Optopiezothermoelastic actions and micro-control sensitivity analysis of cylindrical opto-mechanical shell actuators

• Autorzy: Tzou H. S. , Liu B. J. , Cseledy D.

Warianty tytułu

PL

Oddziaływania optopiezotermosprężyste i analiza wrażliwości mikrosterowania w optomechanicznych cylindrycznych powłokowych elementach wykonawczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Opto-mechanical actuators controlled by high-energy lights represent a new class of non-contact precision actuators based on the photodeformation process. The photodeformation process involves two fundamental opto-piezo(electric)thermoelastic coupling phenomena: 1) the photovoltaic effect and 2) the converse piezoelectric effect. Irradiating high-energy lights, such as lasers or ultraviolet lights, on a certain class of photostrictive materials can trigger the photodeformation and, consequently the induced photodeformation can be used for non-contact precision actuation and control. In the process of photodeformation, the temperature induced pyroelectric effect and the thermal strain effect also affect the overall response. This paper is to evaluate the micro-actuation sensitivity and spatial effectiveness of distributed opto-mechanical shell actuators. Mathematical modeling of a circular cylinder laminated with a segmented opto-mechanical actuator patch is presented first, followed by analytical solution procedures. Various design parameters and micro-control actions, e.g., membrane control, bending control, actuator location, actuator length/size, are evaluated and their modal control sensitivities are reported. Time histories of free and controlled responses are demonstrated.

PL

Opto-mechaniczne elementy wykonawcze sterowane wysokoenergetycznym światłem reprezentują nową klasę bezstykowych precyzyjnych aktuatorów działających przy wykorzystaniu procesu fotodeformacji. proces fotodeformacji opiera się na dwóch podstawowych zjawiskach sprzężenia opto-piezo(elektryczno)termosprężystego: 1) efektu fotowoltaicznego i 2) odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Wysokoenergetyczne światła napromieniowujące takie, jak lasery lub ultrafiolet mogą zainicjować w pewnym typie materiałów fotostrykcyjnych proces fotodeformacji, który może być wykorzystany do bezstykowych elementów sterujących i wykonawczych o dużej precyzji. Indukowany temperaturowo efekt piroelektryczny, ujawniający się w procesie fotodeformacji oraz efekt odkształcenia termicznego wpływają na odpowiedź całego elementu. W pracy przedstawiono szacunkowe ujęcie wrażliwości mikrosterowania i efektywności przestrzennego rozkładu ciągłych opto-mechanicznych powłokowych elementów wykonawczych. W pierwszej części pracy przybliżono problem modelowania matematycznego powłoki cylindrycznej laminowanej razem z opto-mechanicznym aktuatorem. W części dalszej przedstawiono analityczne rozwiązania postawionego zagadnienia. Układ zbadano przy różnych parametrach konstrukcyjnych i oddziaływania mikrsterujących, np. przy modalnym sterowaniu drgań membranowych oraz giętnych i określono wpływ położenia aktuatorów oraz stosunku ich długości do rozmiaru układu. Zamieszczono przebiegi czasowe odpowiedzi układu bez i ze sterowaniem.

Słowa kluczowe

EN

photodeformation; photovoltaic effect; converse effect; pyroelectric effect

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 40 nr 3
• Strony: 775--796
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Tzou H. S.

• Department of Mechanical Engineering, StrucTronics Laboratory University of Kentucky, USA

autor

Liu B. J.

• Department of Mechanical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Gonada

autor

Cseledy D.

• Lermark, Lezingtun, KY

Bibliografia

• 1. BRODY P.S., 1983, Optomechanical bimorph actuator, Ferroelectrics, 50, 27-32
• 2. FUKUDA T., HATTORI S., ARAI F., MATSUURA H., HIRAMATSU T., IKEDA Y., MAEKAWA A., 1993, Characteristics of optical actuator-servomechanisms using bimorph optical piezoelectric actuator, Proceedings IEEE Robotics and Automation Conference, Atlanta, May 1993, 618-623
• 3. Liu B., Tzou H.S., 1996, Photodeformation and light-temperature-electric coupling of optical actuators, Part-1: Parameter calibration, Part-2: Vibration control, Proceedings of the ASME Aerospace Division, AD-52, 663-678, ASME 1996 International Congress, Atlanta, GA, November 17-22
• 4. Liu B., Tzou H.S., 1998, Distributed photostrictive actuation and opto-piezothermoclasticity applied to vibration control of plates, ASME Transactions, Journal of Vibration and Acoustics, 120, 937-943
• 5. MORIKAWA Y., NAKADA T., CAO D.H., 1993, Estimation of dynamie characteristics of bimorph type optical actuator and proposal of opto-pneurnatic servo system, Journal of Mechanical Engineeńng Laboratory (Japanese), 47, 237-246
• 6. SHIH H.-R., TZOU H.S., 2000, Opto-piezothermoelastic constitutive modeling of a new 2-D photostrictive composite plate actuator, Proceedings of 2000 ASME International Mechanical Engineering Congress and Ezposition, AD-61, 1-8
• 7. SUSKI J., LARGEAU D., STEYER A., VAN DE POL F.C.M., BLOM F.R., 1990, Optically activated ZnO/Si02/Si cantilever beams, Sensors and Actuators, 24, 221-225
• 8. Tzou H.S., 1993, Piezoelectric Shells: Distributed Sensing and Control of Continua, Kluwer Academic Publishers, Dordrechtt/Boston/London
• 9. Tzou H.S., BERGMAN L.A., EDITORS, 1998, Dynamics and Control of Distributed Parameter Systems, Cambridge University Press, New York, NY
• 10. Tzou H.S., CHOU C.-S., 1996, Nonlinear optoelectrornechanics and photodformation of optical actuators, Journal of Smart Materials and Structures, 5, 230-235
• 11. Tzou H.S., FUKUDA T., EDITORS, 1992, Precision Sensors, Actuators, and Systems, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/Boston/London
• 12. Tzou H.S., LIU B., 1997, Light-induced non-contact actuation and control with photostrictive actuators, Proceedings of DETC'97, Paper No. DETC'97/VIb-3930, ASME Design Engineering Technical Conferences, September 14-17, Sacramento, California
• 13. Tzou H.S., YE R., 1994, Piczothermoelasticity and precision control of piezoelectric systems, ASME Journal of Yibration and Acoustics, 116, 4, 489-495