Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.04a
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pp.423-427
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1997
Recently, distributed piezoelectric actuators have drawn attention due to their potential applicability within smart structures. Because they serve not only as active components but also passive components, it is difficult to estimate their characteristics accurately. In this study a finite element method based on layerwise theory has been formulated to analyze the characteristics of the distributed piezoelectric actuators. The present method has the capability to describe more refined strain distribution and more realistic boundary conditions.
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.
In this paper, the deflection and buckling analyses of porous nano-composite piezoelectric plate reinforced by carbon nanotube (CNT) are studied. The equations of equilibrium using energy method are derived from principle of minimum total potential energy. In the research, the non-local strain gradient theory is employed to consider size dependent effect for porous nanocomposite piezoelectric plate. The effects of material length scale parameter, Eringen's nonlocal parameter, porosity coefficient and aspect ratio on the deflection and critical buckling load are investigated. The results indicate that the effect of porosity coefficient on the increase of the deflection and critical buckling load is greatly higher than the other parameters effect, and size effect including nonlocal parameter and the material length scale parameter have a lower effect on the deflection increase with respect to the porosity coefficient, respectively and vice versa for critical buckling load. Porous nanocomposites are used in various engineering fields such as aerospace, medical industries and water refinery.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.640-643
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2006
In this paper, electro-mechanical coupling of cellulose-based Electro-Active Paper (EAPap) actuator is investigated by measuring induced strain and mechanical properties with and without electric excitation. The maximum induced in-plane strain is measured at the orientation angle of 45? samples. The elastic modulus and strength of EAPap are increased with electric excitation and the orientation angle of $45^{\circ}$ samples shows the largest increment of mechanical properties. From the observations, shear piezoelectricity is considered as the major piezoelectric mode of EAPap.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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1998.06a
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pp.331-334
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1998
The solid solutions of the Pb(Sc$\_$0.5/Nb$\_$0.5/)$\_$0.57/Ti$\_$0.43/O$_3$ system were prepared. In the PSNT system, it had been known that two-phase region between the rhombohedral and tetragonal phases was observed between 0.425 of PT at room temperature. In this paper, Fe$_2$O$_3$-doped 0.57PSN-0.43PT composition was prepared by conventional method. The dielectric and strain properties were examined using an computerized measuring apparatus, and the resonance characteristics were measured using an impedance gain phase analyzer. We got the data of dielectric constant, dielectric loss, piezoelectric coefficient, piezoelectric voltage coefficient, frequency constant strain constant mechanical quality factor and electromechanical coupling factor.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.461-469
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2002
This paper deals with a fully coupled piezoelectric-mechanical assumed strain solid element that can be used for geometric and material nonlinear modeling of thin piezoelectric actuators. Since the assumed strain solid element can alleviate locking, the element is suitable for performance analysis of very thin actuators without locking. A finite element code is developed based on the finite element formulation and validated by solving typical numerical examples such as bimorph and unimorph beams. Using thecode, we have conducted performance analysis for LIPCA actuator. The estimated actuation displacement of LIPCA agrees well with experimental data under low prescribed voltage.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.9
no.2
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pp.18-33
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2008
This paper presents design optimization of a new Active Twist Rotor (ATR) blade and conducts its aeroelastic analysis in forward flight condition. In order to improve a twist actuation performance, the present ATR blade utilizes a single crystal piezoelectric fiber composite actuator and the blade cross-sectional layout is designed through an optimization procedure. The single crystal piezoelectric fiber composite actuator has excellent piezoelectric strain performance when compared with the previous piezoelectric fiber composites such as Active Fiber Composites (AFC) and Macro Fiber Composites (MFC). Further design optimization gives a cross-sectional layout that maximizes the static twist actuation while satisfying various blade design requirements. After the design optimization is completed successfully, an aeroelastic analysis of the present ATR blade in forward flight is conducted to confirm the efficiency in reducing the vibratory loads at both fixed- and rotating-systems. Numerical simulation shows that the present ATR blade utilizing single crystal piezoelectric fiber composites may reduce the vibratory loads significantly even with much lower input-voltage when compared with that used in the previous ATR blade. However, for an application of the present single crystal piezoelectric actuator to a full scaled rotor blade, several issues exist. Difficulty of manufacturing in a large size and severe brittleness in its material characteristics will need to be examined.
