'EDUFU - Editora da Universidade Federal de Uberlandia'
Abstract
This Dissertation presents a methodology based on the Finite Element method for the modeling of laminated composite beams and plates containing piezoelectric sensors and actuators. The fundamental concepts and the theoretical developments are presented, followed by a number of numerical simulations performed in MATLAB® environment. The finite element used is a Serendipity-type element with rectangular shape, eight nodes, eleven mechanical degrees-of-freedom per node and eight electrical degrees-of-freedom per interface of piezoelectric layer. Temperature effects are neglected. A Mixed Theory is adopted, which uses a single equivalent layer for discretization of the mechanical displacement field and a layerwise representation of the electrical field. For the approximation of the mechanical displacements, two different theories are used, namely: the Higher-order Shear Deformation Theory (HSDT) and the First-order Shear Deformation Theory (FSDT). Both theories are numerically implemented and used in a number numerical simulations whose results are available in the literature. In these simulations, some relevant aspects of the static and dynamic behavior of beams and rectangular plates containing piezoelectric sensors and actuators are appraised. The main advantages and drawbacks of the theories, as applied to the modeling of intelligent composite structures are pointed-out.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoMestre em Engenharia MecânicaEsta dissertação apresenta uma metodologia baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF) para a modelagem de estruturas compostas laminadas do tipo viga e placa dotadas de sensores e atuadores piezoelétricos. Os conceitos fundamentais e o desenvolvimento teórico são apresentados, seguidos de simulações numéricas realizadas em ambiente MATLAB® para a modelagem dessas estruturas. O elemento finito implementado é do tipo Serendipity, tem forma retangular, oito pontos nodais, onze graus de liberdade mecânicos por nó e oito graus de liberdade elétricos por interface de camada piezoelétrica. Os efeitos da temperatura são desprezados. É empregada uma Teoria Mista baseada no uso de camada equivalente única para representação do campo de deslocamentos mecânicos e em múltiplas camadas para o campo elétrico. A aproximação do campo de deslocamentos mecânicos utiliza duas teorias distintas: a Teoria da Deformação de Terceira Ordem (HSDT) e a Teoria da Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (FSDT). As teorias em estudo são implementadas computacionalmente e confrontadas através da realização de simulações numéricas e os resultados são comparados com os disponíveis na literatura. Nestas simulações, alguns aspectos relevantes do comportamento estático e dinâmico sob vibração livre de vigas e placas retangulares dotadas de sensores e atuadores piezoelétricos são avaliados, tais como deflexão, freqüências naturais e potenciais elétricos. São discutidas as vantagens e desvantagens da utilização de cada uma dessas teorias na modelagem de estruturas inteligentes
