Ocena wpływu warstw piezoelektrycznych oraz warunków brzegowych na zachowanie hybrydowych płyt kompozytowych o różnych układach warstw

• Autorzy: Teter A. , Gawryluk J.

Identyfikatory

DOI

10.5604/12345865.1145480

Warianty tytułu

EN

Assessment of piezoelectric layers and boundary conditions influence on the behaviour of hybrid composite plates with different layups

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W niniejszej pracy badano sześciowarstwowe hybrydowe płyty kompozytowe wykonane z laminatu czterowarstwowego oraz z dwóch okładzin z materiału wykazującego efekt piezoelektryczny. Rozważono różne układy warstw oraz różne warunki brzegowe. Do symulacji numerycznych metodą elementów skończonych zastosowano komercyjny system Abaqus, który umożliwia modelowanie zjawiska sprzężenia elektromechanicznego w zagadnieniach statycznych oraz dynamicznych. Na wstępie metodami numerycznymi MES wyznaczono statyczne ugięcia płyt wywołane przez przyłożone napięcie zasilające do okładzin zewnętrznych. Dodatkowo porównano strzałki ugięcia dla różnych napięć. Otrzymane rezultaty obliczeń porównano z wynikami zaczerpniętymi z prac innych autorów. Wykonane symulacje potwierdziły adekwatność przygotowanego modelowania do symulacji zagadnienia sprzężenia elektromechanicznego. W drugim etapie wykonano numeryczną analizę modalną układu z uwzględnieniem (tzw. układ otwarty) i bez uwzględnienia (tzw. układ zamknięty) efektu piezoelektrycznego dla różnych układów warstw. Prezentowane modele MES umożliwią analizy innych hybrydowych elementów konstrukcyjnych wykazujących sprzężenie elektromechaniczne.

EN

In the present paper, six-layer hybrid composite panels, made of four-layered laminate and two facings of piezoelectric material were studied. Different configurations of laminate layers and different boundary conditions were considered. The Numerical simulations using Finite Element Method were performed with the commercial system Abaqus, which allowed for modelling the phenomena of electromechanical coupling, both in static and dynamic cases. Firstly, static deflection of the plates induced by the applied voltage on the external facings was determined with numerical methods (FEM). In addition, the deflections at different voltages were compared. The results of static calculations were validated with those published by other authors. The performed simulations have confirmed the adequacy of the FEM model for the simulation at electromechanical coupling. In the second stage, numerical analysis of the system with piezoelectric effect (open system) and without the piezoelectric effect (closed system) was performed. The presented FEM models are expected to contribute to analyses of other hybrid structural elements exhibiting electromechanical coupling.

Słowa kluczowe

PL

MES; sprzężenie elektromechaniczne; efekt piezoelektryczny; laminat włóknisty; drgania własne; belka hybrydowa; PZT; aktuatory

EN

FEM; electromechanical coupling; piezoelectric effect; fibrous laminate; natural frequencies; hybrid beam; PZT; actuators

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 64, nr 1
• Strony: 103--125
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Teter A.

• Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Stosowanej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin

autor

Gawryluk J.

• Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Stosowanej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin

