Static and dynamic analysis of multilayer composite plate with piezoelectric elements

• Autorzy: Mieszczak Z. , Krawczuk M. , Ostachowicz W.

Warianty tytułu

PL

Statyka i dynamika wielowarstwowych płyt kompozytowych z elementami piezoelektrycznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper a model of a composite, multi-layer plate with piezoelectric elements (PZT) has been presented. The influence of the stress stiffness matrix ... on the results otained has been shown. The model has been built up by making use of the finite element method (FEM). The issue of numerical calculations corroborated that the forces, which are formed as a result of activation of piezoelectric elements are considerable. These forces cause changes in static and dynamic charasteristics of the element under consideration. The forces cause changes in displacements, stresses, natural frequencies and mode shapes as well. The changes in static characteristics are bigger than changes in dynamic one, moreover, the changes in the natural frequencies are bigger than those in mode shapes.

PL

W pracy przedstawiono model kompozytowej płyty wielowarstwowej z aktywnymi elementami piezoelektrycznymi (PZT). Model zbudowano w oparciu o metodę elementów skończonych (MES). W pracy pokazano wpływ macierzy sztywności naprężeń początkowych ... na otrzymywane charakterystyki statyczne i dynamiczne analizowanej płyty. Wyniki symulacji numerycznych wykazały, że siły powstałe w efekcie aktywacji elementów piezoelektrycznych są znaczne i powodują zmiany w charakterystykach statycznych i dynamicznych całej konstrukcji; wpływają na wartości przemieszczeń, naprężeń, częstości oraz postaci drgań własnych. Badania numeryczne wykazały, że aktywne elementy piezoelektryczne powodują większe zmiany charakterystyk statycznych niż dynamicznych. Z kolei, uwzględnienie w modelu sztywności naprężeń początkowych w większym stopniu wpływa na zmianę częstości drgań własnych, niż na zmianę postaci drgań własnych.

Słowa kluczowe

EN

piezoelectric layer; composite plate; stress stiffness matrix; finite elements; active control

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 40 nr 3
• Strony: 649--686
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mieszczak Z.

• Institute of Fluid Machinery, Polish Academy of Sciences, Gdańsk

autor

Krawczuk M.

• University of Warmia and Mazury, Olsztyn
• Institute of Fluid Machinery, Polish Academy of Sciences, Gdańsk

autor

Ostachowicz W.

• Institute of Fluid Machinery, Polish Academy of Sciences, Gdańsk

Bibliografia

• 1. ALMEIDA S.F.M., HANSEN J.S., 1977, Enhanced elastic buckling loads of composite platcs with tailored thermal residual stresses, Journal Appl. Mech., 64, 4, 772-780
• 2. BATRA R.C., LIANG X.Q., YANG J.S., 1996, Shape control of vibrating simply supportod rectangular platcs, AIAA Journal, 34, 1, 116-122
• 3. Boss AK M., 1977, Dynamika Układów Wstępnie Obciążonych, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza, Rzeszów
• 4. BRUNELLE E.J., ROBERTSON S.R., 1974, Initially stressed mindlin plates, AIAA Journal, 12, 8, 1036-1045
• 5. CELENTANO G., SETOLA R., 1999, The modelling of a flexible beam with piezoelectric plates for active vibration control, Journal of Sound and Vibration, 223, 483-492
• 6. CRAWLEY E., ANDERSON E., 1990, Detailed models of piezoelectric actuation of beams, Journal of Intell. Mater. Syst. Struć, 1, 1, 4-25
• 7. CRAWLEY E., DE LUIS J., 1987, Use of the piezoelectric actuators as elements of intelligent structures, AIAA Journal, 25, 10, 1373-1385
• 8. GHOSH K., BATRA R.C., 1995, Shape control of plates using piezoceramic elements, AIAA Journal, 33, 7, 1354-1357
• 9. HERNANDES J.A., MULLER DE ALMEIDA S.F., NABARRETE A., 2000, Stiffening effects on the free vibration behaviour of compositc plates with PZT actuators, Composite Structures Journal, 37, 8, 1017-1019
• 10. HWANG W-S., PARK C.H., 1993, Finite element modeling of piezoelectric sensors and actuators, AIAA Journal, 31, 5, 930-937
• 11. MULLER DE ALMEIDA S.F., 1999, Shape control of laminated plates with piezoelectric actuators including stress-stiffening effects, AIAA Journal, 37, 8, 1017-1019
• 12. RAMMERSTORFER F.G., 1977, Increase of the first natural freąucncy and buckling load of platcs by optimal ficlds of initial stresses, Acta Mech., 27, 1-4, 217-238
• 13. RINAT Y., BAR-YOSEPH P.Z., 2000, Space-time special elements for nonlinear static and dynamics modelling of piezoelectric composite laminated plates, Proc. ECCOMAS 2000, Barcelona, 1-20
• 14. SARAWANOS D., HEYLIGER P., HOPKINS D., 1997, Layerwise mechanics and finite element for the dynamie analysis of piezoelectric composite platcs, Journal of Solid and Structures, 34, 3, 359-378
• 15. TSENG, C.-I., 1989, Electromeehanical dynamics of a coupled piezoelec-tric/mechanical system applied to vibration control and distributed sensing, Pd.D, Thesis, Univ, of Kentucky, Lexington
• 16. Tzou H., TSENG C, 1990, Distributed piezoelectric sensor/actuator design for dynamie measurement/control of distributed parameter systems: a piezoelectric finite element approach, Journal of Sound and Vibration, 138, 1, 17-34
• 17. Tzou H.S., YE R., 1996, Analysis of piezoelectric structures with laminated piezoelectric triangle shell elements, AIAA Journal, 34, 1, 110-115
• 18. TESSLER A., DONG S.B., 1981, On a hierarchy of conforming Timoshenko beam elements, Computer and Structure, 38, 334-344
• 19. VINSON J.R., SIERAKOWSKI R.L., 1989, Behaviour of Structures Composed of Composite Materials, Martinus Nijhoff, Dorchester
• 20. YANG I.H., SHIEH J.A., 1987, Vibrations of initially stressed thick rectangular orthotropic plates, Journal of Sound and Yibration, 119, 3, 545-558