• 전기학회논문지
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• 제66권10호
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• pp.1499-1507
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• 2017

This paper presents an impact-based piezoelectric vibration energy harvester using a freely movable metal sphere and a piezoceramic fiber-based MFC (Macro Fiber Composite) as piezoelectric cantilever. The free motion of the metal sphere, which impacts both ends of the cavity in an aluminum housing, generates power across a cantilever-type MFC beam in response to low frequency vibration such as human-body-induced motion. Impacting force of the spherical proof mass is transformed into the vibration of the piezoelectric cantilever indirectly via the aluminum housing. A proof-of-concept energy harvesting device has been fabricated and tested. Effect of the indirect impact-based system has been tested and compared with the direct impact-based counterpart. Maximum peak-to-peak open circuit voltage of 39.8V and average power of $598.9{\mu}W$ have been obtained at 3g acceleration at 18Hz. Long-term reliability of the fabricated device has been verified by cyclic testing. For the improvement of output performance and reliability, various devices have been tested and compared. Using device fabricated with anodized aluminum housing, maximum peak-to-peak open-circuit voltage of 34.4V and average power of $372.8{\mu}W$ have been obtained at 3g excitation at 20Hz. In terms of reliability, housing with 0.5mm-thick steel plate and anodized aluminum gave improved results with reduced power reduction during initial phase of the cyclic testing.

• Composites Research
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• 제34권1호
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• pp.70-75
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• 2021

본 논문은 단섬유 칩으로 구성된 Sheet Molding Compound(SMC) 복합재료를 실험적으로 관찰된 특징들을 바탕으로 메소스케일(meso-scale) 대표체적요소(RVE: Representative Volume Element)를 재구성하는 새로운 알고리즘을 제시한다. 전산해석을 이용하여 SMC 복합재료의 비등방성 거동의 정확한 예측은 어려운 문제이다. 이를 극복하기 위해, SMC 복합재료를 위한 일련의 이미지 프로세싱 기술과 재구성 알고리즘 및 유한요소(FE: Finite Element) 생성기로 구성된 SMC RVE 모델을 개발하였다. 첫째, micro-CT 이미지 프로세싱은 SMC 물성에 직접적인 상관관계를 가지는 섬유칩의 배향 및 분산의 확률적 분포를 평가한다. 둘째, 해당 통계적 분포를 바탕으로 섬유칩 간의 겹침효과를 고려한 섬유칩 팩킹 재구성 알고리즘을 개발한다. 마지막으로, SMC 복합재료 멀티스케일 해석을 이용하여 매크로스케일(macro-scale)에서의 거동을 파악하고 실험데이터를 통해 검증을 수행한다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제11권9호
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• pp.3176-3183
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• 2010

본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 멀티 스케일 접근법은 복합재료의 기본 구성재료인 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면의 거동으로부터 복합재 플라이, 적층판 및 구조물의 전체 거동을 예측한다. 멀티 스케일 피로수명은 거시적 응력 해석과 미시적 피로파손 해석을 통해 예측된다. 유한요소법을 이용하여 복합재 압력용기의 적층판에 가해지는 다축 피로하중을 구하며, 고전적층판이론을 이용하여 적층판의 플라이 응력을 계산하였다. 미소역학 모델을 이용하여 플라이 응력으로부터 각각 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면에 발생되는 응력을 계산하였다. 복합재 구성재료의 피로수명은 섬유에 대해서는 최대응력법을, 기지에 대해서는 등가응력법을, 섬유/기지 경계면에 대해서는 임계평면법을 사용하였다. 평균응력을 고려하기 위하여 수정된 Goodman 식을 적용하였다. 모든 피로하중에 의한 손상은 Miner 법칙을 이용하여 선형 누적이 되고, 이를 통해 최종 피로파손을 판단한다. 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 확률분포에 따른 복합재 압력용기의 피로수명 영향을 분석하기 위해 몬테카르로 시뮬레이션을 수행하였다.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2008년도 추계학술대회논문집
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• pp.466-471
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• 2008

Structural vibration and noise are hot issues in underwater vehicles such as submarines for their survivability. Therefore, active vibration and noise control of submarine, which can be modeled as hull structure, have been conducted by the use of piezoelectric materials. Traditional piezoelectric materials are too brittle and not suitable to curved geometry such as hull structures. Therefore, advanced anisotropic piezoceramic actuator named as Macro-Fiber Composite (MFC), which can provide great flexibility, large induced strain and directional actuating force is adopted for this research. In this study, dynamic model of the smart hull structure is established and active vibration control performance of the smart hull structure is evaluated using optimally placed MFC. Actuating performance of MFC is evaluated by finite element analysis and dynamic modeling of the smart hull structure is derived by finite element method considering underwater condition. In order to suppress the vibration of hull structure, Linear-Quadratic-Gaussian (LQG) algorithm is adopted. After then active vibration control performance of the proposed smart hull structure is evaluated with computer simulation and experimental investigation in underwater. Structural vibration of the hull structure is decreased effectively by applying proper control voltages to the MFC actuators.

• Smart Structures and Systems
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• 제13권4호
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• pp.501-515
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• 2014

This paper presents a linear computational homogenization framework to evaluate the effective (or generalized) electromechanical coupling coefficient (EMCC) of adaptive structures with piezoelectric structural fiber (PSF) composite elements. The PSF consists of a silicon carbide (SiC) or carbon core fiber as reinforcement to a fragile piezo-ceramic shell. For the micro-scale analysis, a micromechanics model based on the variational asymptotic method for unit cell homogenization (VAMUCH) is used to evaluate the overall electromechanical properties of the PSF composites. At the macro-scale, a finite element (FE) analysis with the commercial FE code ABAQUS is performed to evaluate the effective EMCC for structures with the PSF composite patches. The EMCC is postprocessed from free-vibrations analysis under short-circuit (SC) and open-circuit (OC) electrodes of the patches. This linear two-scale computational framework may be useful for the optimal design of active structure multi-functional composites which can be used for multi-functional applications such as structural health monitoring, power harvest, vibration sensing and control, damping, and shape control through anisotropic actuation.

