Finite element analysis and design of piezoelectric controlled wmart structures

• Autorzy: Berger H. , Gabbert U. , Koppe H. , Seeger F.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper gives an overview of about recent developements in modelling, numerical analysis and design of piezoelectric controlled smart structures. Then, the theoretical basis of a general purpose finite element simulation tool developed by the authors is presented. This tool contains a number of coupled thermo-electro-mechanical 1D, 2D, 3D as well as layered plate and shell finite elements for simulating controlled structures in static and dynamic applications, where also optimization algorithms (e.g. for actuator location) can be included. Finally, three examples; i.e., actively controlled beam, vibration isolation of a box, and vibration isolation of a plate as a part of an exited cylinder structure, are presented to demonstrate the capability and efficiency of the simulation and design tool.

PL

Zastosowanie metody elementów skończonych do analizy i projektowania piezoelektrycznie sterowanych konstrukcji inteligentnych Praca daje przegląd nowych osiągnięć z zakresu modelowania, analizy numerycznej i projektowania konstrukcji inteligentnych z piezoelektrycznymi elementami wykonawczymi. Omówiono teoretyczne podstawy opracowanych przez autorów narzędzi symulacyjnych korzystających z metody elementów skończonych. Narzędzie to zawiera zarówno jedno-, dwu- i trójwymiarowe sprzężone elementy termo-elektro-mechaniczne, jak i elementy skończone nadające się do symulacji statyki i dynamiki płyt i powłok warstwowych ze sterowaniem. Możliwe jest również włączenie algorytmów optymalizacyjnych, np. służących do optymalnego wyznaczania położenia aktuatora. Aktywnie sterowana belka, zagadnienie wibroizolacji pojemnika oraz wibroizolacji płyty jako części pobudzanej konstrukcji walcowej są przykładami pokazującymi możliwości i efektywność opracowanego narzędzia.

Słowa kluczowe

EN

smart structures; finite element analysis; piezoelasticity

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2000
• Tom: Vol. 38 nr 3
• Strony: 476--498
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Berger H.

• Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg, Institut fur Mechanik

autor

Gabbert U.

• Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg, Institut fur Mechanik

autor

Koppe H.

• Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg, Institut fur Mechanik

autor

Seeger F.

• Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg, Institut fur Mechanik

Bibliografia

• 1. BERGER H., CAO X., KOPPE H., GABBERT U., 1998, Finite Element Based Analysis of Adaptive Structures, in Fortschr.-Ber. VDI Reihe 11, 268, Düsseldorf, VDI Verlag, 103-114.
• 2. CAO X., GABBERT U., POETZSCH R., 1998, Delamination Modelling and Analysis of Adaptive Composites, Proceedings of the 39th AIAA Conference, Adaptive Structure Forum, Long Beach, CA, paper AIAA-98-2046.
• 3. CHEE C.Y., TONG L., STEVEN CP., 1998, A Review on the Modelling of Piezoelectric Sensors and Actuators Incorporated in Intelligent Structures, J. of Intelligent Material Systems and Structures, 9, 3-19.
• 4. COSAR - General Purpose Finite Element Package: Manual, FEMCOS mbH Magdeburg (see also: http://www.femcos.de).
• 5. GABBERT U. (edit.), 1998, Modelling and Control of Adaptive Mechanical Structures, Fortschr.-Ber. VDI Reihe 11, 268, Düsseldorf, VDI Verlag.
• 6. GABBERT U., GÖRNANDT A., KOPPE H., SEEGER F., 1999a, Benchmark Problems for the Analysis of Piezoelectric Controlled Smart Structures, ASME, Design Engineering Technical Conferences DETC'99, Las Vegas, Nevada, DETC99/VIB-8391.
• 7. GABBERT U., KREHER W., KOPPE H., 1999b, Mathematical Modeling and Numerical Simulation of Smart Structures Controlled by Piezoelectric Wafers and Fibers, Proceedings of the EUROMAT'99 Conference, Munich.
• 8. GABBERT U., WEBER C-T., 1999, Analysis and Optimal Design of Piezoelectric Smart Structures by the Finite Element Method, Proceedings of the European Conference on Computational Mechanics, Munich.
• 9. GÖRNANDT A., GABBERT U., 2000, Finite Element Analysis of Thermopiezo-electric Smart Strucures, Acta Mechanica (in submitted).
• 10. HA S.K., KEILERS C, CHANG F.-K., 1992, Finite Element Analysis of Composite Structures Containing Distributed Piezoceramic Sensors and Actuators, AIAA Journal, 30, 3, 772-780.
• 11. HWANG W.-S., HYUN CP., 1993, Finite Element Modeling of Piezoelectric Sensors and Actuators, AIAA Journal, 31, 5, 930-937.
• 12. IRONS B.M., 1976, The Semiloof Shell Element, in Ashwell D.G. and Gallagher R.H. (edit.), Finite Elements for Thin Shells and Curved Members, J. Wiley, London.
• 13. KÖLSCH H., 1993, Schwingungsdämpfung durch statische Hysterese, VDI Verlag, Düsseldorf.
• 14. KOPPE H., GABBERT U., TZOU H.S., 1998, On Three-Dimensional Layered Shell Elements for the Simulation of Adaptive Structures, in Fortschr.-Ber. VDIReihe 11, 268, Dusseldorf, VDI Verlag, 103-114
• 15. LIN M.W., ABATAN A.O., ROGERS C.A., 1994, Application of Commercial Finite Element Codes for the Analysis of Induced Strain-Actuated Structures, Proceedings of 2nd Int. Conference on Intelligent Materials, Williamsburg (USA), 846-855.
• 16. MASON W.P., 1954, Piezoelectric Crystals and Their Application to Ultrasonics, D. Van Nostrand Company, New York.
• 17. MINDLIN R.D., 1961, On the Equations of Motion of Piezoelectic Crystals, in J.R.M. Radock (edit.), Problems in Continuum Mechanics, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 282-290.
• 18. NYE H.F., 1985, Physical Properties of Crystals, University Press, Oxford.
• 19. PARKUS H. (edit.), 1979, Electromagnetic Interactions in Elastic Solids, Springer Verlag, Wien, New York.
• 20. RAO S.S., SUNAR M., 1993, Analysis of Distributed Thermopiezoelectric Sensors and Actuators in Advanced Intelligent Structures, AIAA Journal, 31, 7, 1280-1286.
• 21. SPORN D., SCHONECKER A., 1999, Composites with Piezoelectric Thin Fibers - First Evidence of Piezoelectric Behaviour, Mat. Res. Innovat., 2, 303-308.
• 22. TIERSTEN H.F., 1969, Linear Piezoelectric Plate Vibration, Plenum Press, New York.
• 23. Tzou H.S., ANDERSON G.L. (edit.), 1992, Intelligent Structural Systems, Kluwer Academic Publishers.
• 24. Tzou H.S., 1993, Piezoelectric Shells (Distributed Sensing and Control of Con¬tinua), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London.
• 25. Tzou H.S., YE R., 1994, Piezothermoelasticity and Precision Control of Piezoelectric Systems: Theory and Finite Element Analysis, Journal of Vibration and Acoustics, 116, 489-495.
• 26. TZOU H.S., GURAN A. (edit.), 1998, Structronic Systems: Smart Structures, Devices and Systems, Part 1: Materials and Structures, Part 2: Systems and Control, World Scientific.
• 27. VOIGT W., 1910, Lehrbuch der Kristallphysik, Teubner, Leipzig.
• 28. WEBER CH.-T., GABBERT U., SCHULZ I., 1998, Actuator Placement in Smart Structures by Discrete-Continuous Optimization, Proceedings of the Ąth European and 2nd MIMR Conference on Smart Materials and Structures, Harrogate, UK, 475-484.