Piezoelectric and dielectric behaviors of a piezoceramic patch adhesively centered on a carbon composite plate are identified using a robust multi-objective optimization procedure. For this purpose, the patch piezoelectric stress coupling and blocked dielectric constants are automatically evaluated for a wide frequency range and for the different identifiable behaviors. Latters' symmetry conditions are coded in the design plans serving for response surface methodology-based sensitivity analysis and meta-modeling. The identified constants result from the measured and computed open-circuit frequencies deviations minimization by a genetic algorithm that uses meta-model estimated frequencies. Present investigations show that the bonded piezoceramic patch has effective three-dimensional (3D) orthotropic piezoelectric and dielectric behaviors. Besides, the sensitivity analysis indicates that four constants, from eight, dominate the 3D orthotropic behavior, and that the analyses can be reduced to the electromechanically coupled modes only; therefore, in this case, and if only the dominated parameters are optimized while the others keep their nominal values, the resulting piezoelectric and dielectric behaviors are found to be transverse-isotropic. These results can help designing piezoceramics smart composites for various applications like noise, vibration, shape, and health control.
A seven-port impedance and admittance matrices of multilayered piezoelectric beam are derived for the analysis of piezoelectric AFM ( atomic force microscope) cantilever that is partially covered by the piezoelectric layer. The variational principle is used for deriving the extensional and flexural motional equations and the conjugate parameters. Overall impedance matrix of AFM cantilever can be obtained by combining two impedance matrices of the covered and the non-covered. she resonance and antiresonance frequencies and the effective electromechanical coupling factors are calculated using the derived matrices. The results and the three dimensional finite element solutions are compared with the experimental results in other publication.
Kim, Dae-Uk;Lee, Han-Bok;Hung, Nguyen Viet;Pham, Ky Nam;Han, Hyoung-Su;Lee, Jae-Shin
한국분말재료학회지
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제17권5호
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pp.404-408
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2010
The effects of high energy ball-milling (HEBM) on the sintering behavior and piezoelectric properties of 0.1 wt% $Li_2CO_3$ doped 0.8Pb($Mg_{1/3}Nb_{2/3}$)$O_3$-0.2Pb($Zr_{0.475}Ti_{0.525}$)$O_3$ (PMN-PZT) ceramics were investigated. It was found that HEBM treatment was quite effective to reduce the average particle size down to 300 nm, leading to increased density as well as enhanced piezoelectric properties of a sintered specimen even though prolonged HEBM resulted in unwanted secondary phases that caused a degradation of piezoelectric properties. The dielectric constant ($\varepsilon_r$), piezoelectric coupling factor ($k_p$) and piezoelectric constant $d_{33}$ of 0.1 wt% $Li_2CO_3$ doped PMN-PZT ceramics prepared via HEBM for 10 h reached 2040, 0.68 and 554 pC/N, respectively.
In this article, based on the higher-order shear deformation plate theory, buckling analysis of a rectangular plate made of functionally graded piezoelectric materials and its effective parameters are investigated. Assuming the transverse distribution of electric potential to be a combination of a parabolic and a linear function of thickness coordinate, the equilibrium equations for the buckling analysis of an FGP rectangular plate are established. In addition to the Maxwell equation, all boundary conditions including the conditions on the top and bottom surfaces of the plate for closed and open circuited are satisfied. Considering double sine solution (Navier solution) for displacement field and electric potential, an analytical solution is obtained for full simply supported boundary conditions. The accurate buckling load of FGP plate is presented for both open and closed circuit conditions. It is found that the critical buckling load for open circuit is more than that of closed circuit in all loading conditions. Furthermore, it is observed that the influence of dielectric constants on the critical buckling load is more than those of others.
In this paper an electromechanically coupled isogeometric finite element is utilized to analyse Lamb wave excitation with piezoceramic actuators. An effective actuator design reduces the energy needed for Lamb wave excitation, which is beneficial if a structural health monitoring system should be applied for a structure. For a better understanding of the actuator behavior the piezoeceramics are studied both free and bonded at a structure. The numerical part of the analysis is performed utilizing isogeometric finite elements. To obtain the optimal performance for the numerical analysis the effect of k-refinement of the isogeometric element with respect to the convergence is studied and discussed. The optimal numerical setup with the best convergence rate is proposed and is validated with free piezoeceramic actuators. The validated model is then utilized to study the impact of actuator shape and adhesive bondline effect to the wave amplitude. The study shows that simplified analytical equations do not predict the optimal excitation frequencies for all piezoceramic designs accurately.
This paper presents a new disk-type piezoelectric transformer. The input side of the transformer has a crescent-shaped electrode and the output side has a focused poling direction. The piezoelectric transformers operated in each transformer's resonance vibration mode. The electrodes and poling directions on commercially available piezoelectric ceramic disks were designed so that the planar or shear mode coupling factor $(k_p\;k_{15})$ becomes effective rather than the transverse mode coupling factor $(k_{31})$. ANSYS finite element code was used to analyze transformer behavior and to optimize electrode and poling configurations. The voltage step-up ratio of the proposed transformer has been markedly improved in comparison with that of the equivalent rectangular(Rosen) type. A single layer prototype transformer, $20\sim30mm$ in diameter and $1.0\sim3.5mm$ thick, was fabricated, such as step-up ratio, power transformation efficiency, and temperature were measured. While the transformer was driving a Cold Cathode Fluorescent Lamp(CCFL), the temperature field of the transformer was also observed.
(Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT) piezoelectric ceramics are one of the promising materials that can replace Pb(Zr, Ti)O3(PZT) piezoelectric ceramics due to the high electromechanical strain properties. However, it is still difficult to use practical applications because the required electric field for inducing electromechanical strain is relatively higher than that of PZT ceramics. To overcome this problem, it has been intensively studied on doping impurity or modifying other ABO3 for BNT-based piezoelectric ceramics. Therefore, this study investigated the effects of La2O3 doping on the phase transition behavior and electromechanical strain properties in BNT-SrTiO3 (BNT-ST) lead-free piezoelectric ceramics. In the case of the temperature-dependent dielectric properties, it was confirmed that a phase transition from ferroelectrics to relaxors is induced with increasing La2O3 content. As a result, the electromechanical strain properties of BNT-ST ceramics were improved. The highest Smax/Emax value corresponding to 300 pm/V was obtained at 2 mol% La2O3-dopped BNT-ST ceramics. Accordingly, this study successfully demonstrated that La2O3 doping is effective on the inducing phase transition from ferroelectrics to relaxors and the improving electromechanical strain properties of BNT-ST lead-free piezoelectric ceramics.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제17권3호
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pp.42-49
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1993
Recently, because the lubricating oil showed a tendency to be emulsified and oxidized by high speed, high output and the extension of maintenance & conservation of marine engine, the cavitation erosion-corrosion at such an environment became a big problem on effective performance of engine. Therefore, there was a need to study the behavior and protection of erosion-corrosion damage, and then applied inhibitor to a protective method of cavitation erosion- corrosion damage. At this time, test environments were marine lubricating oil & various emulsified oil that mixed distilled water and sea water etc., and also used 20KHz, 24.mu.m piezoelectric vibrator as an experimental apparatus of cavitation erosion. With this apparatus, we investigated an influence of the emulsified oil on characteristics of erosion-corrosion and protection for erosion-corrosion by inhibitor at slide bearing metals.
Vibration analysis of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNT)-reinforced piezoelectric cylindrical shell subjected to uniform and non-uniform temperature distributions are presented. The structure is subjected to an applied voltage in thickness direction which operates in control of vibration behavior of system. The CNT reinforcement is either uniformly distributed or functionally graded (FG) along the thickness direction indicated with FGV, FGO and FGX. Effective properties of nano-composite structure are estimated through Mixture low. The surrounding elastic foundation is simulated with spring and shear constants. The material properties of shell and elastic medium constants are assumed temperature-dependent. The motion equations are derived using Hamilton's principle applying first order shear deformation theory (FSDT). Based on differential cubature (DC) method, the frequency of nano-composite structure is obtained for different boundary conditions. A detailed parametric study is conducted to elucidate the influences of external applied voltage, elastic medium type, temperature distribution type, boundary conditions, volume percent and distribution type of CNT are shown on the frequency of system. In addition, the mode shapes of shell for the first and second modes are presented for different boundary conditions. Numerical results indicate that applying negative voltage yields to higher frequency. In addition, FGX distribution of CNT is better than other considered cases.
Bidgoli, Mahmood Rabani;Karimi, Mohammad Saeed;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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제19권3호
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pp.713-733
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2015
In this paper, viscous fluid induced nonlinear free vibration and instability analysis of a functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) cylindrical shell integrated with two uniformly distributed piezoelectric layers on the top and bottom surfaces of the cylindrical shell are presented. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are selected as reinforcement and effective material properties of FG-CNTRC cylindrical shell are assumed to be graded through the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. The elastic foundation is modeled by temperature-dependent orthotropic Pasternak medium. Considering coupling of mechanical and electrical fields, Mindlin shell theory and Hamilton's principle, the motion equations are derived. Nonlinear frequency and critical fluid velocity of sandwich structure are calculated based on differential quadrature method (DQM). The effects of different parameters such as distribution type of SWCNTs, volume fractions of SWCNTs, elastic medium and temperature gradient are discussed on the vibration and instability behavior of the sandwich structure. Results indicate that considering elastic foundation increases frequency and critical fluid velocity of system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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