О применении шунтированного пьезоэлемента для обеспечения наилучших диссипативных характеристик вязкоупругих оболочек

О применении шунтированного пьезоэлемента для обеспечения наилучших диссипативных характеристик вязкоупругих оболочек

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

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

Статья в выпуске: 4, 2024 года.

Бесплатный доступ

Работа посвящена исследованию характера зависимости динамических характеристик электро-вязкоупругой системы, представляющей собой кусочно-однородное тело, состоящее из упругих, вязкоупругих, электроупругих (пьезоэлектрических) элементов, а также внешних пассивных электрических цепей, присоединенных к электродированным поверхностям пьезоэлементов, от параметров, определяющих ее геометрическую конфигурацию (размеры и расположение вязкоупругого и пьезоэлектрического элементов, формирующих систему, по отношению к конструкции и друг к другу). В таких системах для демпфирования колебаний реализуются два механизма диссипации энергии: за счет внутреннего трения в вязкоупругих частях и за счет преобразования части энергии механических колебаний в электрическую с последующим ее рассеиванием в электрических цепях. В качестве внешних электрических цепей рассмотрены резистивная ( R ) и последовательная резонансная ( RL ) цепи. Исследование проводилось на основе численного решения задачи о собственных колебаниях для тонкостенной пространственной конструкции - полуцилиндрической оболочки. Рассмотрены все возможные геометрические конфигурации расположения вязкоупругих и пьезоэлектрических элементов. Найдены варианты компоновки конструкции, которые могут обеспечить наилучшие демпфирующие свойства в некотором диапазоне частот за счет реализации либо механизма внутреннего трения, либо преобразования энергии колебаний пьезоэлементом. В результате проведения серии вычислительных экспериментов получены количественные оценки, демонстрирующие, как изменяются демпфирующие свойства системы при использовании отдельно каждого из рассматриваемых механизмов диссипации энергии колебаний, а также совместно. Сделаны количественные оценки изменения диссипативных свойств оболочки, демонстрирующие, в каких случаях оба механизма диссипации энергии приводят к повышению демпфирующих характеристик электровязкоупругих систем, а в каких - к их снижению.

Еще

Электровязкоупругость, пьезоэлемент, шунтирующие электрические цепи, коэффициент демпфирования колебаний, коэффициент электромеханической связи, собственные частоты и моды колебаний, оболочка, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146283049

IDR: 146283049   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.08

Список литературы О применении шунтированного пьезоэлемента для обеспечения наилучших диссипативных характеристик вязкоупругих оболочек

