مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل ارتعاشات پانل استوانه ای چند لایه با استفاده از وصله پیزوالکتریک بهینه شده

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، کیلومتر 35 جاده مراغه، تبریز
2 استادیار، گروه ریاضی، دانشگاه شهید مدنی آذر بایجان
چکیده
در این تحقیق، کنترل ارتعاشات پانل استوانه ای مرکب چند لایه تحت بار دینامیکی بوسیله وصله عملکر پیزوالکتریک بهینه برای اولین بار بررسی شده است. بمنظور حل معادلات دینامیک سازه با وصله پیزو، از روش المان محدود استفاده شده،که بر اساس فرضیات تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول (FSDT) و مدل لایه معادل با تغییر شکل های زاویه ای متفاوت برای پوسته و وصله پیزو توسعه یافته است. معادلات حاکم بر پانل با وصله پیزو از طریق اصل همیلتون به دست می‌آیند و با استفاده از المان هشت گرهی روی لایه میانی پوسته تجزیه می شوند تا دستگاه معادلات ماتریسی حاصل شود. برای یافتن محل و اندازه بهینه برای عملگر پیزوالکتریک از معیار حداکثر کنترل پذیری استفاده شده است. طبق قانون کنترلی مورد استفاده، ولتاژ اعمال شده به وصله پیزوالکتریک متناسب با برآیند مولفه های سرعت در نقطه محل نصب حسگر می باشد. جهت صحه گذاری عملکرد فرمولبندی و مدل المان محدود، نتایج بدست آمده برای فرکانس طبیعی پانل استوانه ای چند لایه بدون وصله با مراجع موجود مقایسه شده اند. سپس با داشتن دینامیک سیستم بهینه شده، پاسخ فرکانسی برای حالت حلقه باز و بسته بدست آمده است و در انتها تاثیر مقادیر بهره کنترلی و ابعاد هندسی پانل و وصله روی پاسخ زمانی و سرعت میرا شدن ارتعاشات به نمایش گذاشته شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Vibration control of laminated cylindrical panel with optimal piezoelectric patch

نویسندگان English

MohammadReza Saviz 1
vahid Roomi 2
1 Mechanical Engineering Department, Azarbaijan shahid madani University, Tabriz, Iran
2 Mathematical Department, Azarbaijan shahid madani University, Tabriz, Iran.
چکیده English

In this research, control of vibration in multilayered cylindrical panel with piezoelectric patch, under dynamic load is investigated, for the first time. The finite element method is used to solve the dynamic equations of the structure, which is based on first-order shear deformation theory, and equivalent single layer models with different rotations for the substrate and the piezoelectric patch is developed. The governing equations are obtained by using the Hamilton’s principle of virtual work, are discretized over the mid-plane, by using eight node shell element, leading into the matrix system of equations. The maximum controllability criterion is used for finding the optimal size and location of piezo-patch. According to the used control law, the applied voltage on the piezo-patch is proportional to the radial velocity component at the point, where the sensor is installed. In order to evaluate the performance of the formulation and finite element model, the natural frequencies obtained for the substrate laminated panel are compared with those in the literature. Then, having the dynamics of the optimal system, the frequency response for open and closed loop controls are studied. Finally, the effects of controller gain values and dimensions of panel and patch on the time response and damping rate of vibrations are illustrated.

