This paper is concerned with design, manufacturing and performance test of LIPCA ( Lightweight Piezo- composite Curved Actuator) using a top carbon fiber composite layer with near -zero CTE(coefficient of thermal expansion), a middle PZT ceramic wafer and a bottom glass/epoxy layer with high CTE. The main point of this design is to replace the heavy metal layers of THUNDER by thigh tweight fiber reinforced plastic layers without losing capabilities to generate high force and large displacement. It is possible to save weight up to about 30% if we replace the metallic backing material by the light fiber composite layer. We can also have design flexibility by selecting the fiber direction and the size of prepreg layers. In addition to the lightweight advantage and design flexibility, the proposed device can be manufactured without adhesive layers when we use epoxy resin prepreg system. Glass/epoxy prepregs, a ceramic wafer with electrode surfaces, and a graphite/epoxy prepreg were simply stacked and cured at an elevated temperature (177 $^{circ}C$ after following an autoclave bagging process. It was found that the manufactured composite laminate device had a sufficient curvature after detached from a flat mold. The analysis method of the cure curvature of LIPCA using the classical lamination theory is presented. The predicted curvatures are fairly in agreement with the experimental ones. In order to investigate the merits of LIPCA, a performance test of both LIPCA and THUNDE$^{TM}$ were conducted under the same boundary conditions. From the experimental actuation tests, it was observed that the developed actuator could generate larger actuation displacement than THUNDERT$^{TM}$.
Arani, Ali Ghorbanpour;Navi, Borhan Rousta;Mohammadimehr, Mehdi
Steel and Composite Structures
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제41권6호
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pp.805-820
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2021
In this research, the buckling and free vibration of three-phase carbon nanotubes/ fiber/ polymer piezoelectric nanocomposite face sheet sandwich microbeam with microsensor and micro-actuator surrounded in elastic foundation based on modified couple stress theory (MCST) is investigated. Three types of porous materials are considered for sandwich core. Higher order (Reddy) and sinusoidal shear deformation beam theories are employed for the displacement fields. Sinusoidal surface stress effects are extracted for sinusoidal shear deformation beam theory. The equations of motion are derived by Hamilton's principle and then the natural frequency and critical buckling load are obtained by Navier's type solution. The determined results are in good agreement with other literatures. The detailed numerical investigation for various parameters is performed for this microsensor-microactuator. The results reveal that the microsensor-microactuator enhanced by increasing of Skempton coefficient, carbon nanotubes diameter length to thickness ratio, small scale factor, elastic foundation, surface stress constants and reduction in porous coefficient, micro-actuator voltage and CNT weight fraction. The valuable results can be expedient for micro-electro-mechanical (MEMS) and nano-electro-mechanical (NEMS) systems.
This paper is concerned with the experiments on the active vibration control of a plate with piezoceramic sensors and actuators. The natural frequencies of the composite plate featured by a piezo-film sensor and piezo-ceramic actuator are calculated by using the modal analysis method. Modal coordinates are introduced to obtain the state equations of the structural system. Six natural frequencies were considered in the modelling, because robust control theory which has inherent robustness to structured uncertainty is adopted to suppress the transients vibrations of a glass fiber reinforced(GFR) composite beam. A robust controller satisfying the nominal performance and robust performance is designed using robust theory based on the structured singular value. Simulations were carried out with the designed controller and effectiveness of the robust control strategy was verified by results.
The advanced piezoelectric ceramic composite actuator, which is called LIPCA with the FRP and the optimization of the laminate configuration, was performed to maximize the stress transfer and the fiber bridging effect. This study evaluated the effect of variable electric fields on the PZT characteristic, laminate configuration and fatigue characteristics under the resonance frequency, which meant the largest performance range and the changes of its interlaminar phase were also evaluated by stages. In conclusions, Comparing with the fatigue lift of intact LIPCA, the fatigue life of LIPCA embedded by the artificial delamination was decreased up to 50%. The micro void growth and the coalescence of epoxy were actively made at the interlaminar phase subject to the large tensile stress.
