In piezoelectric flexible structures, the contribution of vibration modes to the dynamic response of system may change with the location of piezoelectric actuator patches, which means that the ability of actuators to control vibration modes should be taken into account in the development of modal reduction model. The spatial $H_2$ norm of modes, which serves as a measure of the intensity of modes to system dynamical response, is used to pick up the modes included in the reduction model. Based on the reduction model, the paper develops the state-space representation for uncertain flexible tructures with piezoelectric material as non-collocated actuators/sensors in the modal space, taking into account uncertainties due to modal parameters variation and unmodeled residual modes. In order to suppress the vibration of the structure, a dynamic output feedback control law is designed by imultaneously considering the conflicting performance specifications, such as robust stability, transient response requirement, disturbance rejection, actuator saturation constraints. Based on linear matrix inequality, the vibration control design is converted into a linear convex optimization problem. The simulation results show how the influence of vibration modes on the dynamical response of structure varies with the location of piezoelectric actuators, why the uncertainties should be considered in the reductiom model to avoid exciting high-frequency modes in the non-collcated vibration control, and the possiblity that the conflicting performance specifications are dealt with simultaneously.
In order to reduce vibration or to control shape of structures made of metal or composites, piezoelectric materials have been extensively used since their discovery in 1880's. A recent trend is also seen to apply piezoelectric materials to flexible structures made of rubber-like materials. In this paper a non-linear finite element model using updated Lagrangian (UL) approach has been developed for static analysis of rubber-elastic material with surface-bonded piezoelectric patches. A compressible stain energy function has been used for modeling the rubber as hyperelastic material. For formulation of the nonlinear finite element model a twenty-node brick element is used. Four degrees of freedom u, v and w and electrical potential ${\varphi}$ per node are considered as the field variables. PVDF (polyvinylidene fluoride) patches are applied as sensors/actuators or sensors and actuators. The present model has been applied to bimorph PVDF cantilever beam to validate the formulation. It is then applied to study the smart rubber components under different boundary and loading conditions. The results predicted by the present formulation are compared with the analytical solutions as well as the available published results. Some results are given as new ones as no published solutions available in the literatures to the best of the authors' knowledge.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1994.10a
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pp.397-401
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1994
This paper proposes an identification method for a thin plate where multiple actuators and sensors are bonded. Since a thin plate has small damping ratios of all modes, each mode can be identified seperately with a bandpass filter for each modal signal. With the bandpass filter and the characteristics of the plate, the Multi-Input Multi-Output (MIMO) model of the plate can be converted to several Multi-Input Single-Output(MISO) models of second order linear difference equations of the modes. Parameters for each mode are obtained by using the Least Square method. Form there MISO models, the MIMO model is obtained in the form of the state space. Experiments were performed for an all-clamped plate with two pairs of piezoelectric actuators and sensors. The outputs of the identified model and the experimental data match well.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1995.04b
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pp.320-325
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1995
This study deals with the active vibration control system for an all-clamped rectangular plate with piezoceramic actuators and sensors. A line nonent algorithm (LMA) with the distributed modal sensitivity(DMS) is proposed to reduce the structural vibrations effectively and to select the optimal locations and the optimal directions (skewed angles) of uniform piezoelectric actuators or sensors. Experimental results show that eachmode can attenuated byabout 10 .approx. 13 dB in case a piezoelectric actuator generate the psuedo-random disturbances that excite the plate modes.
A ferroelectric (called piezoelectric afterwards) wafer has been widely used as a key component of actuators or sensors of a layer type. According to recent researches, the piezoelectric wafer behaves in a nonlinear way under excessive electro-mechanical loadings. In the present paper, one-dimensional constitutive equations for the nonlinear behavior of a piezoelectric wafer are proposed based on the principles of thermodynamics and a simple viscoplasticity theory. The predictions of the developed model are compared with experimental observations.
Hyoung-Su Han;Trang An Duong;Chang Won Ahn;Byeong Woo Kim;Jae-Shin Lee
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.36
no.5
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pp.433-441
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2023
Piezoelectric ceramics play an important role in electrical and electronic devices such as sensors, actuators, and microelectronic devices. However, traditional ceramics are difficult to be used in various process industries due to their high brittleness and low flexibility. Therefore, piezoelectric paint sensors have been designed for application to the curved surfaces of complicated structures. Furthermore, recently, significant attention has been focused on the development of paint sensors that can be used as structure health monitoring sensors for vibration, impact, and acoustic emission. Several studies have successfully demonstrated the possibility that smart paint sensors can take the place of traditional ceramic sensors. In this review, we briefly introduce the concept of the piezoelectric paint sensors and the expected application field as well as their preparation and history.
In this paper, a new three-dimensional piezoelectric thin shell element containing an integrated distributed piezoelectric sensor and actuator is proposed. The distributed piezoelectric sensor layer monitors the structural shape deformation due to the direct effect and the distributed actuator layer suppresses the deflection via the converse piezoelectric effect. A finite element formulation is presented for static response of laminated shell with piezoelectric sensors/actuators. An eight-node and forty-DOF shell element is built. The performance of the shell elements is improved by reduced integration technique. The static shape control of structure is derived. The shell element is verified by calculating piezoelectric polymeric PVDF bimorph beam. The results agreed with those obtained by theoretical analysis, Tzou and Tseng (1990) and Hwang and Park (1993) fairly well. At last, the static shape control of a paraboloidal antenna is presented.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1994.10a
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pp.121-128
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1994
A layerwise theory for the dynamic response of a laminated composite plate with integrated piezoelectric actuators and sensors subjected to both mechanical and electrical loadings is proposed. The formulation is derived form the variational principle with consideration for both total potential energy of the structures and the electrical potential energy of the piezoceramics. The governing equations of the present theory account for direct and converse effects of piezoelectrics, and layerwise variation of displacement field through the thickness of a laminate.
Optical fiber sensors have been proven that they have the potential to detect high-frequency ultrasonic signals, in structural health monitoring field which generally refers to acoustic emission signals from active structural damages and guided waves excited by ultrasonic actuators and propagating in waveguide. In this work, the sensing properties of optical fiber sensors based on Mach-Zehnder interferometer were investigated in the metal plate. Analytical formulas were conducted first to explore the parameters affecting its sensing performances. Due to the simple and definable frequency component, the Lamb wave excited by the piezoelectric wafer was employed to study the sensitivity of the proposed optical fiber sensors with respect to the frequency, rather than the acoustic emission signals. In the experiments, according to above investigations, spiral shape optical fiber sensors with different size were selected to increase their sensitivity. Lamb waves were excited by a circular piezoelectric wafer, while another piezoelectric wafer was used to compare their voltage responses. Furthermore, by changing the excitation frequency, the tuning frequency characteristic of the proposed optical fiber sensor was also investigated experimentally.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.11
no.4
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pp.266-284
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2010
Piezoelectric materials have become the most attractive functional materials for sensors and actuators in smart structures because they can directly convert mechanical energy to electrical energy and vise versa. They have excellent electromechanical coupling characteristics and excellent frequency response. In this article, the research activities and achievements on the applications of piezoelectric materials in smart structures in China, including vibration control, noise control, energy harvesting, structural health monitoring, and hysteresis control, are introduced. Special attention is given to the introduction of semi-active vibration suppression based on a synchronized switching technique and piezoelectric fibers with metal cores for health monitoring. Such mechanisms are relatively new and possess great potential for future applications in aerospace engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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