کلیدواژه‌ها English

Laminated panel
Piezoelectric patch
Finite element
Vibration Control
[1] C. Shakeri , M.N. Noori, Z. Hou, Smart Materials and Structures: A reviw, Materials for the New Millennum, Proceeding of Material Engineering Conference, ASCE, PP.863-876, 1996.
[2] N. Jalili, Piezoelectric-based vibration-control systems applications to micro/nano sensors and actuators, New York: Springer, 2010. (in English)
[3] H. S. Tzou, J.P. Zhong, Electromechanics and Vibrations of Piezoelectric Shell Distributed Systems, Journal of Dynamic systems Measurement and control,Vol.115, No.3, PP. 506-517, 1993.
[4] S. Aligholizadeh, M. A. Hamed, R. Hassannejad Qadim, Active vibration control of the clamped beam with length and location optimized piezoelectric patches, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 9, pp. 11-22, 2015 (in Persian)
[5] S. Kumar, R. Srivastava, R. Srivastava, Active vibration control of smart piezo cantilever beam using pid controller, International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 3, pp. 392-399, 2014.
[6] A. Gharib, M. Salehi, S. Fazeli, Deflection control of functionally graded material beams with bonded piezoelectric sensors and actuators, Materials Science and Engineering A, Vol. 498, pp. 110–114, 2008
[7] MR. Saviz, An optimal approach to active damping of nonlinear vibrations in composite plates using piezoelectric patches, Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 3, pp. 1-19, 2015.
[8] B. Bandyopadhyay, T.C. Manjunath, M. Umapathy, Modeling, Control and implementation of smart structures, Springer, 2007.
[9] M.J. Balas, Active Control of Flexible Systems, Journal of Optimization Theory and Application, Vol. 25, No. 3, pp. 415-436, 1978.
[10] A. Baz, S. Poh, Performance of an active control system with piezoelectric actuators, Journal of Sound and Vibration, Vol. 139, No. 1, pp. 133-149, 1990.
[11] M. Sunar, S.S. Rao, Distributed modeling and actuator location of piezoelectric control systems, AIAA Journal, Vol. 34, No. 10, pp. 2209-2211, 1996.
[12] A. Yousefi-Koma, A. Vukovich, Shape and location optimization of piezoelectric actuators in active control system, Proceeding of the ASME Aerospace Division, AD- Vol. 52, ASME, NJ, pp. 559-566, 1996.
[13] C. Saravanann, N. Ganesan, V. Ramamurti, Semianlytical finite element analysis of active constrained layer damping in cylindricall shells of revolution, Computers and Structures, Vol. 79, pp. 1133-1145, 2001.
[14] S. Zhou, C. Liang, C. A. Rogers, Impedance modeling of two-dimensional piezoelectric actuators bonded on a cylinder. Adaptive Structures and Material Systems ASME, Vol. 35, pp. 247-255, 1993.
[15] M. C. Ray, J. Oh, A. Baz, Active constrained layer damping of thin cylindrical shells, Journal of Sound and Vibration, Vol. 240, No. 5, pp. 921-935, 2001
[16] M.C. Ray, J.N. Reddy, Active control of laminated cylindrical shells using piezoelectric fiber reinforced composites, Composites Science and Technology, Vol. 65, pp.1226–1236, 2005
[17] A.M.A. Hamden, A. H. Nayfeh, Measures of modal controllability and observability for first and second order linear systems, Journal of Guidance and Control Dynamics, Vol. 12, pp. 421–8, 1989
[18] Y.E . Jianqiao, K.P. Soldatos, Three-dimensional vibration of laminated cylindrical panels with symmetric or antisymmetric cross-ply lay-up, Journal of Compoites Engineering, Vol.4, , No. 4, pp. 429–44, 1994.
[19] A.A. Khdeir, J.N. Reddy, D. Frederick, A study on bending, vibration and buckling of cross-ply circular cylindrical shells with various shell theories, International Journal of Solid Struct., Vol. 27, pp. 1337–51, 1989.
[20] A. Messina, K. P. Soldatos, Ritz-type dynamic analysis of cross-ply laminated circular cylinders subjected to different boundary conditions, Journal of Sound and vibration, Vol. 227, No. 4, pp. 749-768, 1999
[21] M. Shakeri, A. Alibeigloo, Dynamic Analysis of Orthotropic Laminated Cylindrical Panels, Mechanics of Advanced Materials and Structures, Vol. 12, pp. 67–75, 2005