Bibliografia

• [1] Tylikowski A., Konstrukcje inteligentne, Mechanika Teoretyczna i Stosowana, 4(35), 1997, 991-1002.
• [2] Schwartz M. (red.), Encyclopedia of Smart Materials, A Wiley-Interscience Publication, John Wiley and Sons, Inc., New York, 2002.
• [3] Wang K.W., Tang J., Adaptive Structural Systems with Piezoelectric Transducer Circuitry, Springer Science+Business Media, LLC, 2008.
• [4] Preumont A., Kazuto Seto, Active Control of Structures, JohnWiley & Sons Ltd., 2008.
• [5] Wagg D., Bond I., Weaver P., Friswell M., Adaptive Structures Engineering Applications, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2007.
• [6] Leo D.J., Engineering analysis of smart material systems, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.
• [7] Chandrashekhara K., Agarwal A., Active Vibration Control of Laminated Composite Plates Using Piezoelectric Devices-A Finite Element Approach, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 4(4), 1993, 496-508.
• [8] Erturk A., Inman D.J., Piezoelectric energy harvesting, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, UK, 2011.
• [9] Matthews F.L., Davies G.A.O., Hitchings D., Soutis C., Finite element modelling of composite materials and structures, Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, 2000.
• [10] Dimitriadis E.K., Fuller C.R., Rogers C.A., Piezoelectric Actuators for Distributed Vibration Excitation of Thin Plates, Journal of Vibration and Acoustics, 113(1), 100-107.
• [11] LI Sheng, Zhao Deyou, Numerical simulation of active control of structural vibration and acoustic radiation of a fluid-loaded laminated plate, Journal of Sound and Vibration 272, 2004, 109-124.
• [12] Osmont D., Pablo F., Use of Classical Plate Finite Elements for Analysis of Electroactive Composite Plates. Theoretical Aspects, Journal of Intelligent Materials, Systems and Structures, 20, 2009, 1845-1860.
• [13] Cen S., Soh A.K., Long Y.Q., Yao Z.H., A New 4-node Quadrilateral FE Model with Variable Elelctrical Degrees of Freedom for the Analysis of Piezoelectric Laminated Composite Plates, Com¬posite Structures, 58, 2002, 583-599.
• [14] Brański A., Szela S., Improvement of Effectiveness in Active Triangular Plate Vibration Reduction, Archives of Acoustics, vol. 33, no. 4, 2008, 521-530.
• [15] Polit O., Bruant I., Electric Potential Approximations for an Eight Node Plate Finite Element, Computers and Structures, 84, 2005, 1480-1493.
• [16] Kamm L.J., Understanding Electro-Mechanical Engineering. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., IEEEPress, New York, 1996.
• [17] Wojciechowski S., Materiały inteligentne. Stan zagadnienia 2003, Inżynieria Materiałowa, 2, 2004, 59-105.
• [18] Hanc A., Elementy wykonawcze - aktuatory. Wykorzystanie elementów piezoelektrycznych, Pomiary, Automatyka, Robotyka, 6(12), 2008, 52-53.
• [19] Pablo F., Bruant J., Polit O., Use of Classical Plate Finite Elements for the Analysis of Electroactive Composite Plates. Numerical Validations, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 20, 2009, 1861-1873.
• [20] Ha S.K., Keilers C., Chang F., Finite Element Analysis of Composite Structures Containing Distributed Piezoceramic Sensors and Actuators, American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, 30(3), 1992, 772780.
• [21] Lam K.Y., Peng X.Q., Liu G.R., Reddy J.N., A Finite element Model for Piezoelectric Composite Laminates, Smart Materials and Structures, 6, 1997, 583-591.
• [22] Teter A., Gawryluk J., Zastosowanie metody elementów skończonych do oceny wpływu warstw piezoelektryków na zachowanie płyty kompozytowej”, XIII Konferencja Naukowo-Techniczna TKI2014, Techniki Komputerowe w Inżynierii w Licheniu Starym, 6-9-05-2014 r. Streszczenia, 189-190.
• [23] Abaqus HTMLDocumentation, 2013.
• [24] Latalski J., Modelowanie w systemie Abaqus piezoelektrycznych elementów aktywnych typu MFC, Eksploatacja i Niezawodność, 4, 2011, 72-78.
• [25] Kirsch U., Design-oriented analysis of structures. Unified approach, Kluwer Academic Publishers, 2004.

Uwagi

PL

Badania zostały zrealizowane w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/B/ST8/03931. Artykuł opracowany na podstawie referatu wygłoszonego na XIII Konferencji TKI (Techniki Komputerowe w Inżynierii) 2014, Licheń Stary 6-9.05.2014 r.