• 한국소음진동공학회논문집
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• 제17권7호
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• pp.587-595
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• 2007

Performance evaluation of advanced piezoelectric composite actuator is conducted with its application of structural vibration control. Characteristics of MFC(macro fiber composite) actuator are investigated by comparing traditional piezoceramic patch actuator. Finite element modeling is used to obtain equations of motion and boundary effects of smart hull structure with MFC actuator. Dynamic characteristics of the smart hull structure are studied through modal analysis and experimental investigation. LQG control algorithm is employed to investigate active damping of hull structure. It is observed that vibration of hull structure is suppressed effectively by the MFC actuators.

• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2007년도 춘계학술대회논문집
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• pp.1119-1124
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• 2007

Performance evaluation of advanced piezoelectric composite actuator is conducted with its application of structural vibration control. Characteristics of MFC (macro fiber composite) actuator are investigated by comparing traditional piezoceramic patch actuator. Finite element modeling is used to obtain equations of motion and boundary effects of smart hull structure with MFC actuator. Dynamic characteristics of the smart hull structure are studied through modal analysis and experimental investigation. LQG control algorithm is employed to investigate active damping of hull structure. It is observed that vibration of hull structure is suppressed effectively by the MFC actuators.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제28권1호
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• pp.47-51
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• 2015

본 논문에서는 복합재 구조물에 손상이 있을 경우, 손상에 의해 변화된 구조물의 동적특성을 손상이 없는 상태로 회복하여, 전체 시스템의 안정성을 유지할 수 있도록 하였다. 층간 분리가 있는 구조물의 유한요소모델 구축을 위하여 향상된 층간 변위장 모델을 적용하였으며, 유한요소해석을 진행하여 구조물의 고유 진동수와 모드 형상을 관찰하였다. 능동제어 알고리즘과 압전 작동기를 적용하여 구조물의 진동 응답특성을 확인하였으며, 이를 바탕으로 손상된 구조물의 동적특성을 손상이 없는 상태로 회복할 수 있음을 확인하였다.

• Steel and Composite Structures
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• 제19권1호
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• pp.153-171
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• 2015

Twelve large-scale composite deck slabs were instrumented and tested in a cantilever diaphragm configuration to assess the effect of fibers and welded wire mesh (WWM) on the in-plane shear capacity of composite deck slabs. The slabs were constructed with reentrant decking profile and reinforced with different types and dosages of secondary reinforcements: Conventional welded wire mesh (A142 and A98); synthetic macro-fibers (dosages of $3kg/m^3$ and $5.3kg/m^3$); and hooked-end steel fibers with a dosage of $15kg/m^3$. The deck orientation relative to the main beam (strong and weak) was also considered in this study. Fibers and WWM were found efficient in distributing the applied load to the whole matrix, inducing multiple cracking, thereby enhancing the strength and ductility of composite deck slabs. The test results indicate that fibers increased the slab's ultimate in-plane shear capacity by up to 29% and 50% in the strong and weak directions, respectively. WWM increased the ultimate in-plane shear capacity by up to 19% in the strong direction and 9% in the weak direction. The results suggest that discrete fibers can provide comparable diaphragm behavior as that with the conventional WWM.

• 콘크리트학회논문집
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• 제17권2호
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• pp.263-271
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• 2005

고인성 시멘트 복합재료(HPFRCC)는 시멘트페이스트 또는 모르타르에 고성능 단섬유를 보강하여 휨모멘트 및 인장력 작용하에서 변위(변형)경화특성 및 다수의 미세균열이 멀티플크랙 특성을 발휘함으로서 높은 인성 및 균열제어성능을 가진 재료로 최근 이들 성능을 활용하여 고성능 보수 보강재, 충격완충재, 강재의 피복재, 지진시 에너지 흡수 디바이스 등 다양한 용도로의 활용이 시도되고 있다. 그러나 이들 HPFRCC의 역학적 성능은 사용되는 섬유의 종류 및 형상에 따라 다르며 마이크로 크랙 및 매크로 크랙에 효과적인 섬유의 치수는 다른 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 및 매크로 섬유의 종류, 각 섬유의 혼합조건을 변화시켜 HPFRCC의 압축 및 휨성상을 실험실증적으로 비교 검토함으로서 HPFRCC의 재료설계에 기초자료를 제시하고자 하였다. 그 결과, HPFRCC의 압축 및 휨성상은 사용된 마이크로 섬유의 종류에 따라 큰 차이를 보이고 있으며 PP섬유에 비하여 PVA섬유를 사용한 경우가 우수한 성능을 발현하였다. 또한, 각각의 마이크로 섬유에 매크로 섬유로서 PVA660을 혼합 사용한 경우 PVA200을 제외하고는 초기근열시 휨응력, 최대 휨응력, 변형능력 및 휨터 프니스 등의 휨성능이 향상되었다. 특히 PVA100과 PVA660을 혼합 사용한 경우 가장 우수한 성능을 발현하였으며, 휨시험시 전형적인 변위경화특성 및 멀티플크랙 특성을 나타내었다. 반면, 매크로 섬유로서 SF500을 혼합 사용한 경우의 휨응력-중앙변위 곡선은 기존의 FRCC와 유사한 경향을 보이고 있으며, 휨터프니스는 마이크로 섬유만 단독 사용한 경우에 비해 전반적으로 저하하는 것으로 나타났다.