This research is concerned with the modeling technique and active vibration controller design for slewing smart structures. When cantilever beam rotates about axes perpendicular to the undeformed beam's longitudinal axis, it experiences inertial loading. Hence, the beam vibrates from the initial stage of slewing, In this paper, the analytical model for a single slewing flexible beam with surface bonded piezoelectric sensor and actuator is developed using the Hamilton's principle with discretization by the assumed mode method. It is found from experiments that the theoretical model lacks the frictional effect. The frictional effect is incorporated into the equations of motion by employing the coupling factor. Theoretical and experimental results show problems arising in modeling and controller design.
This paper presents numerical and experimental results on the use of guided waves for structural health monitoring (SHM) of crack growth during a fatigue test in a thick steel plate used for civil engineering application. Numerical simulation, analytical modeling, and experimental tests are used to prove that piezoelectric wafer active sensor (PWAS) can perform active SHM using guided wave pitch-catch method and passive SHM using acoustic emission (AE). AE simulation was performed with the multi-physic FEM (MP-FEM) approach. The MP-FEM approach permits that the output variables to be expressed directly in electric terms while the two-ways electromechanical conversion is done internally in the MP-FEM formulation. The AE event was simulated as a pulse of defined duration and amplitude. The electrical signal measured at a PWAS receiver was simulated. Experimental tests were performed with PWAS transducers acting as passive receivers of AE signals. An AE source was simulated using 0.5-mm pencil lead breaks. The PWAS transducers were able to pick up AE signal with good strength. Subsequently, PWAS transducers and traditional AE transducer were applied to a 12.7-mm CT specimen subjected to accelerated fatigue testing. Active sensing in pitch catch mode on the CT specimen was applied between the PWAS transducers pairs. Damage indexes were calculated and correlated with actual crack growth. The paper finishes with conclusions and suggestions for further work.
The buckling analysis of the embedded sinusoidal piezoelectric beam is evaluated using numerical method. The smart beam is subjected to external voltage in the thickness direction. Elastic medium is simulated with two parameters of spring and shear. The structure is modelled by sinusoidal shear deformation theory (SSDT) and utilizing energy method, the final governing equations are derived on the basis of piezo-elasticity theory. In order to obtaining the buckling load, the differential quadrature method (DQM) is used. The obtained results are validated with other published works. The effects of beam length and thickness, elastic medium, boundary condition and external voltage are shown on the buckling load of the structure. Numerical results show that with enhancing the beam length, the buckling load is decreased. In addition, applying negative voltage, improves the buckling load of the smart beam.
Kim, Dong-Chan;Choi, Hyeung-Sik;Her, Jae-Gwan;You, Sam-Sang
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제32권3호
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pp.437-445
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2008
This paper deals with the experimental assessment of the vibration suppression of the smart structures. First. we have presented a new high-speed active control system using the DSP320C6713 microprocessor. A peripheral system developed is composed of a data acquisition system, N/D and D/A converters, piezoelectric (PZT) actuator/sensors, and drivers for fast data processing. Next, we have tested the processing time of the peripheral devices, and provided the corresponding test results. Since fast data processing is very important in the active vibration control of the structures, we have focused on achieving the fast loop times of the control system. Finally, numerous experiments were carried out on the aluminum plate to validate the superior performance of the vibration control system at different control loop times.
For the long-term structural health monitoring of civil structures, the effect of ambient temperature variation has been regarded as one of the critical issues. In this study, a principal component analysis (PCA)-based algorithm is proposed to filter out temperature effects on electromechanical impedance (EMI) monitoring of prestressed tendon anchorages. Firstly, the EMI monitoring via a piezoelectric interface device is described for prestress-loss detection in the tendon anchorage system. Secondly, the PCA-based temperature filtering algorithm tailored to the EMI monitoring of the prestressed tendon anchorage is outlined. The proposed algorithm utilizes the damage-sensitive features obtained from sub-ranges of the EMI data to establish the PCA-based filter model. Finally, the feasibility of the PCA-based algorithm is experimentally evaluated by distinguishing temperature changes from prestress-loss events in a prestressed concrete girder. The accuracy of the prestress-loss detection results is discussed with respect to the EMI features before and after the temperature filtering.
Accurate sensing of mechanical strains in civil structures is critical for optimizing structure reliability and lifetime. For instance, combined with intelligent control systems, electromechanical sensor output feedback has the potential to be employed for nondestructive damage evaluation. Application of Ionic Polymer Transducers (IPTs) represents a relatively new sensing approach with more than an order of magnitude higher sensitivity than traditional piezoelectric sensors. The primary reason this sensor has not been widely used to date is an inadequate understanding of the physics responsible for IPT sensing. This paper presents models and experiments defending the hypothesis of a streaming potential sensing mechanism.
A novel impact localization method is presented based on impact induced elastic waves in sensorized composite structure subjected to temperature fluctuations. In real practices, environmental and operational conditions influence the acquired signals and consequently make the feature (particularly Time of Arrival (TOA)) extraction process, complicated and troublesome. To overcome this complication, a robust TOA estimation method is proposed based on the times in which the absolute amplitude of the signal reaches to a specific amplitude value. The presented method requires prior knowledge about the normalized wave velocity in different directions of propagation. To this aim, a finite element model of the plate was built in ABAQUS/CAE. The impact location is then highlighted by calculating an error value at different points of the structure. The efficiency of the developed impact localization technique is experimentally evaluated by dropping steel balls with different energies on a carbon fiber composite plate with different temperatures. It is demonstrated that the developed technique is able to localize impacts with different energies even in the presence of noise and temperature fluctuations.
