Eltaher, Mohamed A.;Omar, Fatema-Alzahraa;Abdraboh, Azza M.;Abdalla, Waleed S.;Alshorbagy, Amal E.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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pp.219-228
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2020
This work presents a modified continuum model to explore and investigate static and vibration behaviors of perforated piezoelectric NEMS structure. The perforated nanostructure is modeled as a thin perforated nanobeam element with Euler-Bernoulli kinematic assumptions. A size scale effect is considered by included a nonlocal constitutive equation of Eringen in differential form. Modifications of geometrical parameters of perforated nanobeams are presented in simplified forms. To satisfy the Maxwell's equation, the distribution of electric potential for the piezoelectric nanobeam model is assumed to be varied as a combination of a cosine and linear functions. Hamilton's principle is exploited to develop mathematical governing equations. Modified numerical finite model is adopted to solve the equation of motion and equilibrium equation. The proposed model is validated with previous respectable work. Numerical investigations are presented to illustrate effects of the number of perforated holes, perforation size, nonlocal parameter, boundary conditions, and external electric voltage on the electro-mechanical behaviors of piezoelectric nanobeams.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.12
s.105
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pp.1408-1415
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2005
Active vibration control of smart hull structure using Macro Fiber Composite (MFC) actuator is performed. Finite element modeling is used to obtain governing equations of motion and boundary effects of end-capped smart hull structure. Equivalent interdigitated electrode model is developed to obtain piezoelectric couplings of MFC actuator. Modal analysis is conducted to investigate the dynamic characteristics of the hull structure, and compared to the results of experimental investigation. MFC actuators are attached where the maximum control performance can be obtained. Active controller based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) theory is designed to suppress vibration of smart hull structure. It is observed that closed loop damping can be improved with suitable weighting factors in the developed LQG controller and structural vibration is controlled effectively.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.217-222
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2005
Active vibration control of smart hull structure using Macro Fiber Composite (MFC) actuator is performed. Finite element modeling is used to obtain governing equations of motion and boundary effects of end-capped smart hull structure. Equivalent interdigitated electrode model is developed to obtain piezoelectric couplings of MFC actuator. Modal analysis is conducted to investigate the dynamic characteristics of the hull structure, and compared to the results of experimental investigation. MFC actuators are attached where the maximum control performance can be obtained. Active controller based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) theory is designed to suppress vibration of smart hull structure. It is observed that closed loop damping can be improved with suitable weighting factors in the developed LQG controller and structural vibration is controlled effectively.
A new piezoceramic $d_{15}$ shear-induced torsion actuation mechanism representative benchmark is proposed and its experimentations and corresponding 3D finite element (FE) simulations are conducted. For this purpose, a long and thin smart sandwich cantilever beam is dimensioned and built so that it can be used later for either validating analytical Saint Venant-type solutions or for analyzing arm or blade-based smart structures and systems applications. The sandwich beam core is formed by two adjacent rows of 8 oppositely axially polarized d15 shear piezoceramic patches, and its faces are dimensionally identical and made of the same glass fiber reinforced polymer composite material. Quasi-static and static experimentations were made using a point laser sensor and a scanning laser vibrometer, while the 3D FE simulations were conducted using the commercial software $ABAQUS^{(R)}$. The measured transverse deflection by both sensors showed strong nonlinear and hysteretic (static only) variation with the actuation voltage, which cannot be caught by the linear 3D FE simulations.
Electromechanical impedance (EMI) based structural health monitoring is performed by measuring the variation in the impedance due to the structural local damage. The impedance signals are acquired from the piezoelectric patches that are bonded on the structural surface. The impedance variation, which is directly related to the mechanical properties of the structure, indicates the presence of local structural damage. Two traditional EMI-based damage detection methods are based on calculating the difference between the measured impedance signals in the frequency domain from the baseline and the current structures. In this paper, a new structural damage detection approach by analyzing the time domain impedance responses is proposed. The measured time domain responses from the piezoelectric transducers will be used for analysis. With the use of the Time Frequency Autoregressive Moving Average (TFARMA) model, a damage index based on Singular Value Decomposition (SVD) is defined to identify the existence of the structural local damage. Experimental studies on a space steel truss bridge model in the laboratory are conducted to verify the proposed approach. Four piezoelectric transducers are attached at different locations and excited by a sweep-frequency signal. The impedance responses at different locations are analyzed with TFARMA model to investigate the effectiveness and performance of the proposed approach. The results demonstrate that the proposed approach is very sensitive and robust in detecting the bolt damage in the gusset plates of steel truss bridges.
This paper features about the modeling and design of a fast output sampling feedback controller for a smart Timoshenko beam system for a SISO case by considering the first 3 vibratory modes. The beam structure is modeled in state space form using FEM technique and the Timoshenko beam theory by dividing the beam into 4 finite elements and placing the piezoelectric sensor/actuator at one location as a collocated pair, i.e., as surface mounted sensor/actuator, say, at FE position 2. State space models are developed for various aspect ratios by considering the shear effects and the axial displacements. The effects of changing the aspect ratio on the master structure is observed and the performance of the designed FOS controller on the beam system is evaluated for vibration control.
This paper deals with damage detection using active Lamb waves. The wavelet transform and empirical mode decomposition methods are discussed for measuring the Lamb wave's arrival time of the group velocity. An experimental system to diagnose the damage in the composite plate is developed. A method to optimize this system is also given for practical applications of active Lamb waves, which involve optimal arrangement of the piezoelectric elements to produce single mode Lamb waves. In the paper, the single mode Lamb wave means that there exists no overlapping among different Lamb wave modes and the original Lamb wave signal with the boundary reflection signals. Based on this optimized PZT arrangement method, five damage localizations on different plates are completed and the results using wavelet transform and empirical mode decomposition methods are compared.
Smart structures are those structure that could adopt some behavior to prevent instability in their responses. The recognition of stability deterioration has been performed through rigid mathematical formulations in control theory and unpredicted results could not be addressed in control systems since they are able to only work under their predefined condition. On the other hand, incorporating all affecting parameters could result in high computational cost and delay time in the response of the systems. Artificial intelligence (AI) method has shown to be a promising methodology not only in the computer science by at everyday life and in engineering problems. In the present study, we exploit the capabilities of artificial intelligence method to obtain frequency response of a smart structure. In this regard, a comprehensive development of equations is presented using Hamilton' principle and first order shear deformation theory. The equations were solved by numerical methods and the results are used to train an artificial neural network (ANN). It is demonstrated that ANN modeling could provide accurate results in comparison to the numerical solutions and it take less time than numerical solution.
Recently, researchers in the field of structural health monitoring (SHM) have been rigorously striving to replace the conventional NDE techniques with the smart material based SHM techniques, employing smart materials such as piezoelectric materials. For instance, the electromechanical impedance (EMI) technique employing piezo-impedance (lead zirconate titanate, PZT) transducer is known for its sensitivity in detecting local damage. For practical applications, various external factors such as fluctuations of temperature and loading, affecting the effectiveness of the EMI technique ought to be understood and compensated. This paper aims at investigating the damage monitoring capability of EMI technique in the presence of axial stress with fixed boundary condition. A compensation technique using effective frequency shift (EFS) by cross-correlation analysis was incorporated to compensate the effect of loading and boundary stiffening. Experimental tests were conducted by inducing damages on lab-sized aluminium beams in the presence of tensile and compressive forces. Two types of damages, crack propagation and bolts loosening were simulated. With EFS for compensation, both cross-correlation coefficient (CC) index and reduction in peak frequency were found to be efficient in characterizing damages in the presence of varying axial loading.
The development of a digital signal processor based prototype is described in relation to continuing efforts for realizing a fully self-contained active sensor system utilizing impedance-based structural health monitoring. The impedance method utilizes a piezoelectric material bonded to the structure under observation to act as both an actuator and sensor. By monitoring the electrical impedance of the piezoelectric material, insights into the health of the structured can be inferred. The active sensing system detailed in this paper interrogates a structure utilizing a self-sensing actuator and a low cost impedance method. Here, all the data processing, storage, and analysis is performed at the sensor location. A wireless transmitter is used to communicate the current status of the structure. With this new low cost, field deployable impedance analyzer, reliance on traditional expensive, bulky, and power consuming impedance analyzers is no longer necessary. A complete power analysis of the prototype is performed to determine the validity of power harvesting being utilized for self-containment of the hardware. Experimental validation of the prototype on a representative structure is also performed and compared to traditional methods of damage detection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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