Active control of solar panels with honeycomb core and carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) facesheets for smart structures using piezoelectric patch sensor and actuator to reduce the amplitude of vibration is a lack of the previous study and it is the novelty of this research. Of active control elements are piezoelectric patches which act as sensors and actuators in many systems. Their low power consumption is worth mentioning. Thus, deriving a simple and efficient model of piezoelectric patch's elastic, electrical, and elastoelectric properties would be of much significance. In the present study, first, to reduce vibrations in composite plates reinforced by carbon nanotubes, motion equations were obtained by the extended rule of mixture. Second, to simulate the equations of the system, up to 36 mode shape vectors were considered so that the stress strain behavior of the panel and extent of displacement are thoroughly evaluated. Then, to have a more acceptable analysis, the effects of external disturbances (Aerodynamic forces) and lumped mass are investigated on the stability of the system. Finally, elastoelectric effects are examined in piezoelectric patches. The results of the present research can be used for micro-vibration suppression in satellites such as solar panels, space telescopes, and interferometers and also to optimize active control panel for various applications.
Dynamic behavior of piezoelectric ZnO nanowires is investigated using finite element analyses (FEA) on FE models constructed based on previous experimental observations in which nanowires having aspect ratios of 1:2. 1:31, and 1:57 are obtained during a hydrothermal process. Modal analyses predict that nanowires will vibrate in lateral bending, uniaxial elongation/contraction, and twisting (torsion), respectively, for the three ratios. The natural frequency for each vibration mode varies depending on the aspect ratio, while the frequencies are in a range of 7.233 MHz to 3.393 GHz. Subsequent transient response analysis predicts that the nanowires will behave quasi-statically within the load frequency range below 10 MHz, implying that the ZnO nanowires have application potentials as structural members of electromechanical systems including nano piezoelectric generators and piezoelectric dynamic strain sensors. When an electric pulse signal is simulated, it is predicted that the nanowires will deform in accordance with the electric signal. Once the electric signal is removed, the nanowires exhibit a specific resonance-like vibration, with the frequency synchronized to the signal frequency. These predictions indicate that the nanowires have additional application potential as piezoelectric actuators and resonators.
A micro positioning system using piezoelectric actuators have very wide application region such as ultra-precision machine tool, optical device, measurement systen. In order ro keep a high precision displacement resolution, they use a position sensor and feedback the error. From the practical point of view, a high-resolution displacement sensor system are very expensive and difficult to guarantee such sensitive sensors work properly in the hard opera- tion environment of industry. In this study, a micro-positioning grinding table which does not require position sensor but uses piezoelectric voltage feedback, has been developed. It is driven by hystersis-considering reference input voltage which calculated from computer and then uses actuator/sensor characteristics of piezoelectric materials. From the result of experiments we proved a fast and stable response of micro-positioning system and suggested efficient technique to control the piezoelectric actuator. And through grinding experiments, it is revealed that a characteristics of ground surfaces transient to plastic deformation as extremely small depth of grinding.
Energy harvesting technology, which converts wasted energy sources in everyday life into usable electric energy, is gaining attention as a solution to the challenges of charging and managing batteries for the driving of IoT sensors, which are one of the key technologies in the era of the fourth industrial revolution. Hybrid energy harvesting technology involves integrating two or more energy harvesting technologies to generate electric energy from multiple energy conversion mechanisms. In this study, a hybrid energy harvesting device called TMPPEG (thermo-magneto-piezoelectric-pyroelectric energy generator), which utilizes low-grade waste heat, was developed by incorporating PVDF polymer piezoelectric components and optimizing the system. The variations in piezoelectric output and thermoelectric output were examined based on the spacing of the clamps, and it was found that the device exhibited the highest energy output when the clamp spacing was 2 mm. The voltage and energy output characteristics of the TMPPEG were evaluated, demonstrating its potential as an efficient hybrid energy harvesting component that effectively harnesses low-grade waste heat.
