Geometrically nonlinear higher-order shear deformation FE analysis of thin-walled smart structures

Vu, Duy Thang; Schmidt, Rüdiger

doi:30833

Geometrically nonlinear higher-order shear deformation FE analysis of thin-walled smart structures = Geometrisch nichtlineare FE Berechnung von dünnwandigen intelligenten Strukturen auf Grundlage von Schubdeformationstheorien höherer Ordnung

Vu, Duy Thang (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Duy Thang Vu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang134 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfasung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schmidt, Rüdiger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-09-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37971
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64242/files/3797.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Intelligenzstruktur (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; dünnwandige intelligente Strukturen (frei) ; geometrische nichtlineare finite Elemente (frei) ; smart structures (frei) ; higher-order shear deformation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der geometrischen Nichtlinearität in Finite Elemente Simulationen des quasistatischen und dynamischen Verhaltens bei Form- und Schwingungskontrolle dünnwandiger Strukturen mit integrierten piezoelektrischen Schichten oder Patches untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der kinematischen Hypothesen, die linearen und nichtlinearen Theorien derartiger Strukturen zugrundegelegt werden. Finite Plattenelemente werden unter Verwendung von Dehnungs Verschiebungs-Beziehungen entwickelt, die auf der Schubdeformationstheorie erster oder dritter Ordnung basieren. Unter Verwendung dieser beiden Strukturhypothesen werden vergleichende Finite Elemente Simulationen durchgeführt, unter anderem für die transversale Schubspannungsverteilung, für nichtlineare Formkontrolle sowie für das nichtlineare Schwingungsverhalten und die zeitliche Entwicklung der Sensorspannungen infolge impulsförmiger Belastungen dünner Balken und Platten mit aufgeklebtem piezoelektrischen Patch. Außerdem wird ein in der Literatur beschriebenes Experiment zur Schwingungskontrolle eines eingespannten Balkens mit piezoelektrischer Aktorschicht simuliert. Die Vergleichsrechnungen werden sowohl mit der linearen als auch mit nichtlinearen Plattentheorien durchgeführt. Bei letzteren werden große Verschiebungen im Sinne der von Kármánschen Theorie und der Theorie moderater Rotationen berücksichtigt.

In this thesis the influence of geometrical nonlinearity is studied in the finite element analysis of quasi-static and transient dynamic response of shape and vibration control of thin-walled structures with integrated layers or patches of piezoelectric materials. The thesis addresses the kinematic hypotheses on which linear and nonlinear theories of such smart structures are based. Finite plate elements are developed, which employ strain-displacement relations based on either first- or refined third-order transverse shear deformation hypothesis. Using these kinematic models, comparative finite element simulations are performed for the transverse stress distribution analysis, the nonlinear shape control and the time histories of nonlinear vibrations and sensor output voltage due to a step force acting on thin beams and plates, respectively, with a piezoelectric patch bonded to the surface. Furthermore, an experiment reported in literature for vibration control of a clamped beam using a piezoelectric layer bonded to the surface is simulated. The comparative studies are performed based on linear theory, von Kármán-type nonlinear theory, and nonlinear moderate rotation theory.

Fulltext:
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