Novel design of interdigitated electrodes capable of increasing the performance of piezoelectric transducers are proposed. The new electrodes' geometry improve the electromechanical coupling by offering an enhanced adaptation of the electric field to the interdigitated electrode configuration. The proposed analysis is based on finite element modeling and takes into account local polarization effect. It is shown that the proposed electrodes considerably increase the strain generation compared to flat electrode arrangement used for Macro Fiber Composite (MFC) and Active Fiber Composite (AFC) actuators. Also, electric field singularities are reduced allowing better reliability of the transducer against electric failure.
Dwarakanathan, D.;Ramkumar, R.;Raja, S.;Rao, P. Siva Subba
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.2
no.3
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pp.303-328
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2015
A design methodology is presented to develop the hingeless control surfaces for MAV using adhesively bonded Macro Fiber Composite (MFC) actuators. These actuators have got the capability to deflect the trailing edge surfaces of the wing to attain the required maneuverability, besides achieving the set aerodynamic trim condition. A scheme involving design, analysis, fabrication and testing procedure has been adopted to realize the trailing edge morphing mechanism. The stiffness distribution of the composite MAV wing is tailored such that the induced deflection by piezoelectric actuation is approximately optimized. Through ground testing, the proposed concept has been demonstrated on a typical MAV structure. Electromechanical analysis is performed to evaluate the actuator performance and subsequently aeroelastic and 2D CFD analyses are carried out to see the functional requirements of wing trailing edge surfaces to behave as elevons. Efforts have been made to obtain the performance comparison of conventional control surfaces (elevons) with morphing wing trailing edge surfaces. A significant improvement in lift to drag ratio is noticed with morphed wing configuration in comparison to conventional wing. Further, it has been shown that the morphed wing trailing edge surfaces can be deployed as elevons for aerodynamic trim applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.1
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pp.90-100
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1993
A finite element formulation of vibration control of a laminated plate with piezoelectric sensor/ actuators is presented. Classical lamination theory with the induced strain actuation and Hamilton's principle are used to formulate the equations of motion of the system. The total charge developed on the sensor layer is calculated from the direct piezoelectric equation. The equations of motion and the total charge are discretized with 4 node, 12 degrees of freedom quadrilateral plate bending elements with one electrical degree of freedom. The mass and stiffness of the piezoelectric layer are introduced by treating them as another layer in laminated plate. Piezoelectric sensor/actuators are distributed, but discrete due to the geometry of electrodes. By defining an i.d. number of electrode for each element, modelling of electrodes with variable geometry can be achieved. The static response of a piezoelectric bimorph beam to electrical loading and sensor voltage to given displacement are calculated. For a laminated plate under the negative velocity feedback control, the direct time response by the Newmark-.betha. method and damped frequencies and modal damping ratios by modal state space analysis are derived.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.12
s.105
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pp.1408-1415
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2005
Active vibration control of smart hull structure using Macro Fiber Composite (MFC) actuator is performed. Finite element modeling is used to obtain governing equations of motion and boundary effects of end-capped smart hull structure. Equivalent interdigitated electrode model is developed to obtain piezoelectric couplings of MFC actuator. Modal analysis is conducted to investigate the dynamic characteristics of the hull structure, and compared to the results of experimental investigation. MFC actuators are attached where the maximum control performance can be obtained. Active controller based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) theory is designed to suppress vibration of smart hull structure. It is observed that closed loop damping can be improved with suitable weighting factors in the developed LQG controller and structural vibration is controlled effectively.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.217-222
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2005
Active vibration control of smart hull structure using Macro Fiber Composite (MFC) actuator is performed. Finite element modeling is used to obtain governing equations of motion and boundary effects of end-capped smart hull structure. Equivalent interdigitated electrode model is developed to obtain piezoelectric couplings of MFC actuator. Modal analysis is conducted to investigate the dynamic characteristics of the hull structure, and compared to the results of experimental investigation. MFC actuators are attached where the maximum control performance can be obtained. Active controller based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) theory is designed to suppress vibration of smart hull structure. It is observed that closed loop damping can be improved with suitable weighting factors in the developed LQG controller and structural vibration is controlled effectively.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.38
no.9
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pp.869-874
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2010
Recently, a piezo actuator based linear motor has been actively studied because of its higher power density, compactness and quick response. However, the characteristic of small displacement makes the application of a piezo actuator limitative. In order to overcome this limitation, some actuation mechanisms using a piezo actuator are designed by bi-metal composite or more than two piezo actuators. Therefore, it enables to generate large displacement and have high resolution. In the proposed piezo motor, we have designed a bi-directional linear motor that can be operated by only one piezo actuator. In addition, it is activated with low frequency of the applied voltage, since, we utilize first mode shape of structure of motion generator to vibrate. Finally, moving direction can be simply controlled by changing the ratio of input frequency to natural frequency of structure of motion generator.
