This paper presents the position tracking control of a laser scanning mirror system in which piezoelectic actuator is incorporated. Using the shear mode of the piezoelectric actuator,angular oscillation of a laser scanning mirror is derived. Torsion bar is rhen designed and attached to the piezoelctric actuator in order to magnify the amplitude generated by the actuator. Finite element modeling and analysis are essntial for designing the piezoelectic actuator. The torsional resonance mode of the piezoelectric actuator is found from the model analysis of the actuator and the mechanical shear is matched with the driving frequency. Transfer function between the electrical excitation and the mechanical shear deformation at resonance frequency is found form the response of the actuator calculated by the finite element analysis and the governing equation of the system is derived from d'Alembert's principle. Tracking control performance for desired trajectory which is, in fact, sinusoidal curve is presented in order to demonstrate the validity of the proposed system.
This paper reports the numerical results for blood flow of the sac squeezed by moving actuator in the TPLS(Twin Pulse Life Support System). Blood flow in the sac is assumed to be 3-dimensional unsteady newtonian fluid. where the blood flow interacts with the sac, which is activated by the moving actuator. The flow field is simulated numerically by using the FEM code, ADINA. It is well known that hemolysis is closely related to shear stress acted on blood flow. According to this fact, we simulate four models with different speed for moving actuator and examine the distribution of shear stress for each model. Numerical results show that maximum shear stress is strongly dependent on the actuator speed.
In this paper, a new type of pi+ezoelectric stepping motor is designed, manufactured and tested. This motor is composed of piezoelectric torsional actuator and a pair of one-way clutch bearings. The torsional actuator consists of 16-polygonal tube of piezoceramic that can produce an angular displacement associated with shear mode. One-way clutch bearing converts oscillation of torsional actuator into a continuous stepping rotation. The proposed stepping motor does not require any conversion mechanism for stepping motion like any other motors. In the design process, the shear resonance mode of piezoelectric actuator is analyzed by using a commercial finite element analysis program, and the performance of the fabricated torsional actuator is measured. $0.124^{\circ}$ of maximum angular displacement is measured in square wave excitation on the actuator only. The stepping motor is manufactured by assembling a pair of one-way clutch bearings and the torsional actuator. The maximum rotation speed of 72rpm and the blocking torque of 3.136 mNm are measured at 3540 Hz and 100V/mm. Once the proposed piezoelectric stepping motor is miniaturized, it can be used for many compact and precise moving applications.
A miniature shear testing machine was designed and developed, adopting a piezoelectric actuator with mechanical advantage using 4 levers in order to investigate shear behavior of a small solder ball. The final output displacement was initially expected to be 2.88 mm without load resistance, considering the lever ratio of 24 and the piezo displacement of 0.12 mm with an exciting voltage of 10 V. However, the final plunger displacement ${\Delta}{\upsilon}$ can be expected as ${\Delta}{\upsilon}=2.88-3.04{\times}10^{-4}F$ as a function of piezoelectric force F due to the stiffness of various levers and connectors and piezo actuator. The shear behavior of lead-free solder ball in diameter of $760{\mu}m$ was successfully investigated in a speed range of 2 mm/s~0.0035 mm/s using this designed device.
In this paper, A new type of piezoelectric step motor using piezoelectric torsional actuator and a pair of one-way clutch bearing is designed, manufactured and tested. The torsional actuator consists of 16-polygonal tube that can produce angular displacement using shear mode of piezoceramic. One-way clutch bearing convert oscillation of torsional actuator into continuous rotation. After performance testing of torsional actuator, the optimum condition for driving motor is investigated in terms of wave shape, excitation frequency and electrical field. The performance of the motor is experimentally evaluated. As a result, square wave has larger rotation speed than sin wave, and the maximum rotation speed of 57 rpm is measured at 3850 Hz and 100V/mm.
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.
Hemodynamics of the TPLS(Twin Pulse Life Support System) is numerically investigated to delineate the possibility of hemolysis in blood. Computational method employing finite element algorithm is utilized to solve the blood flow of the sac squeezed by moving actuator. We assume that the blood flow interacts with the sac material which is activated by the rigid body motion of the actuator. Valve dynamics at the ends of the sac is simplified as on/off type motion. We compute the transient viscous flow in the two-dimensional geometry of the blood sac. Incompressible laminar flow is simulated on the assumption of Newtonian fluid. Blood velocity has a step gradient near the throat of the sac formed by the moving actuator. According to the decrease of the gap size of blood passage, the magnitude of shear stress in the blood is dramatically increased. Numerical solutions show that the maximum value of shear stress in the blood flow in TPLS is relatively smaller than that of the roller type ECLS.
This paper presents the fabrication of inchworm motor for high precision actuator system of large displacement and high force. The inchworm motor consists of a extend actuator that provides displacement of tool guide and two clamping actuators which provide the holding force. In order to avoid the PZT fracture, design of pre-load housing was conducted by flexure hinge structure, because PZT actuator has low tensile and shear. To design the pre-load housing and optimize the clamping mechanism, the static and dynamic analysis were conducted by finite element method. From these results, a prototype of the inchworm motor was fabricated and dynamic characteristic with respect to the various frequency was tested. The maximum velocity of the inchworm motor was $41.1{\mu}m/s$ at 16Hz.
The present work pays emphasis on investigating the effect of different types of debonding on the bending behaviour of active sandwich beam, consisting of both extension and shear actuators. An active sandwich beam finite element is formulated by using Timoshenko's beam theory, characterized by first order shear deformation for the core and Euler-Bernoulli's beam theory for the top and bottom faces. The problem of debondings of extension actuator and face are dealt with by employing four-region model for inner debonding and three-region model for the edge debonding respectively. Displacement based continuity conditions are enforced at the interfaces of different regions using penalty method. Firstly, piezoelectric actuation of healthy sandwich beam is assessed through deflection analysis. Then the effect of actuators' debondings with different boundary conditions on bending behavior is computationally evaluated and experimentally clamped-free case is validated. The results generated will be useful to address the damage tolerant design procedures for smart sandwich beam structures with structural control and health monitoring applications.
능동 비틀림 제어기법을 이용한 복합재료 로터 블레이드의 헬리콥터 진동억제에 대한 수치연구를 수행하였다. 허브에 작용하는 진동하중 억제를 위해 복합재료 블레이드의 탄성 연계와 함께 압전 소재의 전단변형 메커니즘을 이용하였다. 로터 블레이드는 표면에 압전 작동기를 부착한 박벽 상자형 단면을 갖는 복합재료 보로 모델링하였다. 회전익에 대한 지배 운동방정식은 Hamilton 원리를 이용하여 구성하였고, 공력하중은 자유후류모델을 포함하는 비정상 공력 이론을 이용하여 구했다. 다양한 탄성연계 적층과 능동 작동기를 부착한 복합재료 블레이드에 대해 허브진동 하중 특성을 고찰하였다. 수치해석 결과 최적 제어 알고리듬을 적용하여 $N_b$/rev 진동하중을 대폭 줄일 수 있음을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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