Design of laminated structures using piezoelectric materials

Composite structures incorporating piezoelectric sensors and actuators are increasingly becoming important due to the offer of potential benefits in a wide range of engineering applications such as vibration and noise supression, shape control and precisition positioning. This paper presents a finit element formulation based on classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as actuators. The finite element model is a single layer triangular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of freedom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezsoelectric elementlayer or patch, witch are surface bonded on the laminate. An optimization of the patches position is performed to maximize the piezoelectric actuators efficiency as well as, the electric potential distribuition is search to reach the specified structure transverse displacement distribuition (shape control). A gradient based algorithm is used for this purpose. The model is applied in the optimization of illustrative laminated plate cases, and the results are presented and discussed

Shape control of laminated panels using piezoelectric actuators

This paper presents a finite element formulation based on the classical laminated plate theory for laminated structures with integrated piezoelectric layers or patches, acting as actuators.The finite element model is a single layer trinaguular nonconforming plate/shell element with 18 degrees of fredom for the generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element elemenet layer or patch. An optimization of the patches position is perfomed to maximize the piezoelectric actuators efficiency as well as,the electric potential distribution is serach to reach the specified strusctura transverse displacement distribution is search to reach the specified structures trsnsverse displacement distribution (shape control). A gradient based algorithm is used for this purpose.Results are presented and discussed

Non-linear analysis of piezolaminated structures

In the recent years the study of smart structures has attracted significant researchers, due to their potential benefits in a wide range of applications, such as shape control, vibration suppression, noise attenuation and damage detection. The applications in aerospace industry are of great relevance, such as in active control of airplane wings, helicopter blade rotor, space antenna. The use of smart materials, such as piezoelectric materials, in the form of layers or patches embedded and/or surface bonded on laminated composite structures, can provide structures that combine the superior mechanical properties of composite materials and the capability to sense and adapt their static and dynamic response, becoming adaptive structures. The piezoelectric materials have the property of generate electrical charge under mechanical load or deformation, and the reverse, applying an electrical field to the material results in mechanical strain or stresses

Controlo activo de ressonância em estruturas piezolaminadas

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos baseado na teoria de deformação de corte de 3ª ordem, o qual é aplicado ao controlo activo de vibrações, incluindo o fenómeno de ressonância, em estruturas laminadas. Sensores e actuadores piezoeléctricos na forma de lâminas estão colocadas na superfície superior e inferior do laminado, permitindo assim um sistema de controlo, ligando os efeitos piézoeléctricos directo e converso, atrvés de um algoritmo baseado na realimentação com velocidade negativa. As estruturas são forçadas a vibrar num determinado modo, e a sua amplitude no tempo é calculada usando o método de Newmark. Apresenta-se uma aplicação ilustrativa

Finit element model for active control of adaptive laminated structures

A finite element formulation for active vibration control of thin plate laminated structures with integrated piezoelectric layers, acting as sensors and actuators in presented. The finite element model is a nonconforming single layer triangular plate/shell element with 18 degrees of freedom for the generalized displacements and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, and is based on the kirchhoff classical laminated theory. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers, and Newmark method is used to calculate yhe dynamic response of the laminated structures. The model is applied in the solution of several illustrative cases, and the results are presented and discussed

Resonance control of piezolaminated structures

This paper deals with a third order shear deformation finite element model wich is applied on the active resonance control thin plate/shell laminated structures with integrated piezoelectric layers of patches, acting as sensors and actuators. The finite element model is a single layer tringular nonconforming plate/shell element with 24 degrees of freedom for he generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, wich are surface bonded on the laminated. The newwork method is considered to calculate the dynamic response of the laminated sructures forced to vibrate in the first natural frequency. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. The model is applied to the solution of one illustrative case, and the results are presented and discussed

Análise geometricamente não-linear de estruturas adaptativas piezolaminadas

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, para a análise linear e não-linear de estruturas do tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. É usado um simples e eficiente elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizada a formulação Lagrangeana actualizada associada à tecnica de Newton - Raphson para a solução iterativa das equações de equilibrio .O modelo pode ser aplicado a cascas piezolaminadas com geometria e carregamento arbitrários. Apresentam-se vários exemplos ilustrativos cujos resultados mostram a eficiencia do modelo proposto

Higher order model for analysis of magneto-electro-elastic plates

In this paper is presented an higher-order model for static and free vibration analyses of magneto-electro-elastic plates, wich allows the analysis of thin and thick plates, which allows the analysis of thin and thick plates. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of fredom for the generalized mechanical displacements. Two degrees on freedom are introduced per each element layer, one corresponding to the electrical potential and the other for magnetic potential. Solutions are obtained for different laminations of the magneto-electro-elastic plate, as well as for the purely elastic plate as a special case

Optimização de painéis laminados com furos

Neste trabalho é feita a optimização de estruturas laminadas do tipo placa-casca, construídas por materiais compósitos, fazendo-se uso de um modelo discreto baseado na Teoria de Kirchhoff em conjugação com a Teoria da Camada Única Equivalente.As análises estrutural e de sensibilidades de estruturas em regime estático com comportamento geometricamente não linear, em vibrações livres, e em estabilidade linear, são desenvolvidas para um elemento finito triangular plano de 3 nós, com 18 graus de liberdade. A optimização é feita considerando diferentes funções objectivo, tais como a maximização da energia elástica de deformação, a maximização da frequência fundamental e a maximização da carga crítica, e é baseada no método das sensibilidades. As sensibilidades destas funções objectivo em ordem ás variáveis de projeto são calculadas analíticamente, sendo a orientação das fibras as variáveis de projecto consideradas

Optimização de estruturas laminadas adaptativas com controlo activo

Neste trabalho apresenta-se um modelo de elementos finitos, baseados na teoria clássica das placas, desenvolvido para a análise de controlo activo em dinâmica de estruturas de tipo placa/casca integrando sensores e actuadores piezoeléctricos. O controlo é iniciado através de uma optimização prévia do núcleo laminado de modo a diminuir a amplitude da vibração. É usado um algoritmo de controlo baseado na ligação entre as lâminas piezoeléctricas sensoras e actuadoras para obter um mecanismo de controlo da resposta dinâmica da estrutura. A resolução por elementos finitos usa um elemento placa/casca triangular plano de 3 nós, e em cuja formulação se introduz um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. Apresentam-se os resultados obtidos em dois exemplos ilustrativos