Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Piezoelectric controlled noise attenuation of engineering systems

Ringwelski S., Luft T., Gabbert U.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2011

|

Vol. 49 nr 3

859-878

EN

In the paper, a recently developed overall numerical approach is presented, which is suitable to design smart engineering systems to actively reduce sound radiation. For this reason, piezoelectric patch actuators and sensors are attached to the surface of the structure to control structural vibrations. In the paper, the theoretical background of the design process is briefly presented first. The basis is a combined finite element and boundary element approach. Electromechanical coupled finite elements are applied to model the structure as well as the piezoelectric patches. The finite element method is also used to model fluid domains which are partially or totally bounded by the structure. Boundary elements are used to characterize the unbounded acoustic pressure fields. Then it is shown how control algorithms can be included into the simulation process, which finally results in an overall simulation approach for structural acoustic systems including control. The numerical approach is also verified by measurements. The experimental setup enables measurements of the uncontrolled and controlled radiated sound fields using a microphone array. A comparison between the measured values and those predicted by the proposed coupled finite element-boundary element approach shows good agreement. Finally, it is demonstrated how the approach can be applied to real engineering systems. As an example, noise reduction of a car engine with a smart oil pan is presented. Again, the numerical results of the uncontrolled and controlled behavior are in good agreement with the measurements. It can be concluded that the proposed overall numerical approach can be applied to design real engineering systems, which are able to actively reduce the noise level.

PL

W pracy przedstawiono ostatnio opracowaną przez autorów metodę obliczeniową do projektowania konstrukcji „inteligentnych”, których zadaniem jest redukcja emisji hałasu. Do samego tłumienia hałasu użyte są elementy piezoelektryczne przyklejane do powierzchni danej konstrukcji. Na początek omówiono podstawy teoretyczne projektowania takich układów. Podstawę stanowi kombinacja metody elementów skończonych i brzegowych. Elementy skończone ze sprzężeniem elektromechanicznym służą do modelowania piezoelektryków i konstrukcji bazowej. Metodę elementów skończonych zastosowano także do modelowania płynu znajdującego się wewnątrz projektowanego urządzenia przy częściowym lub całkowitym zamknięciu płynu ścianami konstrukcji. Elementy brzegowe użyto do opisu otwartego pola akustycznego. Następnie pokazano sposób, w jaki algorytmy sterowania należy wprowadzić do ogólnej procedury obliczeniowej do projektowania urządzeń z aktywnym układem redukcji hałasu. Otrzymane rezultaty symulacji numerycznych zweryfikowano pomiarami z doświadczeń. Stanowisko badawcze zostało wyposażone w odpowiedni układ mikrofonów, co umożliwiło pomiar poziomu hałasu z włączonym i wyłączonym układem sterowania. Stwierdzono dobrą zgodność wyników eksperymentu z zaproponowaną metodą numeryczną wykorzystującą elementy skończone i brzegowe. Na koniec omówiono przykład zastosowania zaproponowanej metody do projektowania rzeczywistej konstrukcji. Zaprezentowano silnik samochodowy z układem aktywnej redukcji hałasu umiejscowionym na misce olejowej. Powtórnie zbadano zgodność wyników symulacji numerycznych z pomiarami doświadczalnymi, stwierdzając dobrą zgodność pomiędzy nimi. W konkluzji uznano, że zaproponowana metoda nadaje się do zintegrowania z ogólnymi algorytmami projektowania rzeczywistych konstrukcji inżynierskich, w których nacisk położono na redukcję poziomu hałasu.

2

Model-based active noise control of a piezoelectric structure

Nestorović T., Lefevre J., Gabbert U.

Mechanics / AGH University of Science and Technology

|

2007

|

Vol. 26, no. 2

71-77

EN

Methods of active noise and vibration control involve different techniques which combine electroacoustics with integration of active materials and controller into a complex active structural system in order to enable radiation of an anti-phased field for cancellation or attenuation of an original noise in a specific domain. This paper presents a model-based controller design procedure for the active noise attenuation of a piezoelectric structure surrounded by the acoustic fluid. Model development is based on a finite element method approach, which takes into consideration the electro-mechanical-acoustic effects. A FEM-based state-space model obtained after appropriate transformations and modal reduction is used for the controller design. The aim of the control, suppression of the acoustic fluid pressure in a prescribed point or field, is achieved using an optimal LQ controller designed based on a developed state-space model. The controller design involves also a novel approach, with included additional dynamics for the noise control in the presence of periodic excitations. The effects of the suggested method are tested on a smart acoustic box consisting of an aluminium plate with attached piezoelectric patches, surrounded by the acoustic fluid (air) inside the wooden box. The air pressure reduction at a selected point inside the box is observed in the controlled case.

PL

Aktywne metody redukcji drgań i hałasu wymagają zróżnicowanych technik, które łączą elementy elektroakustyczne zintegrowane z elementami czynnymi oraz sterownikami wewnątrz złożonej aktywnej struktury, żeby umożliwić promieniowanie pola w przeciwfazie w celu eliminacji lub redukcji pierwotnego hałasu w wybranej strefie. Artykuł prezentuje projekt regulatora na bazie modelu do aktywnej redukcji hałasu struktury piezoelektrycznej w otoczeniu płynu akustycznego. Opracowany model bazuje na metodzie elementów skończonych, która uwzględnia zjawiska elektro-mechaniczno-akustyczne. Model w przestrzeni stanu powstały na podstawie MES, otrzymany w wyniku stosownych przekształceń i uproszczeń modelu, użyto do syntezy regulatora. Celem sterowania było wytłumienie ciśnienia płynu akustycznego w danym punkcie lub polu, co osiągnięto, wykorzystując regulator optymalny LQ zaprojektowany na podstawie opracowanego modelu w przestrzeni stanu. Projektowanie regulatora wymaga nowatorskiego podejścia uwzględniającego dodatkową dynamikę podczas redukcji hałasu w obecności wymuszeń harmonicznych. Efekty zaprezentowanej metody zostały przetestowane na inteligentnej skrzynce akustycznej zbudowanej z aluminiowej płyty z naklejonymi na niej płytkami piezoelektrycznymi, otoczonej przez płyn akustyczny (powietrze), umieszczonej w drewnianym pudle. Zaobserwowano redukcję ciśnienia powietrza w wybranym punkcie wewnątrz skrzynki dla układu z regulatorem.

