In this study, a new smart beam finite element is proposed for the finite element modeling of beam-type smart structures that are equipped with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered in the formulation. By using a variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. The proposed smart beam finite element is applied to the free vibration control adopting a constant gain feedback scheme. The electrical force vector, which is obtained in deriving an equation of motion, is the control force equivalent to that in existing literature. Validity of the proposed element is shown through comparing the analytical results of the verification examples with those of other previous researchers. With the use of smart beam finite elements, simulation of free vibration control is demonstrated by sensing the voltage of the piezoelectric sensors and by applying the voltages to the piezoelectric actuators.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.3
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pp.225-231
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2003
A new three-dimensional thin shell element for a structure containing an integrated distributed piezoelectric sensor and actuator is Proposed. The assumed strain formulation and the bubble function are introduced to improve the performance of the shell element. A finite element formulation gives a general tool that can predict the static or dynamic responses of the shell with piezoelectric sensor/actuator. The verification through the calculation of the static response for the piezoelectric bimorph beam shows that the results agree with those from the theoretical analysis very well. Dynamic response of a shell shows that the reduction of vibration is possible with the introduction of the piezoelectric shell sensor and actuator. However. the curvature of sensor/actuator is an obstacle for application, since the flexible PVDF is not strong enough and the PZT with curvature should be made specially.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.183-195
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2003
In this study, the method of the finite element modeling for free vibration control of beam-type smart structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered. By using the variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. Therefore, by analyzing beam-type smart structures with smart beam finite elements, it is possible to simulate the control of the structural behavior by applying voltages to piezoelectric actuators and monitoring of the structural behavior by sensing voltages of piezoelectric sensors. By using the smart beam finite element and constant-gain feed back control scheme, the formulation of the free nitration control for the beam structures with bonded plate-tyPe Piezoelectric sensors and actuators is proposed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.4
s.247
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pp.409-419
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2006
The actuating performance of plate-type unimorph piezoelectric composite actuators having various stacking sequences was evaluated by three dimensional finite element analysis on the basis of thermal analogy model. Thermal residual stress distribution at each layer in an asymmetrically laminated plate with PZT ceramic layer and thermally induced dome height were predicted using classical laminated plate theory. Thermal analogy model was applied to a bimorph cantilever beam and LIPCA-C2 actuator in order to confirm its validity. Finite element analysis considering thermal residual deformation showed that the bending behavior of piezoelectric composite actuator subjected to electric loads was significantly different according to the stacking sequence, thickness of constituent PZT ceramic and boundary conditions. In particular, the increase of thickness of PZT ceramic led to the increase of the bending stiffness of piezoelectric composite actuator but it did not always lead to the decrease of actuation distance according to the stacking sequences of piezoelectric composite actuator. Therefore, it is noted that the actuating performance of unimorph piezoelectric composite actuator is rather affected by bending stiffness than actuation distance.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11a
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pp.225-228
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2001
A new three-dimensional thin shell element for the structure containing an integrated distributed piezoelectric sensor and actuator is proposed. A finite element formulation for the static response of the shell with piezoelectric sensor/actuator is derived. The assumed strain formulation and the bubble function improves the performance of the shell element. The verification through the calculation of the static response for the piezoelectic bimorph beam shows that the results agree with those from the theoretical analysis very well.
In this paper, a new three-dimensional piezoelectric thin shell element containing an integrated distributed piezoelectric sensor and actuator is proposed. The distributed piezoelectric sensor layer monitors the structural shape deformation due to the direct effect and the distributed actuator layer suppresses the deflection via the converse piezoelectric effect. A finite element formulation is presented for static response of laminated shell with piezoelectric sensors/actuators. An eight-node and forty-DOF shell element is built. The performance of the shell elements is improved by reduced integration technique. The static shape control of structure is derived. The shell element is verified by calculating piezoelectric polymeric PVDF bimorph beam. The results agreed with those obtained by theoretical analysis, Tzou and Tseng (1990) and Hwang and Park (1993) fairly well. At last, the static shape control of a paraboloidal antenna is presented.
In the present study, active control of a smart beam under forced vibration is analyzed. The aluminum smart beam is composed of two piezoelectric patches and strain gauge. One of the piezoelectric patches is used as controlling actuator while the other piezoelectric patch is used as vibration generating shaker. The smart beam is harmonically excited by the piezoelectric shaker at its fundamental frequency. The strain gauge is utilized to sense the vibration level. Active vibration reduction under harmonic excitation is achieved using both strain and displacement feedback control. Control actions, the finite element (FE) modeling and analyses are directly carried out by using ANSYS parametric design language (APDL). Experimental applications are performed with LabVIEW. Dynamic behavior at the tip of the beam is evaluated for the uncontrolled and controlled responses. The simulation and experimental results are compared. Good agreement is observed between simulation and experimental results under harmonic excitation.
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.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.04a
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pp.305-310
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2013
This paper analyzes three cantilever-types of piezoelectric actuators of bimorph, unimorph and monomorph in same volume to maximize tip displacement. Tip displacement of each actuator is theoretically derived by using beam theory and numerically verified by FEM. It also investigates the tip displacements of each actuator due to the change of elastic layer. It shows that the piezoelectric actuator of bimorph generates the largest tip displacement among them.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.11
no.4
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pp.52-57
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2001
The flexural vibration of aluminum beams with active and passive constrained-layer damping has been investigated experimentally to design a structure with maximum possible damping capacity. Piezoelectric film is used as a sensor and piezoceramic as an actuator for the negative velocity feedback control. The experimental results are compared with those by the finite element analysis. This paper shows the effectiveness of active constrained-layer damping treatment through experiments, and we have carried out an experiment to study the effect of beam thickness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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