On application of piezoelectronic shear effect to active damping of transverse vibration in beams

• Autorzy: Przybyłowicz P. M.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper the problem of active damping of transverse vibration of a beam by making use of piezoelectric elements with shear piezoelectric effect employed is taken up. The analysis was motivated by the fact that popular piezoelectric materials made of lead zirconate titanate ceramics (PZT) exhibit very strong shear effect, being roughly three times greater than the longitudinal effect. The shear effect can be applied to beam-like systems by gluing piezoelectric sensors and actuators not to external surfaces of a given structure but placing them e.g. between two parallel strips as it is realised in three-layer sandwich structures, in which the middle layer is to dissipate vibration energy. In the presented model the middle viscoelastic core is replaced with a purely elastic piezoelectric element. Some preliminary results obtained for the proposed model based on a cantilever Timoshenko's beam made of PZT are presented. The method of control, generalised with respect to the piezoelectric shear effect boundary conditions, and finally, the resonance characteristics corresponding to excitation by external harmonicforce are discussed. Particulary advantageous effect of the active damping is confirmed for lower resonances, where the natural damping by internal friction in the material is weak.

PL

O zastosowaniu postaciowego efektu piezoelektrycznego do aktywnego tłumienia drgań poprzecznych belek. W pracy podjęto problem aktywnego tłumienia drgań poprzecznych belki za pomocą elementów piezoelektrycznych przy wykorzystaniu postaciowego efektu piezoelektrycznego. Motywację podjętych badań stanowi fakt, że popularne piezoelektryki ceramiczne wykonane na bazie spieków tlenku cyrkonu i tytanu (PZT) wykazują bardzo silny efekt postaciowy, około trzykrotnie większy od efektu wzdłużnego. Efekt postaciowy może zostać wykorzystany poprzez zastosowanie elementów nie przez naklejenie akumulatorów na zewnętrznych powierzchniach belki, lecz umieszczenie w strukturze samej belki, np. między dwiema równoległymi listwami, podobnie jak w konstrukcjach typu sandwich, gdzie warstwą silnie rozpraszającą energię drgań jest warstwa środkowa - tu zastąpiona piezoelektrykiem. W pracy przedstawiono wstępne wyniki badań bazujące na modelu wspornikowej belki Timoszenki wykonanej z ceramiki PZT. Omówiono metodę sterowania, uogulnione na piezoelektryczny efekt postaciowy warunki brzegowe oraz, jako rezultat końcowy, charakterystki rezonansowe przy wymuszeniu harmoniczną siłą zewnętrzną. Stwierdzono szczególnie korzystne działanie aktywnego tłumienia wykorzystującego efekt postaciowy dla niskich częstości, rezonansowych, słabo tłumionych przez naturalne właściwości dyssypatywne materiału belki.

Słowa kluczowe

EN

piezoelectricity; shear effect; active damping; Tomishenko's beam

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2000
• Tom: Vol. 38 nr 3
• Strony: 573--589
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Przybyłowicz P. M.

• Institute of Machine Design Fundamentals, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• 1. ALAM N., ASNANI N.T., 1986, Vibration and Damping Analysis of Fiber-Reinforced Composite Material Plates, Journal of Composite Materials, 20, 2-18.
• 2. BAILEY T., HUBBARD J.E. JR., 1985, Distributed Piezoelectric-Polymer Active Vibration Control of a Cantilever Beam, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Journal of Guidance, Control and Dynamics, 8, 605-611.
• 3. CHIA-CHI SUNG, VASUNDARA V. VARADAN, XIAO-QI BAO, VIJAY K. VARA-DAN, 1994, Active Torsional Vibration Control Experiments Using Shear-Type Piezoceramic Sensors and Actuators, Journal of Intelligent Material Structures and Systems, 5, 3, 436-442.
• 4. COWPER G.R., 1966, The Shear Coefficient in Timoshenko's Beam Theory, Journal of Applied Mechanics, 33, 335-340.
• 5. CRAWLEY E.F., DE LUIS J., 1987, Use of Piezoelectric Actuators as Elements of Intelligent Structures, American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, 25, 1373-1385.
• 6. CRAWLEY E.F., ANDERSON E.H., 1990, Detailed Models of Piezoceramic Actuation of Beams, Journal of Intelligent Material Structures and Systems, 1, 1, 4-25.
• 7. DUROCHER L.L., SOLECKI R., 1976, Harmonie Vibrations of Isotropic, Elastic, and Elastic/Viscoelastic Three-Layered Plates, Journal of the Acoustical Society of America, 60, 1, 105-112.
• 8. KAPADIA R.K., KAWIECKI G., 1996, Low Frequency Vibration Attenuation Using Segmented Active Constrained Layer Damping Treatments, Proceedings of the 1-st European Conference on Structural Control, 378-385.
• 9. KAPADIA R.K., KAWIECKI G., 1997, Experimental Evaluation of Segmented Active Constrained Layer Damping Treatments, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 8, 2, 103-111.
• 10. MEAD D.J., 1982, A Comparison of Some Equations for the Flexural Vibration of Damped Sandwich Beams, Journal of Sound and Vibration, 83, 3, 363-377.
• 11. MENG-KAO YEH, CHIH-YUAN CHIN, 1994, Dynamic Response of Circular Shaft with Piezoelectric Sensor, Journal of Intelligent Material Structures and Systems, 5, 11, 833-840.
• 12. VAN NIEKERK J.L, TONGUE B.H., PACKARD A.K., 1995, Active Control of a Circular Plate to Reduce Transient Noise Transmission, Journal of Sound and Vibration, 183, 4, 643-662.
• 13. NYE J.F., 1985, Physical Properties of Crystals, Oxford: Clarendon.
• 14. PIETRZAKOWSKI M., 1997, Dynamic Model of Beam-Piezoelectric Actuator Coupling for Active Vibration Control, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 35, 1, 3-20.
• 15. PRZYBYŁOWICZ P.M., 1995, Torsional Vibration Control by Active Piezoelectric System, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 33, 4, 809-823.
• 16. PRZYBYŁOWICZ P.M., 1999, Acitive Stabilisation of a Rotating Shaft by Piezoelectric Elements (in Polish), Zbiór prac X Jubileuszowego Sympozjum Dynamiki Konstrukcji, Rzeszów, 25-26 maj 1999, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 174, 52, 207-214.
• 17. SPEARRITT D.J., ASOKANTHAN, S.F., 1996, Torsional Vibration Control of a Flexible Beam Using Laminated PVDF Actuators, Journal of Sound and Vibration, 193, 5, 941-956.
• 18. TYLIKOWSKI A., 1993, Stabilization of Beam Parametric Vibrations, Journal of the Theoretical and Applied Mechanics, 31, 3, 657-670.
• 19. Tzou H.S., 1991, Distributed Piezoelectric Neurons and Muscles for Shell Continua, The 1991 ASME Design Technical Conferences - 13th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise, Structural Vibration and Acoustics, DE-Vol. 34, 1-6.
• 20. YAN M.J., DOWELL E.H., 1974, Elastic Sandwich Beam or Plate Equations Equivalent to Classical Theory, Journal of Applied Mechanics, 41, 526-527.
• 21. Yu Y.Y, 1959, A New Theory of Elastic Sandwich Plates - One-Dimensional Case, Journal of Applied Mechanics, 26, 415-421.