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.
At-cut quartz crystal has been applied as chemical vapour sensors. The responses of quartz crystal at 9 MHz coated with phosphatidylglycerol(PG), phosphatidylinositol(PI), phosphatidylethanolamine(PE), phosphatidylserine(PS), and lipid A(LA) are determined for amyl acetate, acetoin, menthone and other organic gases which showed different affinities for each lipid. The identification of odorants depending on the species of lipid used for coating is discussed in terms of the normalized resonant frequency shift pattern.
This paper describes the application of a coupled finite element-boundary element method (FE-BEM) to obtain the steady-state response of a piezoelectric transducer. The particular structure considered is a PZT4 disc-typed projector. The projector is three-dimensionally simulated to transduce applied electric charge on axial surfaces of the piezoelectric disc to acoustic pressure in air or in water. The directivity pattern of the acoustic field formed from the projected sound pressure is also simulated. And the displacement of the disc caused by the externally applied electric charge is shown in temporal motion. The coupled FE-BE method is described in detail.
Recently, the structural failures due to fatigue occur frequently with the increase of size of ships and offshore structures. In this respect, the assessment of fatigue life and the residual strength are very important. Currently, the smart materials technology has demonstrated a variety of possibilities for a diagnosis of structural strength and structural health condition for large structures. The benefits and feature of the MFC sensor are more flexible, durable and reliable than conventional smart material. In this study, Micro Fiber Composite (MFC) sensor for the measurement of stress intensity factor (SIF) of two dimensional cracks induced in a structure is developed. Two MFC sensors are placed in the vicinity of the crack tip close to each other with the crack tip in between them. The SIFs of Mode I($K_I$) as well as of Mode II($K_{II}$) based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. In this study, the SIF values measured by MFC sensors are compared with the theoretical results and measured value.
Piezoelectric energy harvesting has attracted increasing attention over the last decade as a means for generating sustainable and long-lasting energy from wasted mechanical energy. To develop self-powered wearable devices, piezoelectric materials should be flexible, stretchable, and bio-eco-friendly. This study proposed the fabrication of stretchable piezoelectric composites via dispersing perovskite-structured BaTiO3 nanoparticles inside an Ecoflex polymeric matrix. In particular, the stretchable piezoelectric sensor array was fabricated via a simple and cost-effective spin-coating process by exploiting the piezoelectric composite comprising of BaTiO3 nanoparticles, Ecoflex matrix, and stretchable Ag coated textile electrodes. The fabricated sensor generated an output voltage of ~4.3 V under repeated compressing deformations. Moreover, the piezoelectric sensor array exhibited robust mechanical stability during mechanical pushing of ~5,000 cycles. Finite element method with multiphysics COMSOL simulation program was employed to support the experimental output performance of the fabricated device. Finally, the stretchable piezoelectric sensor array can be used as a self-powered touch sensor that can effectively detect and distinguish mechanical stimuli, such as pressing by a human finger. The fabricated sensor demonstrated potential to be used in a stretchable, lead-free, and scalable piezoelectric sensor array.
압전필름센서는 우수한 동적 감지 특성을 갖고 있어 복합재 구조의 저속충격을 모니터링하는데 유용하게 사용될 수 있다. 복합재 샌드위치 보에 대한 충격응답함수를 유도하였으며, 이를 충격시험와 비교하였따. 충격시험은 손상이 발생하지 않는 저에너지 조건에서 계측장치가 부착된 낙하식 충격시험기를 이용하여 수행하였다. 충격하중에 으한 샌드위치보의 거동을 예측하는 정방향 문제와 압전필름센서 신호로부터 충격력을 복원하는 역방향 문제에서 시험과 해석의 결과는 잘 일치하였다. 본 연구를 통하여 압전필름센서를 이용한 복합재 샌드위치 구조의 저속충격 모니터링 가능성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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