Численный алгоритм поиска компоновок электроупругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик

Численный алгоритм поиска компоновок электроупругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик

Автор: Юрлова Н.А., Ошмарин Д.А., Севодина Н.В., Юрлов М.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2020 года.

Бесплатный доступ

В работе представлен алгоритм, основанный на решении задачи о собственных колебаниях, позволяющий находить компоновки электромеханических систем, обеспечивающие наилучшее демпфирование колебаний либо одной заданной моды, либо их совокупности в пределах некоторого непрерывного диапазона частот. Под электромеханической системой понимается упругая конструкция с размещенными на ее поверхности пьезоэлементами, к электродированным поверхностям которых присоединены пассивные электрические цепи. Пьезоэлектрические элементы, зашунтированные электрической цепью, при этом являются устройствами, на которых происходит диссипация энергии, и тем самым осуществляется демпфирование колебаний. Изменение демпфирующих свойств такой системы может быть достигнуто за счет выбора параметров электрической цепи и соответствующего расположения пьезоэлемента, позволяющего обеспечить наибольший отток электрической энергии во внешнюю электрическую цепь. В статье приведена математическая постановка задачи о собственных колебаниях кусочно-однородных электроупругих тел, зашунтированных внешними пассивными электрическими цепями, решением которой являются комплексные собственные частоты колебаний, с действительной частью, представляющей собой частоту, и мнимой - показатель демпфирования колебаний. Предложены методики определения места расположения пьезоэлемента на поверхности конструкции и параметров внешней электрической цепи, шунтирующей пьезоэлемент, на основе полученных при решении задачи о собственных колебаниях значений комплексных собственных частот. Предложенный подход продемонстрирован на примере оболочки в форме полуцилиндра, к поверхности которой присоединен пьезоэлемент в форме сегмента кольца, выполненный из пьезокерамики PZT-4, к электродированным поверхностям которого присоединена последовательная резонансная ( RL- ) электрическая цепь. Поставленная задача решается численно методом конечных элементов с использованием возможностей коммерческого пакета программ ANSYS.

Еще

Электроупругость, пьезоэлемент, внешние электрические цепи, собственные колебания, оптимальное размещение, демпфирование колебаний, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146281997

IDR: 146281997   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.11

Список литературы Численный алгоритм поиска компоновок электроупругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик

  • Baz A., Poh S. Performance of an active control system with piezoelectric actuators // Journal of Sound and Vibration. – 1988. – Vol. 126, iss.2. – P. 327–343. DOI: 10.1016/0022-460X(88)90245-3
  • Hagood N., Von Flotow A. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks // Journal of Sound and Vibration. – 1991. – Vol. 146, iss. 2. – P. 243–268. DOI: 10.1016/0022-460X(91)90762-9
  • Wu S.Y. Piezoelectric Shunts with Parallel R-L Circuit for Structural Damping and Vibration Control // Proc. SPIE Smart Structures and Materials, Passive Damping and Isolation; SPIE, 1996. – Vol. 2720. – P. 259–269. DOI: 10.1117/12.239093
  • Trindade M.A., Benjeddou A. Hybrid Active-Passive Damping Treatments Using Viscoelastic and Piezoelectric Materials: Review and Assessment // Journal of Vibration and Control. – 2002. – Vol. 8. – P. 699–745. DOI: 10.1177/1077546029186
  • Moheimani S.O.R., Fleming A.J. Piezoelectric transducers for vibration control and damping. – London: Springer, 2006. – 276 p. DOI: 10.1007/1-84628-332-9
  • Thomas O., Ducarne J., Deü J.-F. Performance of piezoelectric shunts for vibration reduction // Smart Materials and Structures. – 2012 – Vol. 21, iss. 1. – art. No. 0150082012. DOI: 10.1088/0964-1726/21/1/015008
  • Toftekær J.F., Benjeddou A., Høgsberg J. General numerical implementation of a new piezoelectric shunt tuning method based on the effective electromechanical coupling coefficient // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2019. – P. 1–15. DOI: 10.1080/15376494.2018.1549297
  • Alper E., Inman D.J. Piezoelectric energy harvesting. – John Wiley & Sons, 2011. – 412 p.
  • Energy harvesting module for the improvement of the damping performance of autonomous synchronized switching on inductance / T. Delpero, L. Di Lillo, A.E. Bergamini, P. Ermanni // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2012. – Vol. 24, iss. 7. – P. 837–845. DOI: 10.1177/1045389X12463463
  • Safaei M., Sodano H.A., Anton S.R. A review of energy harvesting using piezoelectric materials: state-of-the-art a decade later (2008–2018) // Smart Materials and Structures. – 2019. – Vol. 28, iss.11. – art. No: 113001 (62 pages). DOI: 10.1088/1361-665X/ab36e4
  • Irschik H. A review on static and dynamic shape control of structures using piezoelectric actuation // Engineering Structures. – 2002. – Vol. 24, iss.1 – P. 5–11. DOI: 10.1016/S0141-0296(01)00081-5
  • Ganguli R. Survey of Recent Developments in Rotorcraft Design Optimization // Journal of Aircraft. – 2004. – Vol. 41, iss. 3. – P. 493–510. DOI: 10.2514/1.58
  • Morphing Wing Technologies: Large Commercial Aircraft and Civil Helicopters / eds. A. Concilio, I. Dimino, L. Lecce, R. Pecora. Elsevier: Butterworth-Heinemann, 2018. – 978 p.
  • Active shape control of an antenna reflector using piezoelectric actuators / X. Song, S. Tan, E. Wang, S. Wu, Z. Wu // Journal of intelligent material systems and structures. – 2019. – Vol. 30, iss. 18– 19. – P. 2733–2747. DOI: 10.1177/1045389X19873422
  • Schulz M.J., Pai P.F., Inman D.J. Health monitoring and active control of composite structures using piezoceramic patches // Composites: Part B. – 1999. – Vol. 30, iss.7. – P. 713–725. DOI: 10.1016/S1359-8368(99)00034-7
  • Michaels J.E. Detection, localization and characterization of damage in plates with in situ array of spatially distributed ultrasonic sensors // Smart Materials and Structures. – 2008. – Vol. 17, iss.3. – art. No: 35035 (15 pages). DOI: 10.1088/0964-1726/17/3/035035
  • Bhalla S., Chee K.S. Piezo-Impedance Transducers for Evaluation of Seismic Induced Structural Damage / in Earthquakes and Health Monitoring of Civil Structures. Springer: Netherlands, 2013. – P. 133–148. DOI: 10.1007/978-94-007-5182-8_5
  • Topology optimization of vibrational piezoelectric energy harvesters for structural health monitoring applications / S. Townsend, S. Grigg, R. Picelli, C. Featherston, H.A. Kim // Journal of intelligent material systems and structures. – 2019. – Vol. 30, iss. 18–19. – P. 2894–2907. DOI: 10.1177/1045389X19873392
  • Crawley E.F., de Luis J. Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures // AIAA Journal. 1987. – Vol. 25, iss. 10. – P. 1373–1385. DOI: 10.2514/3.9792
  • Gupta V., Sharma M., Thakur N. Optimization Criteria for Optimal Placement of Piezoelectric Sensors and Actuators on a Smart Structure: A Technical Review // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2010. – Vol. 21, iss. 8. – P. 1227– 1243. DOI: 10.1177/1045389X10381659