Novel design of interdigitated electrodes capable of increasing the performance of piezoelectric transducers are proposed. The new electrodes' geometry improve the electromechanical coupling by offering an enhanced adaptation of the electric field to the interdigitated electrode configuration. The proposed analysis is based on finite element modeling and takes into account local polarization effect. It is shown that the proposed electrodes considerably increase the strain generation compared to flat electrode arrangement used for Macro Fiber Composite (MFC) and Active Fiber Composite (AFC) actuators. Also, electric field singularities are reduced allowing better reliability of the transducer against electric failure.
This work presents an active vibration control of a stiffened hull structure using a flexible macro fiber composite (MFC) actuator. As first step, the governing equation of the hull structure is derived in a matrix form and its dynamic characteristics such as natural frequency are obtained via a finite element analysis (FEA). The natural frequencies obtained from the FEA are compared with those determined from experimental measurement. After formulating the control model in a state space representation, an optimal controller is designed in order to attenuate the vibration of the stiffened hull structure. The controller is then empirically realized through dSPACE and control responses are evaluated in time domain.
This work presents an active vibration control of a stiffened hull structure using a flexible macro fiber composite(MFC) actuator. As first step, the governing equation of the hull structure is derived in a matrix form and its dynamic characteristics such as natural frequency are obtained via a finite element analysis(FEA). The natural frequencies obtained from the FEA are compared with those determined from experimental measurement. After formulating the control model in a state space representation, an optimal controller is designed in order to attenuate the vibration of the stiffened hull structure. The controller is then empirically realized through dSPACE and control responses are evaluated in time domain.
Dwarakanathan, D.;Ramkumar, R.;Raja, S.;Rao, P. Siva Subba
Advances in aircraft and spacecraft science
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제2권3호
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pp.303-328
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2015
A design methodology is presented to develop the hingeless control surfaces for MAV using adhesively bonded Macro Fiber Composite (MFC) actuators. These actuators have got the capability to deflect the trailing edge surfaces of the wing to attain the required maneuverability, besides achieving the set aerodynamic trim condition. A scheme involving design, analysis, fabrication and testing procedure has been adopted to realize the trailing edge morphing mechanism. The stiffness distribution of the composite MAV wing is tailored such that the induced deflection by piezoelectric actuation is approximately optimized. Through ground testing, the proposed concept has been demonstrated on a typical MAV structure. Electromechanical analysis is performed to evaluate the actuator performance and subsequently aeroelastic and 2D CFD analyses are carried out to see the functional requirements of wing trailing edge surfaces to behave as elevons. Efforts have been made to obtain the performance comparison of conventional control surfaces (elevons) with morphing wing trailing edge surfaces. A significant improvement in lift to drag ratio is noticed with morphed wing configuration in comparison to conventional wing. Further, it has been shown that the morphed wing trailing edge surfaces can be deployed as elevons for aerodynamic trim applications.
본 연구에서는 새의 날개운동을 모사하기 위하여 스마트 재료를 이용한 플래핑 날개를 설계 및 제작하였다. 날개는 복합재료 프레임과 유연한 PVC 표피 그리고 표면 작동기로 구성되어 있으며, 주요 날개운동으로서 날갯짓, 비틀림 그리고 캠버 운동을 선정하였다. 날개의 캠버를 변화시키기 위하여 Macro-Fiber Composite를 표면작동기로서 적용하였으며, 압전-열 관계식을 이용하여 MFC의 구조 응답을 해석하였다. 양력과 추력을 동시에 측정하기 위하여 두개의 로드셀로 구성된 시험대를 제작하였으며, 공기역학적 특성을 평가하기 위하여 풍동실험을 수행하였다. 실험결과로부터 주요 양력은 기체의 전진속도와 피치각에 의존되며, 추력은 날갯짓 주파수에 의존됨을 확인하였다. 또한 MFC 작동기를 이용한 캠버효과를 통하여 정적조건에서 24.4%와 동적조건에서 20.8%의 충분한 양력증가를 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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