Modeling of smart composite shell structures

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

Warianty tytułu

PL

Modelowanie "inteligentnych" powłok kompozytowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recently, thin piezoelectric foils or fibers with a thickness between ... and ... have been manufactured and used sensor/actuator components of smart composite structures. The paper deals with the mathematical analysis and numerical simulation of such smart composite structures. A concept for laminated thin finite shell elements with active and passive layers considering three different approaches is introducted. In a test case the applicability of these different approaches is investigated and discussed. To verify the suitability of the algorithm for analyzing composite structures a practical example of a composite consisting of piezoelectric fibres embedded in a matrix material is considered. At first, the introduced composite shell elements are used, where the piezoelectric fibers are modeled as active layers in a smeared form. At second, a discrete concept is used, where the piezoelectric fibers are modeled as one-dimensional truss-like finite elements which are embedded into conventional finite elements by the penalty technique. These two approaches are discussed and compared.

PL

Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie konstrukcji "inteligentnych" zwracają uwagę na zastosowanie cienkich folii i włókien piezoelektrycznych o grubości ... jako czujników i elementów wykonawczych w aktywnych kompozytach. W pracy zawarto matematyczną analizę i wyniki symulacji numerycznych dla takich właśnie kompozytów. Wprowadzono koncepcję powłokowych laminowanych elementów skończonych z warstwami aktywnymi i pasywnymi oraz zaproponowano trzy różne podejścia, których możliwość zastosowania i przydatność przedyskutowano dla badanego przypadku. Przy weryfikacji adekwatności zaprezentowanego algorytmu do analizy aktywnych układów kompozytowych posłużono się przktycznym przykładem laminatu zawierającego włókna piezoelektryczne osadzone w materiale osnowy. Początkowo użyto wprowadzone powłokowe elementy skończone. gdzie włókna piezoelektryczne zamodelowano jako aktywne warstwy w formie rozmytej. Następnie zastosowano koncepcję układu dyskretnego, w którym włókna piezoelektryczne przedstawiono w formie jednowymiarowych kratowo-podobnych elementów skończonych wbudowanych w konwencjonalne elementy skończone przy użyciu techniki funkcji kary. Te dwie metody przedyskutowano i porównano.

Słowa kluczowe

EN

smart shell composites; piezoelectric foils; piezoelectric fibers; finite element analysis

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 40 nr 3
• Strony: 575--593
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gabbert U.

• Institute of Mechanics, University of Magdeburg, Germany

autor

Koppe H

• Institute of Mechanics, University of Magdeburg, Germany

autor

Seeger F.

• Institute of Mechanics, University of Magdeburg, Germany

autor

Berger H.

