Nonlinear FE simulation and active vibration control of piezoelectric laminated thin walled smart structures

Zhang, Shunqi; Schmidt, Rüdiger

doi:5115

Nonlinear FE simulation and active vibration control of piezoelectric laminated thin walled smart structures = Nichtlineare FE-Simulation und aktive Schwingungskontrolle dünnwandiger intelligenter Strukturen mit piezoelektrischen Schichten

Zhang, Shunqi (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Shunqi Zhang

ImpressumAachen 2014

UmfangXXI, 210 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schmidt, Rüdiger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51153
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444961/files/5115.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Piezoelektrizität (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Nichtlineare Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Schwingungsdämpfung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; smart structures (frei) ; piezoelectric (frei) ; geometrically nonlinear (frei) ; plates and shells (frei) ; finite element (frei) ; active vibration control (frei) ; disturbance rejection control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
msc: 74K25 * 74F99 * 74H45 * 93C99 * 74H45

Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt die beiden Themenbereiche nichtlineare Finite Elemente Modellierung und Schwingungsdämpfung für intelligente Strukturen mit integrierten piezoelektrischen Schichten. Im ersten Teil wird basierend auf einer Schalentheorie für kleine Dehnungen und finite Rotationen ein elektro-mechanisch gekoppeltes Finite-Elemente-Modell für die statische und dynamische Berechnung dünnwandiger Strukturen mit piezoelektrischen Sensor- und Aktorschichten entwickelt. Die hier verwendete nichtlineare Schalentheorie basiert auf der Schubdeformationstheorie erster Ordnung und hat sechs unabhängige kinematische Parameter, die durch fünf Knotenfreiheitsgrade ausgedrückt werden. Unter Verwendung von zwei Eulerwinkeln werden beliebig große Rotationen beschrieben. Aufgrund der Annahme kleiner Dehnungen und eines schwachen elektrischen Potentials werden lineare piezoelektrische konstitutive Gleichungen und ein linear in Dickenrichtung verlaufendes Potential verwendet. Auch mehrere vereinfachte nichtlineare Schalentheorien werden in Finite Elemente Modelle dünnwandiger Strukturen implementiert, um durch Vergleichsrechnungen zeigen zu können, in welchen Anwendungsfällen die Theorie finiter Rotationen für Strukturen aus Schichtverbundwerkstoffen oder intelligente Strukturen erforderlich ist. Im zweiten Teil wird eine Störungsunterdrückungs-Regelung mit einem Proportional-Integral (PI) Beobachter entwickelt, der Sprungfunktionen nutzt, um ein fiktives Modell von Störungen für aktive Schwingungskontrolle von intelligenten Strukturen zu konstruieren. Um das dynamische Verhalten des bestehenden PI Beobachters zu verbessern,wird ein Generalized PI-(GPI) Beobachter vorgeschlagen und entwickelt. Daher lassen sich durch die vorliegende Störungsunterdrückungs-Regelung alle unbekannten Störungen entweder mit einem PI- order GPI-Beobachter schätzen bzw. kompensieren. Um die Vorteile der vorgeschlagenen Störungsunterdrückungs-Regelung darzustellen, werden zusätzlich PID, LQR und LQG Steuerstrategien eingesetzt.

This dissertation deals with nonlinear finite element modeling and active vibration control for piezoelectric integrated smart structures, and is presented in two parts. In the first part, an electro-mechanically coupled large rotation finite element model is developed for static and dynamic analysis of thin-walled structures with piezoelectric sensor and actuator layers. The present large rotation theory is based on the first-order shear deformation hypothesis, which has six independent kinematic parameters but expressed by five nodal degrees of freedom. Unrestricted finite rotations are described by two rotations using the Euler angle representation method. Due to the assumption of small strains and weak electric potential, linear piezoelectric coupled constitutive equations and a linearly distributed electric potential through the thickness are considered. In order to show the necessity of the large rotation theory in the application of thin-walled composite or smart structures undergoing large rotations, several simplified nonlinear shell theories are implemented into finite elements for thin-walled structures as well. The second part develops a disturbance rejection control with a Proportional-Integral (PI) observer which uses step functions to construct a fictitious model of disturbances for active vibration control of smart structures. To improve the dynamic behavior of the existing PI observer, a Generalized PI (GPI) observer is proposed and developed. Therefore, any unknown disturbances can be estimated and compensated by the present disturbance rejection control with either a PI or GPI observer. Additionally, PID, LQR and LQG control strategies are implemented to show the advantages of the proposed disturbance rejection control.

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