• Smart Structures and Systems
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• 제13권4호
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• pp.587-614
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• 2014

In recent years the interest in online monitoring of lightweight structures with ultrasonic guided waves is steadily growing. Especially the aircraft industry is a driving force in the development of structural health monitoring (SHM) systems. In order to optimally design SHM systems powerful and efficient numerical simulation tools to predict the behaviour of ultrasonic elastic waves in thin-walled structures are required. It has been shown that in real industrial applications, such as airplane wings or fuselages, conventional linear and quadratic pure displacement finite elements commonly used to model ultrasonic elastic waves quickly reach their limits. The required mesh density, to obtain good quality solutions, results in enormous computational costs when solving the wave propagation problem in the time domain. To resolve this problem different possibilities are available. Analytical methods and higher order finite element method approaches (HO-FEM), like p-FEM, spectral elements, spectral analysis and isogeometric analysis, are among them. Although analytical approaches offer fast and accurate results, they are limited to rather simple geometries. On the other hand, the application of higher order finite element schemes is a computationally demanding task. The drawbacks of both methods can be circumvented if regions of complex geometry are modelled using a HO-FEM approach while the response of the remaining structure is computed utilizing an analytical approach. The objective of the paper is to present an efficient method to couple different HO-FEM schemes with an analytical description of an undisturbed region. Using this hybrid formulation the numerical effort can be drastically reduced. The functionality of the proposed scheme is demonstrated by studying the propagation of ultrasonic guided waves in plates, excited by a piezoelectric patch actuator. The actuator is modelled utilizing higher order coupled field finite elements, whereas the homogenous, isotropic plate is described analytically. The results of this "semi-analytical" approach highlight the opportunities to reduce the numerical effort if closed-form solutions are partially available.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제35권4호
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• pp.333-341
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• 2022

자기전기복합체(magnetoelectric, ME compositie)는 자왜재료와 압전재료의 결합현상을 이용하는 재료로서 지난 20여 년간 이론적, 실험적으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 자기전기복합체의 출력특성은 구성하는 소재, 계면층, 복합체의 형상, 자기장하 진동모드 등의 많은 구성요소의 최적화를 통하여 급속히 향상되고 있다. 하지만 자기전기복합체의 자기전기 결합 특성 평가는 대부분의 연구들에서 구체적인 방법을 제시하지 않아 어떻게 측정한 것인지가 불명확한 경우가 많다. 본 논문에서는 자기전기복합체의 비공진, 공진상황에서 자기전기 전압계수를 어떻게 측정할 수 있는지에 대한 자세한 방법을 소개한다. 평가를 위한 샘플로서 대칭적인 구조를 가지는 Gelfenol/PMN-PZT/Gelfenol 자기전기복합체를 제조하였다. 압전 재료로는 이방성의 (011) 32 모드의 PMN-PZT 압전 단결정과 자왜재료로는 Galfenol 합금을 사용하여 에폭시로 접착하였다. 컴퓨터 인터페이스로 자동화된 자기전기 전압특성 측정 시스템의 구성을 우선 설명하고, 자기전기 결합특성의 측정 방법을 단계별로 설명한다. 본 튜토리얼 논문에서는 자기전기결합 특성과 특성평가방법을 이해하고자 하는 연구자들에게 도움이 될 수 있는 평가방법의 원리와 절차를 제공하고자 하였다.