  • Bachmann F., Bergamini A., Ermanni P. Optimal piezoelectric positioning a strain-energy based finite element approach // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2012. – Vol. 23, iss. 14. – P. 1575–1591. DOI: 10.1177/1045389X12447985
  • Venna S., Lin Y.-J. An Effective Approach for Optimal PZT Vibration Absorber Placement on Composite Structures // Modern Mechanical Engineering. – 2013. - Iss. 3. – P. 21–26. DOI: 10.4236/mme.2013.31002
  • Araújo A.L., Madeira J.F.A. Optimal passive shunted damping configurations for noise reduction in sandwich panels // Journal of Vibration and Control. - 2020. – Vol. 26. – P. 1–9. DOI: 10.1177/1077546320910542
  • Piezoelectric vibration damping using resonant shunt circuits: an exact solution / P. Soltani, G. Kerschen, G. Tondreau, A. Deraemaeker // Smart Materials and Structures. – 2014 – Vol. 23, iss. 12. – art. No :125014. DOI: 10.1088/0964-1726/23/12/125014
  • Tuning of a vibration absorber with shunted piezoelectric transducers / O. Heuss, R. Salloum, D. Mayer, T. Melz // Archive of Applied Mechanics.- 2016. – Vol. 86, iss. 10. – P. 1715–1732. DOI: 10.1007/s00419-014-0972-5
  • Vibration Control by Means of Piezoelectric Actuators Shunted with LR Impedances: Performance and Robustness Analysis / M. Berardengo, A. Cigada, S.Manzoni, M. Vanali // Shock and Vibration. – 2015, art. ID 704265, 30 p. DOI: 10.1155/2015/704265
  • Design of inductors with high inductance v alues for resonant piezoelectric damping / B. Lossouarn, M. Aucejo, J.-F. Deu, B. Multon // Sensors and Actuators A: Physical. – 2017. – Vol. 259, iss. 1. – P. 68–76. DOI: 10.1016/j.sna.2017.03.030
  • Optimal piezoelectric resistive–inductive shunt damping of plates with residual mode correction / J.F. Toftekær, A. Benjeddou, J. Høgsberg, S. Krenk // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2018. – Vol. 29, Iss. 16. – P. 3346–3370. DOI: 10.1177/1045389X18798953
  • Botta F., Scorza A., Rossi A. Optimal Piezoelectric Potential Distribution for Controlling Multimode Vibrations // Applied Sciences. – 2018. – Vol. 8, iss. 4. – P. 1–14. DOI: 10.3390/app8040551
  • Algorithm for solving problems related to the natural vibrations of electro-viscoelastic structures with shunt circuits using ANSYS data / N.A. Iurlova, N.V. Sevodina, D.A. Oshmarin, M.A. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, iss. 2. – P. 156–176. DOI: 10.1080/19475411.2018.1542356
  • An approach to determination of shunt circuits parameters for damping vibrations / V.P. Matveenko, N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin, N.V. Sevodina, M.A. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2018. – Vol. 9, iss. 2. – P. 135–149. DOI: 10.1080/19475411.2018.1461144
  • Sevodina N.V., Yurlova N.A., Oshmarin D.A. The optimal placement of the piezoelectric element in a structure based on the solution of the problem of natural vibrations // Solid State Phenomena. – 2015. – Vol. 243. – P. 67–74. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.243.67
  • Viana F.A.C., Valder S.Jr. Multimodal Vibration Damping through Piezoelectric Patches and Optimal Resonant Shunt Circuits // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2006. – Vol. XXVIII, iss. (3). – P. 293–310. DOI: 10.1590/S1678-58782006000300007
  • Cheng T.H., Oh I.K. A current-flowing electromagnetic shunt damper for multi-mode vibration control of cantilever beams // Smart Materials and Structures. – 2009. – Vol. 18, iss. 9. – art. No. 095036. DOI: 10.1088/0964-1726/18/9/095036
  • Fleming A.J., Moheimani S.O.R. Adaptive piezoelectric shunt damping // Smart Materials and Structures. – 2003. – Vol. 12, iss. 1. – P. 36–48. DOI: 10.1088/0964-1726/12/1/305
  • Andreaus U., dell’Isola F., Porfiri M. Piezoelectric passive distributed controllers for beam flexural vibrations // Journal of Vibration and Control. – 2004. – Vol. 10, iss. 5. – P. 625–659. DOI: 10.1177/1077546304038224
  • Giorgio I., Culla A., Del Vescovo D. Multimode vibration control using several piezoelectric transducers shunted with a multiterminal network // Archive of Applied Mechanics. – 2009. – Vol. 79. – P. 859–879. DOI: 10.1007/s00419-008-0258-x
  • Maurini C., dell’Isola F., Del Vescovo D. Comparison of piezoelectronic networks acting as distributed vibration absorbers // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2004. – Vol. 18, iss. 5. – P. 1243–1271. DOI: 10.1016/S0888-3270(03)00082-7
  • Spadoni A., Ruzzene M., Cunefare K. Vibration and Wave Propagation Control of Plates with Periodic Arrays of Shunted Piezoelectric Patches // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2009. – Vol. 20, iss. 5. – P. 979–990. DOI: 10.1177/1045389X08100041