This article studies the secondary resonances of a clamped-clamped microresonator under combined electrostatic and piezoelectric actuations. The electrostatic actuation is induced by applying the AC-DC voltage between the microbeam and the electrode plate that lies at the opposite side of the microbeam. The piezoelectric actuation is induced by applying the DC voltage between upper and lower sides of piezoelectric layer. It is assumed that the neutral axis of bending is stretched when the microbeam is deflected. The drift effect of piezoelectric layer (the phenomenon where there is a slow increase of the free strain after the application of a DC field) is neglected. The equations of motion are solved by using the multiple scale perturbation method. The system possesses a subharmonic resonance of order one-half and a superharmonic resonance of order two. It is shown that using the DC piezoelectric actuation, the sensitivity of AC-DC electrostatically actuated microresonator under subharmonic and superharmonic resonances may be tuned. In addition, it is shown that the tuning domain of the microbeam under combined electrostatic and piezoelectric actuations at subharmonic and superharmonic conditions is larger than the tuning domain of microbeam under only the electrostatic actuation.
Dodds, John S.;Meyers, Frederick N.;Loh, Kenneth J.
Smart Structures and Systems
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v.12
no.1
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pp.55-71
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2013
Structural health monitoring (SHM) is vital for detecting the onset of damage and for preventing catastrophic failure of civil infrastructure systems. In particular, piezoelectric transducers have the ability to excite and actively interrogate structures (e.g., using surface waves) while measuring their response for sensing and damage detection. In fact, piezoelectric transducers such as lead zirconate titanate (PZT) and poly(vinylidene fluoride) (PVDF) have been used for various laboratory/field tests and possess significant advantages as compared to visual inspection and vibration-based methods, to name a few. However, PZTs are inherently brittle, and PVDF films do not possess high piezoelectricity, thereby limiting each of these devices to certain specific applications. The objective of this study is to design, characterize, and validate piezoelectric nanocomposites consisting of zinc oxide (ZnO) nanoparticles assembled in a PVDF copolymer matrix for sensing and SHM applications. These films provide greater mechanical flexibility as compared to PZTs, yet possess enhanced piezoelectricity as compared to pristine PVDF copolymers. This study started with spin coating dispersed ZnO- and PVDF-TrFE-based solutions to fabricate the piezoelectric nanocomposites. The concentration of ZnO nanoparticles was varied from 0 to 20 wt.% (in 5 % increments) to determine their influence on bulk film piezoelectricity. Second, their electric polarization responses were obtained for quantifying thin film remnant polarization, which is directly correlated to piezoelectricity. Based on these results, the films were poled (at 50 $MV-m^{-1}$) to permanently align their electrical domains and to enhance their bulk film piezoelectricity. Then, a series of hammer impact tests were conducted, and the voltage generated by poled ZnO-based thin films was compared to commercially poled PVDF copolymer thin films. The hammer impact tests showed comparable results between the prototype and commercial samples, and increasing ZnO content provided enhanced piezoelectric performance. Lastly, the films were further validated for sensing using different energy levels of hammer impact, different distances between the impact locations and the film electrodes, and cantilever free vibration testing for dynamic strain sensing.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2002.11a
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pp.317-321
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2002
Piezoelectric properties of $(Pb_{1-x}Y_x)[(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.15}(Zr_{1/2}Ti_{1/2)})_{0.85}]O_{3}$ (x=0~0.05) ceramics were investigated, The stoichiometric PNN-PZT ceramics required the sintering temperature above $1100^{\circ}C$, but the addition of $Y_{2}O_{3}$ in the PNN-PZT ceramic lowered the sintering temperature down to $1000^{\circ}C$. In case of x=0.005, the electro-mechanical coupling $factor(K_p)$, the piezoelectric $constant(d_{33})$, and the maximum strain ratio of PNN-PZT ceramics sintered at $1000^{\circ}C$ were 53.1%, 395pC/N, and $2200{\times}10^{-6}$ respectively, A 30-layer piezoelectric actuator$(10{\times}10{\times}1.7mm)$ fabricated with the above material showed the maximum strain of $2.09{\mu}m$ under 100V DC bias.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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