  • Kumar, A. Passive Constrained Layer Damping: A State of the Art Review / A. Kumar, R.K. Behera // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 653. – art. No. 012036. DOI: 10.1088/1757-899X/653/1/012036
  • Nashif, A.D. Vibration Damping / A.D. Nashif, D.I.G. Jones, J.P. Henderson. – Wiley, 1985. – 453 p.
  • Sun, C.T. Vibration Damping of Structural Elements / C.T. Sun, Y.P. Lu. – Prentice-Hall, 1995. – 372p.
  • Stanway, R. Active constrained-layer damping: A state-ofthe- art review Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I / R. Stanway, J.A. Rongong, N.D. Sims // Journal of Systems and Control Engineering. – 2003. – Vol. 217, no 6. – P. 437–456. DOI: 10.1177/095965180321700601
  • Trindade, M.A. Hybrid Active-Passive Damping Treatments using Viscoelastic and Piezoelectric Materials: Review and Assessment / M.A. Trindade, A. Benjeddou // Journal of Vibration and Control. – 2002. – Vol. 8, no. 6. – P. 699–745. DOI: 10.1177/1077546029186
  • Sahoo, S.R. Active damping of geometrically nonlinear vibrations of smart composite plates using elliptical SCLD treatment with fractional derivative viscoelastic layer / S.R. Sahoo, M.C. Ray // European Journal of Mechanics – A/Solids. – 2019. – Vol. 78. – art. No. 103823. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2019.103823
  • Sahoo, S.R. Active control of laminated composite plates using elliptical smart constrained layer damping treatment / S.R. Sahoo, M.C. Ray // Composite Structures. – 2019. – Vol. 211. – P. 376–389. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.12.004
  • Ватульян, А.О. К исследованию колебаний цилиндра с вязкоупругим покрытием / А.О. Ватульян, В.В. Дударев // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Т. 14, № 3. – P. 312–321. DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.3.26
  • Park, C.H. Modeling of a Hybrid Passive Damping System / C.H. Park, S.J. Ahn, H.C. Park // Journal of Mechanical Science and Technology, 2005. – Vol. 19, no. 1. – P. 127–135. DOI: 10.1007/BF02916111
  • Trindade, M.A. Optimization of passive constrained layer damping treatments applied to composite beams / M.A. Trindade // Latin American Journal of Solids and Structures, 2007. – Vol. 4, no. 1. – P. 19–38.
  • Vibration Control of Beams with Active Constrained Layer Damping / F.-M. Li, K. Kishimoto, Y.-S. Wang, Z.-B. Chen, W.-H. Huang // Smart Materials and Structures, 2008. – Vol. 17, no. 6, art. No. 065036. DOI: 10.1088/0964-1726/17/6/065036
  • Trindade, M.A. Optimization of Active-Passive Damping Treatments using Piezoelectric and viscoelastic Materials / M.A. Trindade // Smart Materials and Structures. – 2007. – Vol. 16. – P. 2159–2168. DOI: 10.1088/0964-1726/16/6/018
  • Vibration Control of Plate by Active and Passive Constrained Layer Damping / S. Meena, N. Kumar, S.P. Singh, B.C. Nakra // Advances in vibration engineering. – 2009. – Vol. 8(4). – P. 345–356.
  • Gupta, A. An actively constrained viscoelastic layer with the inclusion of dispersed graphite particles for control of plate vibration / A. Gupta, S. Panda, R.S. Reddy // Journal of Vibration and Control. – 2020. – Vol. 27, no. 17–18. – P. 2152–2163. DOI: 10.1177/1077546320956533
  • Mead, D.J. The Forced Vibration of a Three-Layer, Damped Sandwich Beam with Arbitrary Boundary Conditions / D.J. Mead, S. Markus // Journal of Sound and Vibration. – 1969. – Vol. 10, no. 2. – P. 163–175. DOI: 10.1016/0022-460X(69)90193-X
  • Design of an Active Damping System for Vibration Control of Wind Turbine Towers / H. Bai, Y. Aoues, J.-M. Cherfils, D. Lemosse // Infrastructures. – 2021. – Vol. 6, no. 11. – art. No. 162. DOI: 10.3390/infrastructures6110162
  • Vinyas, M. Influence of active constrained layer damping on the coupled vibration response of functionally graded magneto- electro-elastic plates with skewed edges / M. Vinyas, D. Harursampath, T. Nguyen-Thoi // Defence Technology. – 2020. – Vol. 16, no. 5. – P. 1019–1038. DOI: 10.1016/j.dt.2019.11.016
  • Active Vibration Control of Composite Cantilever Beams / Z. Huang, F. Huang, X. Wang, F. Chu // Materials (Basel). – 2022. – Vol. 16, no. 1. – art. No. 95. DOI: 10.3390/ma16010095
  • Modeling and topology optimization of cylindrical shells with partial CLD treatment / R.Z. Zhu, X.N. Zhang, S.G. Zhang, Q.Y. Dai, Z.Y. Qin, F.L. Chu // International Journal of Mechanical Sciences. – 2022. – Vol. 220. – art. No. 107145. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107145