• Institute of Mechanics, University of Magdeburg, Germany

Bibliografia

• 1. BERGER H., GABBERT U., KÓPPE H., SEEGER F., 1999, Finite element analysis and design of piezoelectric controlled smart structures, J. of Theoretical and Applied Mechanics, 3, 38, 475-498
• 2. BERGER H., KÓPPE H., GABBERT U., SEEGER F., 2001, On finite element analysis of piezoelectric controlled smart structures, in Gabbert U., Tzou H.-S. (Eds.): Smart Structures and Structronic Systems, Kluwer Academic Publisher, 189-196
• 3. CHEE C.Y., TONG L., STEVEN G.P., 1998, A review on the modelling of piezoelectric sensors and actuators incorporated in intelligent structures, J. of Intelligent Materiał Systems and Structures, 9, 3-19
• 4. COSAR - General Purpose Finite Element Package: Manuał, (1992), FEMCOS mbH Magdeburg (sec also: http://www.femcos.de)
• 5. GABBERT U., BERGER H., KÓPPE H., CAO X., 2000a, On modeling and analysis of piezoelectric smart structures by the finite element method, J. of Applied Mechanics and Engineering, 5, 1, 127-142
• 6. GABBERT U., GÓRNANDT A., KÓPPE H., SEEGER F., 1999, Benchmark pro-blems for the analysis of piezoelectric controlled smart structures, ASME 1999, Design Engineering Technical Conferences DETC'99, Las Vegas, Nevada, September 12-16, 1999, paper: DETC99/VIB-8391 (on CD-ROM)
• 7. GABBERT U., KÓPPE H., SEEGER F., 2001, Overall design of activcly con-trollcd smart structures by the finite element methed, in Rao V.S. (Edit.): Mo-deling, Signal Processing, and Control in Smart Structures, SPIE Proceedings Senes, vol. 4326, 113-122
• 8. GABBERT U., KREHER W., KÓPPE H., 2000b, Mathematical modeling and numerical simulation of smart structures controlled by piezoelectric wafers and Fibers, Proceedings of the EUROMAT'99 Conference, 27-30 September 1999, Munich, Wiley-VCH, 13, 525-530
• 9. GABBERT U., Tzou H.S. (Eds.), 2001, Smart Structures and Structronic Systems, Kluwer Academic Publishers
• 10. GABBERT U., WEBER CH.-T., 1999, Optimization of piezoelectric materiał distribution in smart structures, in Varadan V.V. (Edit.): Mathematics and Control in Smart Structures, Proceedings of SPIE, vol. 3667, 13-22
• 11. GÓRNANDT A., GABBERT U., 2002, Finite element analysis of thermopiezo-electric smart structures, Acta Mechanica, 154, 129-140
• 12. IRONS B.M., 1976, The semiloof shell element, in Ashwell D.G. and Gallagher R.H. (Eds.): Finite Elements for Thin Shells and Curued Members, J. Wiley, London
• 13. KAMLAH M., TSAKMAKIS C., 1999, Phenomenological modeling of the non-linear electromechanical coupling in ferroelectrics, Int. J. of Solids and Struc¬tures, 36, 669-695
• 14. KÓPPE H., GABBERT U., Tzou H.-S., 1998, On three-dimensional layered shell elements for the simulation of adaptive structures, in Fortschr.-Ber. VDI Reihe 11, 268, Dusseldorf, VDI Verlag, 103-114
• 15. KÓPPE H., GABBERT U., LAUGWITZ F., WEBER C-T., 1999, Comparison of numerical and experimental results of structronik plate and shell structures, Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 6, 361-368
• 16. LEVIN V.M., RAKOVSKAJA M.I., KREHER W.S., 1999, The effective thermo-electroelastic properties of microinhomogeneous materials, Int. J. Solids and Structures, 36, 2683-2705
• 17. LIN M.W., ABATAN A.O., ROGERS C.A., 1994, Application of commercial finite element codes for the analysis of induced strain-actuated structures, Pro¬ceedings of 2nd Int. Conference on Intelligent Materials, June 5-8, 1994, Williamsburg (USA), 846-855
• 18. SEEGER F., KÓPPE H.. GABBERT U., 2001, Analysis and design of smart laminated shell structures, Proc. of the Colloquium of the ADAMES-Project, Mai 2001, Preprints of the INK-ADAMES (Ed.: U. Gabbert), Otto-von-Guericke-UnWersity of Magdeburg, 97-107
• 19. SPORN D., SGHOENECKER A., 1999, Composites with piezoelectric thin fibers - first evidence of piezoelectric bchaviour, Mat. Res. Innovat., 2, 303-308
• 20. TIERSTEN H.F., 1969, Lmear Piezoelectric Plate Vibration, Plenum Press, New York
• 21. TZOU H.S., 1993, Piezoelectric Shells (Distributed Sensing and Control of Continua), Kluwcr Academic Publishers, Dordrcchl/Boston/London
• 22. Tzou H.-S., GURAN A. (Eos.), GABBERT U.S TANI J., BREITBACH A. (As-SOCiATE EDS.), 1998, Structronic Systejns: Smart Structures, Devices and Systems, Vol. 2: Systems and Control, World Scientific Publishing Co., New Jersey /Singapore