This is the first research on the smart control and vibration analysis of a Graphene nanoplatelets (GPLs) Reinforced Composite (GPLRC) porous cylindrical shell covered with piezoelectric layers as sensor and actuator (PLSA) in the framework of numerical based Generalized Differential Quadrature Method (GDQM). The stresses and strains are obtained using the First-order Shear Deformable Theory (FSDT). Rule of the mixture is employed to obtain varying mass density and Poisson's ratio, while the module of elasticity is computed by modified Halpin-Tsai model. The external voltage is applied to sensor layer and a Proportional-Derivative (PD) controller is used for sensor output control. Governing equations and boundary conditions of the GPLRC cylindrical shell are obtained by implementing Hamilton's principle. The results show that PD controller, length to radius ratio (L/R), applied voltage, porosity and weight fraction of GPL have significant influence on the frequency characteristics of a porous GPLRC cylindrical shell. Another important consequence is that at the lower value of the applied voltage, the influence of the smart controller on the frequency of the micro composite shell is much more significant in comparison with the higher ones.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.3
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pp.218-224
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2007
Although piezoelectric materials such as PZT have been widely used as actuators in the field of active vibration suppression, the use of bare PZT as an actuator may cause some drawbacks such as critical breaks in the installation process, short circuits in the host material and low fatigue performance. The LIPCA-C2 (lightweight piezocomposite actuator) was developed to alleviate these problems. We implemented the LIPCA as an actuator to suppress the vibration of an aluminum cantilever beam with a tip mass. In our test, we used positive position feedback control algorithm. The filter frequency for this type of feedback should be tuned to the natural frequency of the target mode. The first three experimental natural frequencies of the aluminum cantilever beam agree well with the results of finite element analysis. The effectiveness of using the LIPCA as an actuator in active vibration suppression was investigated with respect to the time and frequency domains, and the experimental results show that LIPCAs with PPF control can significantly reduce the amplitude of forced vibrations and the settling time of free vibrations. For a case study, the forced vibration control of several beams with different thicknesses were performed.
This paper deals with the effect of ply orientation and control gain on tip transverse displacement of functionally graded beam layer for both active constrained layer damping (ACLD) and passive constrained layer damping (PCLD) system. The functionally graded beam is taken as host beam with a bonded viscoelastic layer in ACLD beam system. Piezoelectric fiber reinforced composite (PFRC) laminate is a constraining layer which acts as actuator through the velocity feedback control system. A finite element model has been developed to study actuation of the smart beam system. Fractional order derivative constitutive model is used for the viscoelastic constitutive equation. The control voltage required for ACLD treatment for various symmetric ply stacking sequences is highest in case of longitudinal orientation of fibers of PFRC laminate over other ply stacking sequences. Performance of symmetric and anti-symmetric ply laminates on damping characteristics has been investigated for smart beam system using time and frequency response plots. Symmetric and anti-symmetric ply laminates significantly reduce the amplitude of the vibration over the longitudinal orientation of fibers of PFRC laminate. The analysis reveals that the PFRC laminate can be used effectively for developing very light weight smart structures.
Kim, Do-Hyung;Yang, Seung-Man;Han, Jae-Hung;Kim, Dae-Hyun;Lee, In;Kim, Chun-Gon;Hong, Chang-Sun
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.135-138
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2002
Experimental studies on vibration control of a composite beam with a piezoelectric actuator and an extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) have been performed using a neural network controller and an LQG controller. Vibration control performance was investigated in the nonlinear sensing range according to the vibration amplitudes. Using a neuro-controller, adaptive vibration control experiment has been performed for the structure with frequency variations, and its performance is compared with that of an LQG controller. The vibration control results show that the neuro-controller has good performance and robustness with respect to the system parameter variations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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