  • Vibration Control of an Aero Pipeline System with Active Constraint Layer Damping Treatment / J. Zhai, J. Li, D. Wei, P. Gao, Y. Yan, Q. Han // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9, no. 10. – art. No. 2094. DOI: 10.3390/app9102094
  • Yang, Q. Development of Multi-Staged Adaptive Filtering Algorithm for Periodic Structure-Based Active Vibration Control System / Q. Yang, K. Lee, B. Kim // Appl. Sci. – 2019. – Vol. 9. – art. No. 611. DOI: 10.3390/app9030611
  • Panda, S. A design of active constrained layer damping treatment for vibration control of circular cylindrical shell structure / S. Panda, A. Kumar // Journal of Vibration and Control. – 2016. – Vol. 24, no. 24. – P. 5811–5841. DOI: 10.1177/1077546316670071
  • Algorithm for solving problems related to the natural vibrations of electro-viscoelastic structures with shunt circuits using ANSYS data / N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin, N.V. Sevodina, M.A. Iurlov // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, no. 2. – P. 156–176. DOI: 10.1080/19475411.2018.1542356
  • Численный алгоритм поиска компоновок электро-упругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик / Н.А. Юрлова, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, М.А. Юрлов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 3. – C. 108–124. DOI: perm.mech/2020.3.11
  • Hagood, N.W. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks / N.W. Hagood, A. Von Flotow // Journal of Sound and Vibration. – 1991. – Vol. 146, no. 2. – P. 243–268. DOI: 10.1016/0022-460X(91)90762-9
  • Trindade, M.A. Effective electromechanical coupling coefficients of piezoelectric adaptive structures: critical evaluation and optimization / M.A. Trindade, A. Benjeddou // Mech. Adv. Mater. Struct. – 2009. – Vol. 16, no. 3. – P. 210–223. DOI: 10.1080/15376490902746863
  • Comparison of passive damping treatments based on constrained viscoelastic layers and multi-resonant piezoelectric networks / B. Lossouarn, L. Rouleau, R. Darleux, J.-F. Deü // Journal of Structural Dynamics. – 2021. – Vol. 1. – P. 30–48. DOI: 10.25518/2684-6500.63
  • Effects of viscoelastic bonding layer on performance of piezoelectric actuator attached to elastic structure / I.A. Ali, M.A. Alazwari, M.A. Eltaher, A.A. Abdelrahman // Mater. Res. Express. – 2022. – Vol. 9. – art. No. 045701. DOI: 10.1088/2053-1591/ac5cae
  • Партон, В.З. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел / В.З. Партон, Б.А. Кудрявцев. – М.: Наука, 1988. – 471 p.
  • Карнаухов, В.Г. Механика связанных полей в элементах конструкций: в 5 т. Т. 4: Электротермовязкоупругость / В.Г. Карнаухов, И.Ф. Киричок. – Киев: Наукова Думка, 1988. – 316 с.
  • Analysis of dissipative properties of electro-viscoelastic bodies with shunting circuits on the basis of numerical modelling of natural vibrations / V. Matveenko, N. Iurlova, D. Oshmarin, N.V. Sevodina // Acta Mech. – 2023. – Vol. 234. – Р. 261–276. DOI: 10.1007/s00707-022-03193-8
  • Задача о собственных колебаниях электро-вязко- упругих 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. – С. 476–485. DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.40
  • Matveenko, V.P. Damping of vibrations of smartsystems incorporating piezoelectric elements and shunt circuits with parameters derived from the models of continuum and discrete mechanics / V.P. Matveenko, N.A. Iurlova, D.A. Oshmarin // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2023. – Р. 1–11. DOI: 10.1080/15376494.2023.2241134
  • 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, no. 2. – P. 135–149. DOI: 10.1080/19475411.2018.1461144
  • Zienkiewicz, O.C. The finite element method: Its Basis and Fundamentals. – 6th ed. / O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, J.Z. Zhu. – Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2000. – 802 p.
  • Kligman, E.P. Natural Vibration Problem of Viscoelastic Solids as Applied to Optimization of Dissipative Properties of Constructions / E.P. Kligman, V.P. Matveenko // Journal of Vibration and Control. – 1997. – Vol. 3, no. 1. – P. 87–102. DOI: 10.1177/107754639700300
  • Weawer, Jr.W. Vibration problems in engineering, 5th ed. / Jr.W. Weawer, S.P. Timoshenko, D.H. Young. – Wiley, 1990. – 497 p.
  • Матвеенко, В.П. Приложения метода Мюллера и принципа аргумента к задачам на собственные значения в механике деформируемого твердого тела / В.П. Матвеенко, М.А. Севодин, Н.В. Севодина // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Vol. 7, no. 3. – P. 331–336. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.32
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp