Irschik, Hans;Krommer, Michael;Zehetner, Christian
Smart Structures and Systems
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v.18
no.1
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pp.139-154
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2016
This paper is concerned with the dynamics of hyperelastic solids and structures. We seek for a smart control actuation that produces a desired (prescribed) displacement field in the presence of transient imposed forces. In the literature, this problem is denoted as displacement tracking, or also as shape morphing problem. One talks about shape control, when the displacements to be tracked do vanish. In the present paper, it is assumed that the control actuation is provided by imposed eigenstrains, e.g., by the electric field in piezoelectric actuators, or by thermal actuators, or via analogous physical effects, such as magneto-striction or pre-stress. Structures with a controlled eigenstrain-type actuation belong to the class of smart structures. The action of the eigenstrains can be conveniently characterized by actuation stresses. Our theoretical derivations are performed in the framework of the theory of small incremental dynamic deformations superimposed upon a statically pre-deformed configuration of a hyperelastic solid or structure. We particularly ask for a distribution of incremental actuation stresses, such that the incremental displacements follow exactly a prescribed trajectory field, despite the imposed incremental forces are present. An exact solution of this problem is presented under the assumption that the actuation stresses can be tailored freely and applied everywhere within the body. Extending a Neumann-type solution strategy, it is shown that the actuation stresses due to the distributed control eigenstrains must satisfy certain quasi-static equilibrium conditions, where auxiliary body-forces and auxiliary surface tractions are to be taken into account. The latter auxiliary loading can be directly computed from the imposed forces and from the desired displacement field to be tracked. Hence, despite the problem is a dynamic one, a straightforward computation of proper actuator distributions can be obtained in the framework of quasi-static equilibrium conditions. Necessary conditions for the functioning of this concept are presented. Particularly, it must be required that the intermediate configuration is infinitesimally superstable. Previous results of our group for the case of shape control and displacement tracking in linear elastic structures are included as special cases. The high potential of the solution is demonstrated via Finite Element computations for an irregularly shaped four-corner plate in a state of plain strain.
A direct and relatively simple method for controlling nodal displacements and/or internal bar forces has been developed for prestressable structural assemblies including complex elements ("macro-elements", e.g., the pantographic element), involving Matrix Condensation, in which structural matrices being built up from matrices of elementary elements. The method is aimed at static shape control of geometrically sensitive structures. The paper discusses identification of the most effective bars for actuation, without incurring violation in bar forces, and also with objective of minimal number of actuators or minimum actuation. The advantages of the method is that the changes for both force and displacement regimes are within a single formulation. The method can also be used for adjustment of bar forces to either reduce instances of high forces or increase low forces (e.g., in a cable nearing slack).
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.11a
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pp.153-156
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2009
The pitch and yaw axis controls of Kick Motor, KLSV-I second propulsion system, was provided by the flexible seal that consists of alternate laminate of natural rubber and composite reinforcements between forward and aft ring. A hydrostatic actuating test has been conducted to evaluate a performance of the manufactured flexibke seal before it is assembled at the nozzle. Through the tests, we have verified an actuation torque and axial displacement of the flexible seal according to pressure variation. The actuation torque and axial displacement of all flexible seal is shown below 60kgf-m/deg at without pressure and 6mm at MEOP respectively.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2006.05a
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pp.467-468
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2006
In this work, we present the comparison between $d_{31}\;and\;d_{33}$ mode characterization using the PZT micro-actuator for large displacement. The PZT micro-actuator consisted of Si, PZT, and Pt layer on SOI wafer. The electrode shapes were laminated and interdigitated for $d_{31}\;and\;d_{33}$ mode, respectively. In order to characterize the actuation mode, we measured the displacement using laser interferometer. The maximum displacement of d31 mode was $12.2{\mu}m$ at 10V, the actuation characterization of d31 was better than that of d33 mode. We estimated that displacement of d33 mode would be larger than that of d31 above 30V.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.21
no.2
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pp.324-330
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2012
In this paper, we presents a robust control system design for compensating hysteresis of a piezoelectric actuator-based actuation unit. First, the dynamics between the input voltage and the output displacement of the actuation unit are unravelled via a non-parametric system identification method. From the dynamic characteristics of those experimental transfer functions, a parametric model is then derived, whose dynamics match those of the non-parametric ones under various conditions on input voltages. A robust controller is constructed on the basis of this parametric model in order not only to effectively compensate the hysteresis of the actuation unit but also to guarantee the robust stability. Extensive experiments show that the proposed robust control system successfully mitigate the effect of the hysteresis and improve the tracking capability of the actuation unit.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.12