Eyvazian, Arameh;Hamouda, Abdel Magid;Tarlochan, Faris;Mohsenizadeh, Saeid;Dastjerdi, Ali Ahmadi
Steel and Composite Structures
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제33권6호
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pp.891-906
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2019
This study considers the instability behavior of sandwich plates considering magnetorheological (MR) fluid core and piezoelectric reinforced facesheets. As facesheets at the top and bottom of structure have piezoelectric properties they are subjected to 3D electric field therefore they can be used as actuator and sensor, respectively and in order to control the vibration responses and loss factor of the structure a proportional-derivative (PD) controller is applied. Furthermore, Halpin-Tsai model is used to determine the material properties of facesheets which are reinforced by graphene platelets (GPLs). Moreover, because the core has magnetic property, it is exposed to magnetic field. In addition, Kelvin-Voigt theory is applied to calculate the structural damping of the piezoelectric layers. In order to consider environmental forces applied to structure, the visco-Pasternak model is assumed. In order to consider the mechanical behavior of structure, sinusoidal shear deformation theory (SSDT) is assumed and Hamilton's principle according to piezoelasticity theory is employed to calculate motion equations and these equations are solved based on differential cubature method (DCM) to obtain the vibration and modal loss factor of the structure subsequently. The effect of different factors such as GPLs distribution, dimensions of structure, electro-magnetic field, damping of structure, viscoelastic environment and boundary conditions of the structure on the vibration and loss factor of the system are considered. In order to indicate the accuracy of the obtained results, the results are validated with other published work. It is concluded from results that exposing magnetic field to the MR fluid core has positive effect on the behavior of the system.
Among anti-seismic technologies, base isolation is a very effective means of mitigating damage to structural and nonstructural components, such as equipment. However, most seismic isolation systems are designed for mitigating only horizontal seismic responses because the realization of a vertical isolation system (VIS) is difficult. The difficulty is primarily due to conflicting isolation stiffness demands in the static and dynamic states for a VIS, which requires sufficient rigidity to support the self-weight of the isolated object in the static state, but sufficient flexibility to lengthen the isolation period and uncouple the ground motion in the dynamic state. To overcome this problem, a semi-active VIS, called the piezoelectric inertia-type vertical isolation system (PIVIS), is proposed in this study. PIVIS is composed of a piezoelectric friction damper (PFD) and a leverage mechanism with a counterweight. The counterweight provides an uplifting force in the static state and an extra inertial force in the dynamic state; therefore, the effective vertical stiffness of PIVIS is higher in the static state and lower in the dynamic state. The PFD provides a controllable friction force for PIVIS to further prevent its excessive displacement. For experimental verification, a shaking table test was conducted on a prototype PIVIS controlled by a simple controller. The experimental results well agree with the theoretical results. To further investigate the isolation performance of PIVIS, the seismic responses of PIVIS were simulated numerically by considering 14 vertical ground motions with different characteristics. The responses of PIVIS were compared with those of a traditional VIS and a passive system (PIVIS without control). The numerical results demonstrate that compared with the traditional and passive systems, PIVIS can effectively suppress isolation displacement in all kinds of earthquake with various peak ground accelerations and frequency content while maintaining its isolation efficiency. The proposed system is particularly effective for near-fault earthquakes with long-period components, for which it prevents resonant-like motion.
Mishra, Kaushik;Panda, Subrata K.;Kumar, Vikash;Dewangan, Hukum Chand
Smart Structures and Systems
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제26권3호
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pp.391-401
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2020
The present article reports the feasibility of the electrical energy generation from ambient low-frequency vibration using a piezoelectric material mounted on a bimorph cantilever beam actuator. A corresponding higher-order analytical model is developed using MATLAB in conjunction with finite element method under low-frequency with both damped and undamped conditions. An alternate model is also developed to check the material and dimensional viability of both piezoelectric materials (mainly focussed to PVDF and PZT) and the base material. Also, Genetic Algorithm is implemented to find the optimum dimensions which can produce the higher values of voltage at low-frequency frequencies (≤ 100 Hz). The delamination constraints are employed to avoid inter-laminar stresses and to increase the fracture toughness. The delamination has been done using a Teflon sheet sandwiched in between base plates and the piezo material is stuck to the base plate using adhesives. The analytical model is tested for both homogenous and isotropic material characteristics of the base material and extended to investigate the effect of the different geometrical parameters (base plate dimensions, piezo layer dimensions and placement, delamination thickness and placement, excitation frequency) on the model responses of the bimorph cantilever beam. It has been observed that when the base material characteristics are homogenous, the efficiency of the model remains higher when compared to the condition when it is of isotropic material. The necessary convergence behaviour of the current numerical model has been established and checked for the accuracy by comparing with available published results. Finally, using the results obtained from the model, a prototype is fabricated for the experimental validation via a suitable circuit considering Glass fibre and Aluminium as the bimorph material.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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