3

Controller design and implementation for active vibration suppression of a piezoelectric smart shell structure

Gabbert U., Nestorović-Trajkov T., Koppe H.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2005

|

Vol. 43 nr 3

487--500

EN

The paper is dealing with the model based controller design for a shell structure attached with piezoelectric patches as actuators and sensors. The state-space model used for the controller design was obtained using the finite element (FE) approach, modal analysis and modal reduction resulting in a form convenient for the controller development. The optimal LQ controller was designed for the vibration suppression purposes of a funnel shaped shell structure. The design model for the controller development was augmented with additional dynamics which takes into account excitations/disturbances, contributing thus to a better vibration suppression. The controller was implemented on a funnel-shaped piezoelectric structure. The structure was intensively investigated experimentally, and the achieved results of the controlled behaviour with respect to vibration suppression are presented and discussed.

PL

Praca dotyczy problemu modelowego projektowania struktury powłokowej z naklejonymi do niej elementami piezoelektrycznymi. Zastosowany w procesie projektowania model, który opisano w przestrzeni stanu, został sformułowany za pomocą metody elementów skończonych, analizy modalnej i modalnej redukcji, co dało wygodny do implementacji rezultat. Optymalny sterownik LQ zaprojektowano w celu ograniczenia amplitudy drgań struktury powłokowej o lejkowatym kształcie. Użyty model został uzupełniony o zjawiska dynamiczne uwzględniające zewnętrzne wymuszenia i zakłócenia oddziaływujące na powłokę, co poprawiło docelową efektywność aktywnego tłumienia drgań. Ostatecznie, dokonano praktycznego wdrożenia sterownika, który współpracował z lejkowato-kształtną powłoką wyposażoną w piezoelektryczne czujniki i elementy wykonawcze. Powłokowa struktura została następnie poddana badaniom eksperymentalnym, a rezultaty pomiarów w kontekście skuteczności redukcji drgań uzyskanej wskutek implementacji analizowanego sterownika zaprezentowano i omówiono w pracy.

4

Research activities in smart materials and structures and expectations to future developments

Gabbert U.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2002

|

Vol. 40 nr 3

549-574

EN

The paper starts with a brief introduction into the main ideas and concepts of smart materials and structures. Then, an overview about German research activities in this field is given. Some of the project are summarized, including the main research ideas, some results, experiences, etc. Finally, a look into the future is ventured as a very important task to adjust research directions. The paper presents author's expectations, which are based upon his own research experiences and several discussions with colleagues in Europe, USA, Japan etc.

PL

Praca zawiera krótkie wprowadzenie w główne koncepcje z zakresu materiałów i konstrukcji "inteligentnych". Prezentuje przegląd europejskich ośrodków badawczych zajmujących się tą tematyką. Niektóre z prowadzonych projektów opisano, przybliżając podstawowe zadania badawcze oraz podsumowano wyniki i doświadczenia z tych badań. Na koniec podjęto próbę określenia przyszłych kierunków rozwoju omawianej dziedziny. Praca przedstawia oczekiwania autorów bazujących na swych własnych doświadczeniach oraz dyskusji przeprowadzonej z ich kolegami w Europie, Stanach Zjednoczonych, Japonii itp.

5

Modeling of smart composite shell structures

Gabbert U., Koppe H, Seeger F., Berger H.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2002

|

Vol. 40 nr 3

575-593

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.

6

Finite element analysis and design of piezoelectric controlled wmart structures

Berger H., Gabbert U., Koppe H., Seeger F.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2000

|

Vol. 38 nr 3

476-498

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.

7

On modelling and analysis of piezoelectric smart structures by the finite element method

Gabbert U., Berger H., Koppe H., Cao X.

Applied Mechanics and Engineering

|

2000

|

Vol. 5, no 1

127-142

EN

In the paper, a general purpose finite element software for the simulation of piezoelectric material systems and controlled smart structures is presented. The equations of coupled electromechanical problems are given in a weak form, which are used for the development of 1D, 2D, 3D as well as multilayered composite shell elements. The smart structures finite element code includes static and dynamic analysis, where also controlled problems can be simulated. To demonstrate the capability of the simulation tool some test examples are reviewed.

8

Comparison of numerical and experimental results of structronic plate and shell structures

Köppe H., Gabbert U., Laugwitz F., Weber Ch. T.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

1999

|

Vol. 6, No. 3-4

361-368

EN

In the paper a general purpose finite element software for the simulation of piezoelectronic materials and structronic (structure and electronic) systems is presented. The equations of coupled electromechanical problems are given in a weak form, which are basis of the development of 1D, 2D, 3D as well as multilayered composite shell elements. The smart structures finite element code includes static and dynamic analysis, where also controlled problems can be simulated. Two test examples are presented to compare the numerical results with measurements.