaneously filled with compressible fluid. The interaction between the structure and its surrounding media is taken into account. Numerical examples are finally given with discussions on the effect of some related parameters.
Krommer, Michael;Vetyukova, Yury;Staudigl, Elisabeth
Smart Structures and Systems
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v.18
no.1
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pp.155-181
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2016
In the present paper we discuss the stability and the post-buckling behaviour of thin piezoelastic plates. The first part of the paper is concerned with the modelling of such plates. We discuss the constitutive modelling, starting with the three-dimensional constitutive relations within Voigt's linearized theory of piezoelasticity. Assuming a plane state of stress and a linear distribution of the strains with respect to the thickness of the thin plate, two-dimensional constitutive relations are obtained. The specific form of the linear thickness distribution of the strain is first derived within a fully geometrically nonlinear formulation, for which a Finite Element implementation is introduced. Then, a simplified theory based on the von Karman and Tsien kinematic assumption and the Berger approximation is introduced for simply supported plates with polygonal planform. The governing equations of this theory are solved using a Galerkin procedure and cast into a non-dimensional formulation. In the second part of the paper we discuss the stability and the post-buckling behaviour for single term and multi term solutions of the non-dimensional equations. Finally, numerical results are presented using the Finite Element implementation for the fully geometrically nonlinear theory. The results from the simplified von Karman and Tsien theory are then verified by a comparison with the numerical solutions.
For the first time, an accurate analytical solution, based on coupled three-dimensional (3D) piezoelasticity equations, is presented for free vibration analysis of the angle-ply elastic and piezoelectric flat laminated panels under arbitrary boundary conditions. The present analytical solution is applicable to composite, sandwich and hybrid panels having arbitrary angle-ply lay-up, material properties, and boundary conditions. The modified Hamiltons principle approach has been applied to derive the weak form of governing equations where stresses, displacements, electric potential, and electric displacement field variables are considered as primary variables. Thereafter, multi-term multi-field extended Kantorovich approach (MMEKM) is employed to transform the governing equation into two sets of algebraic-ordinary differential equations (ODEs), one along in-plane (x) and other along the thickness (z) direction, respectively. These ODEs are solved in closed-form manner, which ensures the same order of accuracy for all the variables (stresses, displacements, and electric variables) by satisfying the boundary and continuity equations in exact manners. A robust algorithm is developed for extracting the natural frequencies and mode shapes. The numerical results are reported for various configurations such as elastic panels, sandwich panels and piezoelectric panels under different sets of boundary conditions. The effect of ply-angle and thickness to span ratio (s) on the dynamic behavior of the panels are also investigated. The presented 3D analytical solution will be helpful in the assessment of various 1D theories and numerical methods.
In this research, the nonlinear static, buckling and vibration analysis of viscoelastic micro-composite beam reinforced by various distributions of boron nitrid nanotube (BNNT) with initial geometrical imperfection by modified strain gradient theory (MSGT) using finite element method (FEM) are presented. The various distributions of BNNT are considered as UD, FG-V and FG-X and also, the extended rule of mixture is used to estimate the properties of micro-composite beam. The components of stress are dependent to mechanical, electrical and thermal terms and calculated using piezoelasticity theory. Then, the kinematic equations of micro-composite beam using the displacement fields are obtained. The governing equations of motion are derived using energy method and Hamilton's principle based on MSGT. Then, using FEM, these equations are solved. Finally the effects of different parameters such as initial geometrical imperfection, various distributions of nanotube, damping coefficient, piezoelectric constant, slenderness ratio, Winkler spring constant, Pasternak shear constant, various boundary conditions and three material length scale parameters on the behavior of nonlinear static, buckling and vibration of micro-composite beam are investigated. The results indicate that with an increase in the geometrical imperfection parameter, the stiffness of micro-composite beam increases and thus the non-dimensional nonlinear frequency of the micro structure reduces gradually.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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