Ứng dụng giảm chấn chủ động cho các dao động phi tuyến hình học của vỏ mỏng composite lớp lam sử dụng vật liệu piezoelectric 1-3 gia cố theo phương thẳng đứng/xiên

S. K. Sarangi1, M. C. Ray1
1Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology, Kharagpur, India

Tóm tắt

Bài báo này đề cập đến việc phân tích giảm chấn lớp ràng buộc chủ động (ACLD) đối với các dao động tạm thời phi tuyến hình học của các vỏ mỏng composite lớp lam hình trụ sử dụng vật liệu piezoelectric composite (PZC) được gia cố theo phương thẳng đứng. Lớp ràng buộc của biện pháp ACLD được xem xét là được làm từ vật liệu PZC 1-3 này. Phương pháp Golla–Hughes–McTavish (GHM) đã được áp dụng để mô hình hóa lớp viscoelastic ràng buộc của biện pháp ACLD trong miền thời gian. Các quan hệ biến dạng giãn nở phi tuyến loại Von Kármán và lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) được sử dụng để giải quyết vấn đề liên kết điện cơ này. Một mô hình phần tử hữu hạn (FE) ba chiều của vỏ composite thông minh mỏng tích hợp với một miếng ACLD đã được phát triển nhằm chứng minh hiệu suất của miếng này trong việc nâng cao đặc tính giảm chấn của các vỏ hình trụ mỏng, qua việc kiểm soát các dao động phi tuyến hình học tạm thời. Các kết quả số cho thấy miếng ACLD cải thiện đáng kể các đặc tính giảm chấn của các vỏ nhằm ức chế các dao động phi tuyến hình học tạm thời của chúng. Ảnh hưởng của sự thay đổi phương hướng sợi trong vật liệu PZC đối với khả năng kiểm soát của miếng ACLD cũng đã được nghiên cứu.

Từ khóa

#giảm chấn chủ động #ràng buộc #phi tuyến hình học #dao động tạm thời #composite lớp lam

