This paper focuses on the actuation system combined with a piezoelectric transducer and an electric circuit, which leads to a new insight; the electric actuation system is equivalent to mechanical variable-stiffness actuation systems. By controlling the switch in the circuit, the electric status of the piezoelectric transducer is changed, and consequently a variable-stiffness mechanism is achieved on the electric actuator. This proposed actuator features a shift in the equilibrium point of force, while conventional electrically-induced variable-stiffness actuators feature the variation of the stiffness value. We intensively focus on the equilibrium shift in the actuation system, which has been neglected. The stiffness of the variable-stiffness actuator is periodically modulated by controlling the switch, to suppress the vibration of the system in an open-loop way. It is proved that this electric actuator is equivalent to its mechanical counterpart, and that the electrical version has some practical advantages over the mechanical one. Furthermore, another kind of electrically-induced variable-stiffness actuator, using an energy-recycling mechanism is also discussed from the viewpoint of open-loop vibration control. Extensive numerical simulations provide comprehensive assessment on both electrically-induced variable-stiffness actuators employed for open-loop vibration control.
The present study investigates the employing of piezoelectric patches in active control of a sandwich plate. Indeed, the active control and optimal patch distribution on this structure are presented together. A sandwich plate with honeycomb core and composite reinforced by carbon nanotubes in facesheet layers is considered so that the optimum position of actuator/sensor patches pair is guaranteed to suppress the vibration of sandwich structures. The sandwich panel consists of a search space which is a square of 200 × 200 mm with a numerous number of candidates for the optimum position. Also, different dimension of square and rectangular plates to obtain the optimal placement of piezoelectric actuator/senor patches pair is considered. Based on genetic algorithm and LQR, the optimum position of patches and fitness function is determined, respectively. The present study reveals that the efficiency and performance of LQR control is affected by the optimal placement of the actuator/sensor patches pair to a large extent. It is also shown that an intelligent selection of the parent, repeated genes filtering, and 80% crossover and 20% mutation would increase the convergence of the algorithm. It is noted that a fitness function is achieved by collection actuator/sensor patches pair cost functions in the same position (controllability). It is worth mentioning that the study of the optimal location of actuator/sensor patches pair is carried out for different boundary conditions of a sandwich plate such as simply supported and clamped boundary conditions.
The present paper deals with the nonlinear analysis of the functionally graded piezoelectric (FGP) annular plate with two smart layers as sensor and actuator. The normal pressure is applied on the plate. The geometric nonlinearity is considered in the strain-displacement equations based on Von-Karman assumption. The problem is symmetric due to symmetric loading, boundary conditions and material properties. The radial and transverse displacements are supposed as two dominant components of displacement. The constitutive equations are derived for two sections of the plate, individually. Total energy of the system is evaluated for elastic solid and piezoelectric sections in terms of two components of displacement and electric potential. The response of the system can be obtained using minimization of the energy of system with respect to amplitude of displacements and electric potential. The distribution of all material properties is considered as power function along the thickness direction. Displacement-load and electric potential-load curves verify the nonlinearity nature of the problem. The response of the linear analysis is investigated and compared with those results obtained using the nonlinear analysis. This comparison justifies the necessity of a nonlinear analysis. The distribution of the displacements and electric potential in terms of non homogenous index indicates that these curves converge for small value of piezoelectric thickness with respect to elastic solid thickness.
This paper proposes a quantitative criterion for optimization of actuator placement for the Prestress-Accumulation Release (PAR) strategy of mitigation of vibrations. The PAR strategy is a recently developed semi-active control approach that relies on controlled redistribution of vibration energy into high-order modes, which are high-frequency and thus effectively dissipated by means of the natural mechanisms of material damping. The energy transfer is achieved by a controlled temporary removal of selected structural constraints. This paper considers a short-time decoupling of rotational degrees of freedom in a frame node so that the bending moments temporarily cease to be transferred between the involved beams. We propose and test a quantitative criterion for placement of such actuators. The criterion is based on local modal strain energy that can be released into high-order modes. The numerical time complexity is linear with respect to the number of actuators and potential placements, which facilitates quick analysis in case of large structures.
