This paper presents a robust vibration control methodology for smart structural systems. The governing equation and associated boundary conditions of the smart structural system are derived by using Hamilton's principle. The assumed mode method is used to discretize the governing equation into a set of ordinary differential equation. A robust controller is designed using a linear matrix inequality (LMI) approach for the multiobjective synthesis. The design objectives are to achieve a mix of H$_{\infty}$ performance and H$_2$ performance satisfying constraints on the closed-loop pole locations in the presence of model uncertainties. Numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of LMI approach in damping out the multiple vibration modes of the piezo/beam system.
This research is concerned with the modeling technique and active vibration controller design for slewing smart structures. When cantilever beam rotates about axes perpendicular to the undeformed beam's longitudinal axis, it experiences inertial loading. Hence, the beam vibrates from the initial stage of slewing, In this paper, the analytical model for a single slewing flexible beam with surface bonded piezoelectric sensor and actuator is developed using the Hamilton's principle with discretization by the assumed mode method. It is found from experiments that the theoretical model lacks the frictional effect. The frictional effect is incorporated into the equations of motion by employing the coupling factor. Theoretical and experimental results show problems arising in modeling and controller design.
Thermal buckling of nonlocal flexoelectric nanoplates incorporating surface effects is analyzed for the first time. Coupling of strain gradients and electrical polarizations is introduced by flexoelectricity. It is assumed that flexoelectric nanoplate is subjected to uniform and linear temperature distributions. Long range interaction between atoms of nanoplate is modeled via nonlocal elasticity theory. The residual surface stresses which are usually neglected in modeling of flexoelectric nanoplates are incorporated into nonlocal elasticity to provide better understanding of the physic of problem. A Galerkin-based approach is implemented to solve the governing equations derived from Hamilton's principle are solved. The verification of obtained results is performed by comparing buckling loads of flexoelectric nanoplate with previous data. It is shown that buckling loads of flexoelectric nanoplate are significantly affected by thermal loading type, temperature change, nonlocal parameter, surface effect, plate thickness and boundary conditions.
Shariati, Ali;Ebrahimi, Farzad;Karimiasl, Mahsa;Vinyas, M.;Toghroli, Ali
Advances in nano research
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제8권1호
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pp.49-58
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2020
This paper investigates the vibration characteristics of flexoelectric nanobeams resting on viscoelastic foundation and subjected to magneto-electro-viscoelastic-hygro-thermal (MEVHT) loading. In this regard, the Nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) is employed. The proposed formulation accommodates the nonlocal stress and strain gradient parameter along with the flexoelectric coefficient to accurately predict the frequencies. Further, with the aid of Hamilton's principle the governing differential equations are derived which are then solved through Galerkin-based approach. The variation of the natural frequency of MEVHT nanobeams under the influence of various parameters such as the nonlocal strain gradient parameter, different field loads, power-law exponent and slenderness ratio are also investigated.
Smart structures are those structure that could adopt some behavior to prevent instability in their responses. The recognition of stability deterioration has been performed through rigid mathematical formulations in control theory and unpredicted results could not be addressed in control systems since they are able to only work under their predefined condition. On the other hand, incorporating all affecting parameters could result in high computational cost and delay time in the response of the systems. Artificial intelligence (AI) method has shown to be a promising methodology not only in the computer science by at everyday life and in engineering problems. In the present study, we exploit the capabilities of artificial intelligence method to obtain frequency response of a smart structure. In this regard, a comprehensive development of equations is presented using Hamilton' principle and first order shear deformation theory. The equations were solved by numerical methods and the results are used to train an artificial neural network (ANN). It is demonstrated that ANN modeling could provide accurate results in comparison to the numerical solutions and it take less time than numerical solution.
Selvamani Rajendran;Rubine Loganathan;Murat Yaylaci;Ecren Uzun Yaylaci;Mehmet Emin Ozdemir
Advances in nano research
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제16권5호
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pp.489-500
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2024
This paper studies the free vibration analysis of the piezo-magneto-thermo-elastic FG nanobeam submerged in a fluid environment. The problem governed by the partial differential equations is determined by refined higher-order State Space Strain Gradient Theory (SSSGT). Hamilton's principle is applied to discretize the differential equation and transform it into a coupled Euler-Lagrange equation. Furthermore, the equations are solved analytically using Navier's solution technique to form stiffness, damping, and mass matrices. Also, the effects of nonlocal ceramic and metal parts over various parameters such as temperature, Magnetic potential and electric voltage on the free vibration are interpreted graphically. A comparison with existing published findings is performed to showcase the precision of the results.
압전재료를 사용한 복합재료 패널의 플러터 억제 방법으로서 비선형 모델을 기반으로 하는 비선형 제어기법 중의 하나인 궤환 선형화에 의한 제어방법을 소개하였다. 기존의 패널 플러터 제어기에 대한 대부분의 연구들은 선형모델을 기반으로 설계된 선형2차제어기(LQR: Linear Quadratic Regulator)였음에 비해, 본 연구에서 제안한 비선형제어기는 시스템이 갖고 있는 비선형 특성들을 모두 고려해서 설계하였다. 압전 작동기로서는 PZT를 사용하였다. 가상변위의 원리와 4절점 사각형 요소를 사용하여 이산화된 비선형 운동방정식을 유도하였으며 제어기 설계를 위해 모달 변환을 통해 상태공간에서의 비선형 연계-모달 방정식으로 변환하였다. 본 논문에서 제안한 비선형 제어기에 의한 제어 결과와 선형모델을 기반으로 한 LQR 제어결과를 Newmark 수치적분법을 통해 시간영역에서 비교하였다.
This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with electro mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are formulated through equations of motions converted into frequency domain. A detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
This paper presents spectral element formulation which approximates Lamb wave propagation by PZT transducers bonded on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by a piezoelectric (PZT) layer rigidly bonded on a base plate. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Euler-Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with the electro-mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are obtained through equations of motions converted into frequency domain. Detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through numerical examples.
Mining, construction, and other special vehicles for heavy use are designed to work under high-performance and off-road working conditions. The driving and executive mechanisms of the support structures and superstructures of these vehicles frequently operate under high loads. Such high loads place the equipment under constant risk of an accident and can jeopardize the dynamic stability of the machinery. An experimental investigation was conducted on a refuse collection vehicle. The aim of this research was to determine the working conditions of a real vehicle: the kinematics of the waste container, that is, a hydraulic rotate drum for waste collection; the dynamics of the load manipulator (superstructure); the vibrations of the vehicle mass; and the strain (stress) of the elements responsible for the supporting structure. For an examination of the force (weight) on the rear axle of a heavy vehicle, caused by its own weight and additional load, a universal measurement system is proposed. As a result of this investigation, we propose an alternative system for continuous vehicle weighing during waste collection while in motion, that is, an on-board weighing system, and provide suggestions for measuring equipment designs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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