Tài liệu tham khảo

Baz, A.: Active constrained layer damping. US patent 5,485,053, 1996 Bailey, T., Hubbard, J.E.: Distributed piezoelectric polymer active vibration control of a cantilever beam. J. Guid. Control Dyn. 8, 605–611 (1985) Balamurugan, V., Naratanan, S.: A piezolaminated composite degenerated shell finite element for active control of structures with distributed piezosensors and actuators. Smart Mater. Struct. 17, 035031 (2008) Baz, A., Poh, S.: Performance of an active control system with piezoelectric actuators. J. Sound Vib. 126, 327–343 (1988) Chang, T.Y., Swamiphakdi, K.: Large deformation analysis of laminated shells by finite element method. Comput. Struct. 13, 331–340 (1981) Crawley, E.F., Luis, J.D.: Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures. AIAA J. 25(10), 1373–1385 (1987) Gao, J.X., Shen, Y.P.: Active control of geometrically nonlinear transient vibration of composite plates with piezoelectric actuators. J. Sound Vib. 264, 911–928 (2003) Ghosh, K., Batra, R.C.: Shape control of plates using piezoceramic elements. AIAA J. 33(7), 1354–1357 (1995) Hanagud, S., Obal, M.W., Calise, A.J.: Optimal vibration control by the use of piezoceramic sensors and actuators. J. Guid. Control Dyn. 15(5), 1199–1206 (1992) Hellen, L.C., Kun, L., Chung, L.C.: Piezoelectric ceramic fiber/epoxy 1-3 composite for high frequency ultrasonic transducer application. Mater. Sci. Eng. B 99, 29–35 (2003) Ishihara, M., Noda, N.: Nonlinear dynamic behavior of a piezothermoelastic laminated plate with anisotropic material properties. Acta Mech. 166, 103–118 (2003) Kim, J., Varadan, V.V., Varadan, V.K., Bao, X.Q.: Finite element modeling of a smart cantilever plate, comparison with experiments. Smart Mater. Struct. 5(2), 165–170 (1996) Kundu, C.K., Han, J.H.: Nonlinear buckling analysis of hygrothermoelastic composite shell panels using finite element method. Composites: B 40, 313–328 (2009) Lam, M.J., Inman, D.J., Saunders, W.R.: Hybrid damping models using the Golla–Hughes–McTavish method with internally balanced model reduction and output feedback. Smart Mater. Struct. 9, 362–371 (2000) Lim, Y.H., Gopinathan, S.V., Varadan, V.V., Varadan, V.K.: Finite element simulation of smart structures using an optimal output feedback controller for vibration, noise control. Smart Mater. Struct. 8(3), 324–337 (1999) Lim, Y.-H., Varadan, V.V., Varadan, V.K.: Closed loop finite element modeling of active constrained layer damping in the time domain analysis. Smart Mater. Struct. 11, 89–97 (2002) McTavish, D.J., Hughes, P.C.: Modelling of linear viscoelastic space structures. J. Vib. Acoust. 115, 103–113 (1993) Meng, G., Ye, L., Dong, X.J., Wei, K.X.: Closed loop finite element modeling of piezoelectric smart structures. Shock Vib. 13(1), 1–12 (2006) Moita, J.M.S., Soares, C.M.M., Soares, C.A.M.: Geometrically non-linear analysis of composite structures with integrated piezoelectric sensors and actuators. Compos. Struct. 57, 253–261 (2002) Mukherjee, A., Chaudhuri, A.S.: Nonlinear dynamic response of piezolaminated smart beams. Comput. Struct. 83, 1298–1304 (2005) Nanda, N., Bandopadhyay, J.N.: Nonlinear free vibration analysis of laminated composite cylindrical shells with cutouts. J. Reinf. Plast. Compos. 26, 1413–1427 (2007) Pai, P.F., Nafeh, A.H., Oh, K., Mook, D.T.: A refined nonlinear model of composite plates with integrated piezoelectric actuators, sensors. Int. J. Solids Struct. 30(12), 1603–1630 (1993) Panda, S., Ray, M.C.: Active constrained layer damping of geometrically nonlinear vibrations of functionally graded plates using piezoelectric fiber-reinforced composites. Smart Mater. Struct. 17(2), 1–15 (2008) Peng, F., Ng, A., Hu, Y.R.: Actuator placement optimization and adaptive vibration control of plate smart structures. J. Intel. Mater. Syst. Struct. 16, 263–271 (2005) Ray, M.C.: Optimal control of laminated shells with piezoelectric sensor and actuator layers. AIAA J. 41, 1151–1157 (2003) Ray, M.C., Pradhan, A.K.: Performance of vertically reinforced 1-3 piezoelectric composites for active damping of smart structures. Smart Mater. Struct. 15(1), 631–641 (2006) Ray, M.C., Pradhan, A.K.: On the use of vertically reinforced 1-3 piezoelectric composites for hybrid damping of laminated composite plates. Mech. Adv. Mater. Struct. 14(4), 245–261 (2007) Ray, M.C., Shivakumar, J.: Active constrained layer damping of geometrically nonlinear transient vibrations of composite plates using piezoelectric fiber-reinforced composite. Thin Walled Struct. 47, 178–189 (2009) Reddy, J.N.: Mechanics of laminated composite plates theory and analysis. CRC Press, Boca Raton, FL (1997) Reddy, J.N., Chandrasekhara, K.: Nonlinear analysis of laminated shells including transverse shear strains. AIAA J. 23, 40–41 (1985) Sarangi, S.K., Ray, M.C.: Smart damping of geometrically nonlinear vibrations of laminated composite beams using vertically reinforced 1-3 piezoelectric composites. Smart Mater. Struct. 19, 075020 (2010) Shin, D.K.: Large amplitude free vibration behavior of doubly curved shallow open shells with simply-supported edges. Comput. Struct. 62, 35–49 (1997) Smith, W.A., Auld, B.A.: Modelling 1-3 composite piezoelectrics: thickness mode oscillations. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control 31, 40–47 (1991) Xu, S.X., Koko, T.S.: Finite element analysis, design of actively controlled piezoelectric smart structures. Finite Elem. Anal. Des. 40(3), 241–262 (2004)