Based on the general theory of elasticity, the static behavior of 2-2 cement-based piezoelectric curved composites is investigated. The actuator consists of 2 cement layers and 1 piezoelectric layer. Considering the electrode layer between the cement layer and the piezoelectric layer as the elastic layer, the exact solutions of the mechanical and electrical fields of the curved composites are obtained by utilizing the Airy stress function method. Furthermore, the theoretical results are compared with the FEM results and good agreements (with almost no error) are obtained, thus proving the validity of this study. Furthermore, the influence of certain parameters is discussed, which can help to get the desired displacements and stresses. Finally, it is seen that the analytical model established in this paper works well, which could benefit the design of this kind of cement-based smart devices.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.18
no.10
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pp.148-153
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2001
Active control of flexural vibrations of smart laminated composite beams has been carried out using piezoceramic sensor/actuator and viscoelastic material. The beams with passive constrained layer damping hale been analyzed by formulating the equations of motion through the use of extended Hamilton's principle. The dynamic characteristics such as damping ratio and modal damping of the beam are calculated for various fiber orientations by means of iterative complex eigensolution method. This paper addresses a design strategy of laminated composite under flexural vibrations to design structure with maximum possible damping capacity.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.10a
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pp.445-450
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1997
Optimal design of a piezoelectric smart structure is studied for cabin noise control. A cubic shaped acoustic cavity with a flat plate which covers one side is taken as the problem. The sensor signal is returned to the actuator through a negative gain. The acoustic cavity is modeled using the modal approach which represents the pressure fields in the cavity as a sum of mode shapes of the cavity with unknown coefficients. By using orthogonality of the mode shapes of the cavity, finite element equation for the structure with the influence of the acoustic cavity is derived. The objective function is the average pressure at a certain region, so-called silent zone, in the cavity and the design variables are the locations and sizes of the piezoelectric actuator and sensor. The optimal design is performed at several frequencies and the results show a remarkable noise reduction.
In this paper, it is discussed that active noise control in a circular duct using smart foam. Firstly, it is demonstrated that the potential of the conventional smart foam, proposed by Fuller, for active noise control in a duct. Conventional smart foam is not applicable to active noise control in a duct having flow. Thus, this paper presents a ring-type smart foam as an alternative. The ring-type smart foam consists of polyurethane acoustic foam of lining shape and PVDF film embedded in the foam. The embedded PVDF element acts as an actuator to reduce noise at lower frequencies and the foam absorbs noise at higher frequencies. A filtered-x LMS controller is used to minimize the signal from the error microphone. Experiments are executed to reduce broadband and tonal noise.
The purpose of the present study is to develop lightweight and simple smart actuators in order to replace conventional hydraulic/pneumatic actuators, and to apply the developed actuators to the actuation systems of a small unmanned air vehicle. This research describes the procedures of design, manufacturing of the piezo-composite actuator, and the performance evaluation. From the test results of the developed devices, we found the possibility of piezo-composite actuator could be used as a control surface of a small UAV system. We have designed and manufactured two kinds of piezo-composite actuators, unimorph actuator and bimorph actuator. The manufactured actuators were evaluated through the performance testes. It was found that the bimorph type actuator showed more linear angle change for the same excitation voltage variation than unimorph type. It is expected that piezo-composite actuator has a possibility to be used not only as a control surface of small unmanned flying vehicle but also as a control surface actuator of a guided missile fin through the miniaturization of power supply and control system.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.51-54
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2005
Shape memory alloys (SMAs) find many applications in smart composite structural systems as the active components. Their ability to provide a high force and large displacement makes them an excellent candidate for an actuator for controlling the shape of smart structures. In this paper, using a macroscopic model that captures the thermo-mechanical behaviors and the two-way shape memory effect (TWSME) of SMAs smart morphing polymeric composite shell structures like shape-changeable UAV wings is demonstrated and analyzed numerically and experimentally when subjected to various kinds of pressure loads. The controllable shapes of the morphing shells to that thin SMA strip actuator are attached are investigated depending on various phase transformation temperatures. SMA strips start to transform from the martensitic into the austenitic state upon actuation through resistive heating, simultaneously recover the prestrain, and thus cause the shell structures to deform three dimensionally. The behaviors of composite shells attached with SMA strip actuators are analyzed using the finite element methods and 3-D constitutive equations of SMAs. Several morphing composite shell structures are fabricated and their experimental shape changes depending on temperatures are compared to the numerical results. That two results show good correlations indicates the finite element analysis and 3-D constitutive equations are accurate enough to utilize them for the design of smart composite shell structures for various applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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