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pp.1310-1316
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2008
Bi-layer and tri-layer structures of electro-active paper(EAPap) using conductive polyaniline(PANI) coating were investigated to improve bending displacement of cellulose EAPap. Two different counter ions, perchlorate($CIO_4^-$) and tetrafluoroborate($BF_4^-$), are used as dopant ions in the PANI processing. The actuation performances of hi-layer and tri-layer structure are evaluated in terms of tip displacement, blocked force, strain energy density and power output density. The actuation performance of the tri-layer actuator was better than the hi-layer structure, and the maximum displacement and blocked force of tri-layer $CIO_4^-$ doped-PANI-EAPap were 13.2 mm and 0.15 mN, respectively. Also the power output of the actuator is similar to the required power of biological muscle application.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.30
no.6
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pp.658-664
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2013
Bending actuators composed of cellulose with an electrically conducting polymer (CP) are fabricated and their performance is characterized in the air. Two different counter ions, perchlorate and tetrafluoroborate are used as dopant ions in the polyaniline CP processing. CP-cellulose-CP trilayer and CP-cellulose bilayer samples are fabricated with different dopant ions, and their actuation performance is evaluated in terms of tip displacement, blocked force and electrical power consumption along with the humidity level and actuation frequency. The trilayer samples substantially enhanced the tip displacement compared to the bilayer ones. The actuation performance of the trilayer actuator is three times better than that of original cellulose electro-active paper (EAPap) actuator. The displacement and blocked force of CP-EAPap actuators are dependent on the humidity and frequency.
Swarrup, J. Sakthi;Ranjan, Ganguli;Giridhar, Madras
Smart Structures and Systems
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v.19
no.5
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pp.553-565
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2017
Structural modeling of unencapsulated ionic polymer metal composite (u-IPMC) actuators that are used for flapping the insect scale-flapping wing of micro air vehicles (FMAV) in dry environmental conditions is carried out. Structural modeling for optimization of design parameters for retention of water, maximize actuation performance and to study the influence of water activity on the actuation characteristics of u-IPMC is explored for use in FMAV. The influence of equivalent weight of Nafion polymer, cations, concentration of cations, pre-treatment procedures on retention of water of u-IPMCs and on actuation parameters, flapping angle, flexural stiffness and actuation displacement are investigated. IPMC designed with Nafion having equivalent weight 900-1100, pre-heated at $30^{\circ}C$ and with sodium as the cations is promising for optimum retention of water and actuation performance. The actuation parameters while in operation in dry and humid environment with varying water activity can be tuned to desirable frequency, deflection, flap angle and flexural stiffness by changing the water activity and operational temperature of the environment.
Interfacial evaluation and hydrophobicity of Ni-nanopowder/epoxy composites were investigated for self-sensing and actuation. Contact resistance and resistivity were measured using gradient micro-specimens. The actuation of the composites in the electromagnetic field was studied with three wave functions, i.e., sine, triangle and square functions. Due tothe presence of hydrophobic domains on the heterogeneous surface, the static contact angle of Ni-nanopowder/epoxy nanocomposite wasabout $100^{\circ}$, which was rather lower than that for super-hydrophobicity. The dynamic contact angle showed the similar trend of static contact angle. Ni-nanopowder/epoxy composite was responded wellfor both self-sensing and actuation in electromagnetic field due to the intrinsic metal property of Ni-nanopowder. Displacement of the actuator of Ni-nanopowder/epoxy composite was evaluated to obtain the maximum and the optimum performance using laser displacement sensor as functions of the wave type, frequency, and voltage. Actuation of Ni-nanopowder/epoxy composites also increased as functions of applied frequency and voltage. Actuated strain increased more rapidly at sine wave with increasing voltage compared to those of triangle or rectangular waves.
Magnetostrictive materials are routinely employed as actuator and sensor elements in a wide variety of noise and vibration control problems. In infrastructural applications, other technologies such as hydraulic actuation, piezoelectric materials and more recently, magnetorheological fluids, are being favored for actuation and sensing purposes. These technologies have reached a degree of technical maturity and in some cases, cost effectiveness, which justify their broad use in infrastructural applications. Advanced civil structures present new challenges in the areas of condition monitoring and repair, reliability, and high-authority actuation which motivate the need to explore new methods and materials recently developed in the areas of materials science and transducer design. This paper provides an overview of a class of materials that because of the large force, displacement, and energy conversion effciency that it can provide is being considered in a growing number of quasistatic and dynamic applications. Since magnetostriction involves a bidirectional energy exchange between magnetic and elastic states, magnetostrictive materials provide mechanisms both for actuation and sensing. This paper provides an overview of materials, methods and applications with the goal to inspire novel solutions based on magnetostrictive materials for the design and control of advanced infrastructural systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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