  • Trindade M.A., Maio C.E.B. Multimodal passive vibration control of sandwich beams with shunted shear piezoelectric materials // Smart Materials and Structures.- 2008. – Vol. 17, iss. 5. – art. No. 055015. DOI: 10.1088/0964-1726/17/5/055015
  • Guo K.M., Jiang J. Independent modal resonant shunt for multimode vibration control of a truss-cored sandwich panel // International Journal of Dynamics and Control. – 2014. – Iss. 2. – P. 326–334. DOI: 10.1007/s40435-013-0036-7
  • Gozum M.M., Aghakhani A., Basdogan I. An investigation of the electromechanical coupling and broadband shunt damping in composite plates with integrated piezo-patches // Journal of intelligent material systems and structures. – 2019. – Vol. 30, iss. 20. – P. 3008–3024. DOI: 10.1177/1045389X19873045
  • Hollkamp J.J. Multimodal passive vibration suppression with piezoelectric materials and resonant shunts // Journal of intelligent material systems and structures. – 1994. – Iss. 5. – P. 49–56. DOI: 10.1177/1045389X9400500106
  • Wu S.Y. Method for multiple mode shunt damping of structural vibration using a single PZT transducer // SPIE Proceedings Series. San Diego, CA, USA. – 1998. – Vol. 3327. – P. 159– 168. DOI: 10.1117/12.310680
  • Behrens S., Moheimani S.O.R. Current flowing multiple mode piezoelectric shunt dampener // SPIE Proceedings Series. San Diego, CA, USA. – 2002. – Vol. 4697. – P. 1–24. DOI: 10.1117/12.472658
  • Matveyenko V.P., Kligman E.P. Natural vibration problem of viscoelastic solids as applied to optimization of dissipative properties of constructions // Journal of Vibration and Control. – 1997. - Vol. 3, iss.1. – P. 87–102. DOI: 10.1177/107754639700300107
  • Bochkarev S.A., Lekomtsev S.V., Matveenko V.P. Natural vibrations of loaded noncircular cylindrical shells containing a quiescent fluid // Thin-Walled Structures. – 2015. – Vol. 90. – P. 12–22. DOI: 10.1016/j.tws.2015.01.001
  • Bochkarev S.A., Lekomtsev S.V., Matveenko V.P. Natural vibrations and stability of elliptical cylindrical shells containing fluid // International Journal of Structural Stability and Dynamics. – 2016. – Vol. 16, iss. 10. – P. 1550076. DOI: 10.1142/S0219455415500765
  • Задача о собственных колебаниях электровязкоупру- гих тел с внешними электрическими цепями и конечно- элементные соотношения для ее численной реализации / В.П. Матвеенко, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, Н.А. Юрлова // Вычислительная механика сплошных сред. – 2016. – Т. 9, № 4. – C. 476–485. DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.40
  • Parton V.Z., Kudryavtsev B.A. Electro-magnetoelasticity: Piezo-electrics and Electrically Conductive Solids. New York: Gordon and Breach Science Publishers Ltd., 1988 – 526 p.
  • Карнаухов В.Г., Киричок И.Ф. Механика связанных полей в элементах конструкций: в 5 т. Т. 4: Электротермо- вязкоупругость. – Киев: Наукова думка, 1988. – 316 с.
  • Васидзу К. Вариационные методы в теории упруго- сти и пластичности: пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 542 с.
  • Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: пер. с англ. / ред. Б.Е. Победря. – М.: Мир, 1975. – 543 с.
  • Матвеенко В.П., Севодин М.А., Севодина Н.В. При- ложения метода Мюллера и принципа аргумента к задачам на собственные значения в механике деформируемого твердого тела // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Т. 7, № 3. – С. 331–336. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.32
  • Trinidade M.A., Benjeddou A. Effective electromechanical coupling coefficients of piezoelectric adaptive structures: critical evaluation and optimization // Mechanics of Advanced Materi als and Structures. – 2009. – Vol. 16, iss. 3. – P. 210–223. DOI: 10.1080/15376490902746863
  • Oshmarin D., Iurlov M. On location of piezoelectric element in a smart-structure: numerical investigation and experiment // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 208. – art. No.: 012047. DOI: 10.1088/1757- 899X/208/1/012047
  • Algorithm for the layout of a piezoelectric element in an elastic medium providing the maximal piezoelectric effect within a specified frequency range / D. Oshmarin, N. Iurlova, N. Sevodina, M. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, iss. 4. – P. 268–284. DOI: 10.1080/19475411.2019.1576070
  • Possibility of tuning shunt circuits for multimodal damping of vibrations of structure with piezoelectric element / D. Oshmarin, N. Sevodina, M. Iurlov, N. Iurlova // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2019. – Vol. 13, iss. 49. – P. 800–813. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.49.13
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp