Reddya, A. Rami;Umapathy, M.;Ezhilarasib, D.;Uma, G.
Smart Structures and Systems
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v.16
no.4
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pp.623-640
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2015
This paper presents techniques to harvest higher voltage from piezoelectric cantilever energy harvester by structural alteration. Three different energy harvesting structures are considered namely, stepped cantilever beam, stepped cantilever beam with rectangular and trapezoidal cavity. The analytical model of three energy harvesting structures are developed using Euler-Bernoulli beam theory. The thickness, position of the rectangular cavity and the taper angle of the trapezoidal cavity is found to shift the neutral axis away from the surface of the piezoelectric element which in turn increases the generated voltage. The performance of the energy harvesters is evaluated experimentally and is compared with regular piezoelectric cantilever energy harvester. The analytical and experimental investigations reveal that, the proposed energy harvesting structures generate higher output voltage as compared to the regular piezoelectric cantilever energy harvesting structure. This work suggests that through simple structural modifications higher energy can be harvested from the widely reported piezoelectric cantilever energy harvester.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.12
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pp.1314-1321
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2004
The non-linear responses of a slender rectangular cantilever beam subjected to lateral harmonic base-excitation are investigated by the 2-channel FFT analyzer. Both linear and nonlinear behaviors of the cantilever beam are compared with each other. Bending mode, torsional mode, and transverse mode are coupled in such a way that the energy transfer between them are observed. Especially, superharmonic, subharmonic, and chaotic motions which result from the unstable inertia terms in the transverse mode are analyzed by the FFT analyzer The aim is to give the explanations of the route to chaos, i.e., harmonic motion \longrightarrow superharmonic motion \longrightarrow subharmonic motion \longrightarrow chaos.
Kim, Myoung-Gu;Pak, Chul-Hui;Cho, Chong-Du;Piao, Chang-Hao
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.567-571
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2005
The slender rectangular cantilever beam has vef interesting to study dynamic behaviors of the harmonic base excitation of a cantilever beam shows many nonlinear dynamics due to unstability , energy transfer and mode coupling. Nonlinear phenomenon shows superharmonic, subharmonic, super subharmonic and chaotic motions of the cantilever beam. Experimental observation and verification of these phenomenon carry much importance for the theoretical study as well as in it self. In the experimental cantilever beam, the chaotic motions of the beam appear as a pink noise signal in FFT analysis and as a torus structure in the oscilloscope analyzed to eventually give information of chaotic motions of the cantilever beam.
Vibration, buckling and dynamic stability of a cantilever rectangular plate subjected to an in-plane sinusoidally varying load applied along the free end are analyzed. The thin plate small deflection theory is used. The Rayleigh-Ritz method is employed to solve vibration and buckling of the plate. The dynamic stability problem is solved by using the Hamilton principle to drive time variables. The resulting time variables are solved by the harmonic balance method. Buckling properties and natural frequencies of the plate are shown at first. Unstable regions are presented for various loading conditions. Simple parametric resonances and combination resonances with sum type are obtained for various loading conditions, static load and damping.
This paper describes the formulation of rectangular flat shell element that is modeled with the six degree of freedoms including a rotational degree of freedom. The rectangular finite element matrix with a rotational degree of freedom is developed using a beam stiffness matrix and compared with other methods. The outputs of the quantity of vertical deflection of cantilever beam show us the improving evidence of the Frame-Shell finite element matrix in a calculation of vertical deflections of cantilever beam.
Atomic force microscopy (AFM) has been used for imaging surfaces and measuring surface forces at the nano-scale. Force calibration is important for the quantitative measurement of forces at the nano-scale using AFM. Normal force calibration is relatively straightforward, whereas the lateral force calibration is more complicated since the lateral stiffness of the cantilever is often comparable to the contact stiffness. In this work, the lateral force calibrations of the rectangular cantilever were performed using torsional Sader's method, thermal noise method, and wedge calibration method. The lateral optical lever sensitivity for the thermal noise method was determined from the friction loop under various normal forces as well. Experimental results showed that the discrepancies among the results of the different methods were as large as 30% due to the effect of the contact stiffness on the lateral force calibration of the cantilever used in this work. After correction for the effect of contact stiffness, all the calibration results agreed with each other, within experimental uncertainties.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.10a
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pp.533-534
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2013
This paper is concerned with the active vibration control of rectangular plate equipped with MFC actuators. To this end, the dynamic model of the rectangular plate bonded with MFC sensors and actuators was derived by means of the Rayleigh-Ritz method. The MFC actuator and sensor were modeled based on the pin-force assumption. The theoretical model was then validated experimentally. The multiinput and multi-output (MIMO) Positive Position Feedback (PPF) controller was designed based on the natural mode shapes and implemented using dSpace system and Simulink. The proposed control algorithm was applied to the cantilever plate having two MFC wafers having both sensor and actuator. Numerical and experimental investigations were carried out. Both theoretical and experimental result shows that the proposed control algorithm can effectively suppress vibrations of cantilever plate.
The modal characteristics of rotating structures vary with the rotating speed. The material and the geometric properties of the structures as well as the rotating speed influence the variations of their modal characteristics. Very often, the modal characteristics of rotating structures need to be specified at some rotating speeds to meet their design requirements. In this paper, rotating cantilever beam is chosen as a design target structure. Optimization problems are formulated and solved to find the optimal shapes of rotating beams with rectangular cross section.
Quantifying the nanoscale force between the atomic force microscopy (AFM) probe of a force-sensing cantilever and the sample is one of the challenges faced by AFM researchers. The normal force calibration is straightforward; however, the lateral force is complicated due to the twisting motion of the cantilever. Force measurement in a liquid environment is often needed for biological applications; however, calibrating the force of the AFM probes for those applications is more difficult owing to the limitations of conventional calibration methods. In this work, an accurate nondestructive lateral force calibration method using multiple pivot loading was proposed for liquid environment. The torque sensitivity at the location of the integrated probe was extrapolated based on accurately measured torque sensitivities across the cantilever width along a few cantilever lengths. The uncertainty of the torque sensitivity at the location of the integrated tip was about 13%, which is significantly smaller than those for other calibration methods in a liquid environment.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2012.10a
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pp.229-230
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2012
The free flexural vibration of a cantilever plate partially submerged in a fluid is investigated. The fluid is assumed to be inviscid and irrotational. The virtual mass matrix is derived by solving the boundary-value problem related to the fluid motion using elliptical coordinates. The introduction of the elliptical coordinates naturally leads to the use of the Mathieu function. Hence, the virtual mass matrix which reflects the effect of the fluid on the natural vibration characteristics is expressed in analytical form in terms of the Mathieu functions. The virtual mass matrix is then combined with the dynamic model of a thin rectangular plate obtained by using the Rayleigh-Ritz method. This combination is used to analyze the natural vibration characteristics of a partially submerged cantilever plate qualitatively. Also, the non-dimensionalized added virtual mass incremental factors for a partially submerged cantilever plate are presented to facilitate the easy estimation of natural frequencies of a partially submerged cantilever plate. The numerical results validate the proposed approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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