О применении шунтированного пьезоэлемента для обеспечения наилучших диссипативных характеристик вязкоупругих оболочек
Автор: Юрлова Н.А., Ошмарин Д.А., Севодина Н.В.
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.
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 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.08
The use of a shunted piezoelectric element to ensure the best dissipative characteristics of viscoelastic shells
The paper studies the dependence of the dynamic characteristics of an electro-viscoelastic system, which is a piecewise homogeneous body consisting of elastic, viscoelastic, electroelastic (piezoelectric) elements, as well as external passive electrical circuits attached to the electroded surfaces of piezoelectric elements, on the parameters determining its geometric configuration (dimensions and location of viscoelastic and piezoelectric elements, forming the system, in relation to structure and each other). In these systems, two methods of energy dissipation are used to reduce vibration: internal friction in viscoelastic materials and the conversion of mechanical vibration energy into electrical energy which is then dissipated in electrical circuits. Resistive (R) and resonant (RL ) circuits are considered as examples of external electrical circuits. The study was conducted based on a numerical solution to the natural vibration problem for a thin-walled, spatial structure having the form of a semi-cylindrical shell. All possible geometrical configurations for the arrangement of viscoelastic and piezoelectric components were considered. There were found designs that could provide optimal damping properties within a specific frequency range, either via internal friction or by converting vibration energy using a piezoelectric component. As a result of a series of computational experiments, we obtained quantitative estimates demonstrating how the damping properties of the system change when each of the considered vibration energy dissipation mechanisms is used separately or jointly. The obtained quantitative estimates of changes in the dissipative properties of the shell show, in which cases both energy dissipation mechanisms lead to an increase in the damping characteristics of electro-viscoelastic systems, and in which cases they lead to a decrease.
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
