Geri Dön

A numerical study on vibration control of flat plates under various loads using piezoelectric materials

Piezoelektrik malzemeler kullanılarak çeşitli yükler altında düz plakaların titreşim kontrolü üzerine sayısal çalışma

PDF İndir

  1. Tez No: 665852
  2. Yazar: CANSU GENÇBAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 173

Özet

Gelişen teknolojiyle birlikte hafif yapıların başta havacılık olmak üzere mühendislik alanlarında kullanımı zamanla artmıştır. Hafif yapıların artması beraberinde titreşim problemini de getirmiştir. Bu tür yapılarda titreşim kontrolündeki çalışmalar da teknolojideki gelişmeleri takip ederek geleneksel yaklaşımların yerine son dönemlerde literatürde de popülerliği artan akıllı malzemelere yoğunlaşmıştır. Dış etkiler altında mekanik koşullar ya da malzeme özelliklerini değiştiren malzemeler akıllı malzemeler olarak adlandırılır. Bu çalışmada titreşim kontrolü sağlamak adına piezoelektrik malzeme kullanılmıştır. Lead-Zirconate-Titanete (PZT) ve Polyvinylidene fluoride (PVDF), en çok bilinen piezoelektrik malzemelere örnektir. Bu malzemelerin çalışma prensibi gerinim-elektrik ilişkisine dayanmaktadır. Günümüzde piezoelektrik malzemelerin kullanımının artmasıyla birlikte birçok sınıf PZT malzemesi çalışılmaktadır. PZT çeşitleri PZT kristal, piezopolimerler, piezoseramikler, piezokompozitler ve PZT ince filmler olarak sınıflandırılmaktadır. Piezoseramik malzemeler son zamanlarda en çok kullanılan PZT malzemelerden birine örnektir. Piezoelektrik malzemeler eyleyici ve sensör olarak birçok alanda kullanılmakta ve kullanım alanları giderek artmaktadır. Bu tezde piezoelektrik yapılarla plakaların titreşim kontrolü amaçlanmıştır. Ek olarak, plakada farklı malzemeler kullanılarak malzeme özelliklerinin değişiminin titreşim kontrolündeki etkisini ve piezoelektrik yapılarla olan bağlantısı incelenmiştir. Sonlu elemanlar modeli ABAQUS 6.14 yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tezde ankastre plaka incelenmiştir. Plakanın örgü yoğunluğu ilk üç doğal frekansı temel alınarak iterasyonla hesaplanmıştır. Buna göre plaka 2500 S4R kabuk elemanla modellenmiştir. Piezoelektrik yamaların her biri 400 C3D8E katı elemanlarla modellenmiştir. Piezoelektrik yapı ve plaka arasında oluşturulan kontak modeli olarak ABAQUS yazılımındaki TIE seçeneği kullanılmıştır. Piezoelektrik yamaların plakaya değen yüzeyleri ana yüzey seçilmiştir. Bu yamaların da eklenmesiyle kontak modelinin düzgün çalışması için plaka ve yamaların birbirlerine değdiği yüzeylerde örgü yoğunluğu aynı olacak şekilde plakanın örgü modeli tekrardan oluşturulmuştur. Piezoelektrik yamalarda elektrik sınır koşullarını belirlemek için her bir yüzeyden bir düğüm seçip yüzeydeki diğer düğümlerle EQUATION kartını kullanarak denklem kurulmuştur. Plakaya değen yüzeylerde elektrik yükü sıfır olup voltaj değerleri üst yüzeye uygulanmıştır. Kullanılan PZT yamaların yerlerinin belirlenmesinde, plakanın titreşim mod şekilleri ve doğal frekansları temel alınarak yüksek gerinim görülmüş konumlar temel alınmıştır. Ek olarak, bu yamaların optimum kalınlığı tezde bahsedilen yönteme göre plakanın malzeme ve geometrik özelliklerine ve piezoelektrik yamaların malzeme özelliklerine göre hesaplanmıştır. Ayrıca, her plaka için Rayleigh sönümleme parametreleri hesaplanmıştır. Hesaplama yapılırken, ilk doğal frekans değeri dikkate alınmıştır. İlk olarak, alüminyum 2024-T42 malzemesi seçilerek plakanın ilk on doğal frekansı hesaplanmıştır. Bu frekans aralığında plakaya birim yük uygulanmış ve hangi frekanslarda daha fazla yer değiştirme görüldüğüne bakılmıştır. Alüminyum plaka için ilk üç doğal frekansına yakın frekanslarda daha fazla yer değişim değeri gözlemlenmiştir. Bu yüzden, bu frekanslardaki mod şekillerine ve gerinim değerlerinin yüksek olduğu yerlere bakılarak bu noktalara piezoelektrik yamalar eklenmiştir. Yamaların kalınlıkları hesaplandıktan sonra sınır koşullarına geçilmiştir. Ankastre plaka, farklı yüklemeler altında incelenmiş olup üç senaryo oluşturulmuştur. Öncelikle, alüminyum plakanın tüm yüzeyine basınç uygulayıp lineer olmayan dinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Bu basınç değeri sırasıyla 0-0.1s, 0-0.5s ve 0-1s olmak üzere belirli zaman aralıklarında uygulanmış olup bu üç farklı durum için yük koşulu oluşturulmuştur. Daha sonra piezoelektrik yapıların voltaj değerlerini belirlemek için plakanın yamaların bulunduğu yüzeylerdeki hız değerleri alınmıştır. Daha sonra, iterasyonlar sonucunda uygun faktörler hesaplanıp PZT yamalarının üst yüzeylerine sınır koşulu olarak uygulanmıştır. Ek olarak, sönümleme parametresi modele eklenerek analiz tekrarlanmış ve her bir durum için üç model karşılaştırılmıştır. İkinci yükleme modelinde plakaya harmonik basınç uygulanmıştır. Yüklemedeki frekans değeri plakanın birinci doğal frekansına yakın değer seçilmiştir. Böylelikle diğer analize göre daha yüksek yer değiştirme değeri gözlemlenmiştir. Hız değerleri alınarak PZT yamalarının voltaj değerleri hesaplanmış ve lineer olmayan dinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, önceden hesaplanan sönümleme parametresi modele eklenerek önceki modelle karşılaştırılmıştır. Burada sönümleme parametresinin farklı yüklemeler altında modelin yer değiştirme sonuçlarındaki değişimi incelemek amaçlanmıştır. Son olarak önceki basınç değerleri dikkate alınarak kuvvet hesabı yapılarak plakanın ucuna yük uygulanmıştır. ABAQUS programında oluşturulan analizdeki yakınsama probleminden ötürü plakanın örgü modelinin yoğunluğu arttırılmıştır. Böylece güncellenen sonlu elemanlar modeliyle dinamik analizler oluşturulmuş ve karşılaştırma yapılmıştır. Bu bölümde isotropik malzemeye sahip plakanın farklı yüklemeler altında titreşim kontrolü incelenmiş ve piezoelektrik yapıların sistemin davranışındaki etkisi gözlemlenmiştir. Bu tezde ayrıca kompozit malzeme plakanın titreşim kontrolü çalışılmıştır. Bunun için T300/976 malzemesi kullanılmıştır. Ek olarak, kompozitteki diziliminin etkisi incelemek için (0/90)S ve (0/90)T olmak üzere iki model oluşturulmuştur. Plakanın sınır koşulları ve geometrik özellikleri değiştirilmemiştir. İlk olarak, simetrik kompozit plaka çalışılmıştır. Daha önceki modelde yapıldığı gibi ilk on doğal frekansı hesaplanıp bu aralıkta birim yük verilerek hangi frekanslarda yer değiştirmelerin yüksek olduğuna bakılmıştır. Bu frekanslar baz alınarak mod şekillerine ve gerinimin yüksek olduğu yerlere bakıldığında önceki modelle aynı yerler olduğu görülmüştür. Bu yüzden, PZT yamalarının yeri değiştirilmemiştir. Ek olarak, plakanın malzemesi değiştiği için bu yamaların kalınlık değerleri hesaplanmıştır. Burada kompozitin malzeme özellikleri hesaplanırken klasik laminasyon teorisi kullanılmıştır. Hesaplamalar sonucunda kullanılan piezoelektrik yapıların önceki modele göre kalınlıklarının arttırılması gerektiği görülmüş, buna göre sonlu elemanlar modeli tekrardan kurulmuştur. Kompozit plaka için üç farklı yükleme altında dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, alüminyum plakada olduğu gibi üç farklı basınç uygulama zaman aralığında plakanın tüm yüzeyine basınç uygulanmış olup, daha sonra PZT yamaları da eklenerek analiz tekrarlanmıştır. Analizdeki uygulanan voltaj değerleri daha önceden de bahsedildiği gibi plakanın yüzeyindeki hız değerleri baz alınarak hesaplanmıştır. Sönümleme parametresi hesaplanarak her yük koşulu için üç model karşılaştırılmıştır. İkinci yüklemede harmonik basınç uygulanmış olup gerekli hesaplamalar yapılmıştır. Burada da basınç uygulanan frekans plakanın ilk doğal frekansına yakın bir değer seçilmiştir. Üçüncü yükleme tipinde plakanın ucuna kuvvet uygulanmış olup analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Simetrik olmayan kompozit plaka için daha önceki modeller için uygulanan süreçler uygulanmıştır. Bu modelde de PZT yapılarının plaka üzerindeki konumları aynı kalmıştır. Simülasyonlar üç farklı yükleme senaryosu için gerçekleştirilmiş olup, sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu bölümde de her modelde piezoelektrik malzemelerin titreşim kontrolüne etkisi incelenmiş olup yer değişimi sonuçlarındaki etkisi görülmüştür. Sonuç olarak, farklı malzeme özelliklerine sahip plakaların farklı yükleme koşulları altında sistemin davranışı incelenmiştir. Titreşim kontrolünü sağlamak adına piezoelektrik yamalar kullanılmıştır ve plakanın yer değiştirmesindeki azalma incelenmiştir. Plakanın malzemesi değiştikçe kullanılması gereken piezoelektrik yamalarının kalınlıklarının değişmesi gerektiği görülmüştür. Ayrıca uygulanması gereken voltaj değerlerinin yamaların bulunduğu konuma göre değiştiği incelenmiştir. Ek olarak, sönümleme parametresinin farklı yüklemler altında sistemin cevabına farklı etkileri olduğu görülmüştür.

Özet (Çeviri)

With the developing technology, the use of lightweight structures in engineering fields, especially in aviation, has increased over time. The increase in lightweight structures also brought along the vibration problem. Studies on vibration control have also focused on smart materials, which have become popular in the literature, instead of traditional approaches. Materials that change mechanical conditions or material properties under external influences are called smart materials. In this study, piezoelectric material was used to control vibration. Lead-Zirconate-Titanete (PZT) and Polyvinylidene fluoride (PVDF) are examples of the most well-known piezoelectric materials. The working principle of these materials is based on the strain-electricity relationship. Today, with the increasing use of piezoelectric materials, many classes of PZT materials are being studied. PZT types are classified as PZT crystal, piezopolymers, piezoceramics, piezocomposites and PZT thin films. Piezoceramic materials are an example of one of the most used PZT materials recently. Piezoelectric materials are used as actuators and sensors in many areas and their usage areas are increasing. In this thesis, vibration control of plates with piezoelectric structures under different loading conditions is aimed. In addition, by using different materials on the plate, the effect of material properties on vibration control and its connection with piezoelectric structures were investigated. The finite element model was created using ABAQUS 6.14 software. In this thesis, fixed plate is examined. The mesh density of the plate was calculated by iteration based on the first three natural frequencies. Accordingly, the plate is modeled with 2500 S4R shell elements. Piezoelectric patches are each modeled with 400 C3D8E solid elements. The contact between piezoelectric patches and thin plate were assumed as perfect bonding and described by TIE contact type in ABAQUS. Surfaces of PZT actuators were also chosen as master surfaces in contact definition. With the addition of these patches, the mesh density of the plate was recreated so that the mesh density on the surfaces where PZT are bonded to surfaces of plate in order for the contact model to work properly. Due to applying electrical potentials, for the upper and lower faces of each patches were linked to master nodes for the electrical potentials, which were specified to each face by EQUATION card. Master nodes were linked to other nodes of each surfaces. The lower surfaces of patches, which are tied to surface of host plate, were charged as zero electrical voltage for the duration of analysis. The locations of piezoelectric patches are obtained by results of steady state analysis. Highest strain locations are chosen as locations of patches. Additionally, the optimum thickness of these patches was calculated based on the material and geometric properties of the plate and the material properties of the piezoelectric patches. Also, Rayleigh damping parameters were calculated for each plate. The damping parameters were calculated based on first natural frequencies of host plate. Firstly, the first ten natural frequencies of the plate were calculated by selecting the aluminum 2024-T42 material. In this frequency range, a unit pressure was applied to the plate and it was observed at which frequencies higher displacement was observed. For the aluminum plate, higher displacement values were observed at frequencies close to the first three natural frequencies. Therefore, depending on the modal shapes at these frequencies and normal strain distributions, piezoelectric patches were added to these locations. After calculating the thickness of the patches, the boundary conditions were applied. Fixed plate has been studied under different loadings and for this loadings, three scenarios have been created. First of all, nonlinear dynamic analysis was performed by applying uniform pressure to the entire surface of the aluminum plate. Pressure was applied at certain time interval such as 0-0.1s, 0-0.5 s and 0-1s, respectively. Then, the velocity values of the locations of plate, where PZT patches are attached, were obtained to determine the voltage values of the piezoelectric structures. Then, as a result of the iterations, optimum gain factors were calculated and applied to the upper surfaces of the PZT patches as boundary conditions. Additionally, the damping parameter was added to the model, the analysis was repeated and the three models were compared. In the second loading model, harmonic pressure was applied to the plate. The frequency value in loading is chosen close to the first natural frequency of the plate. Thus, a higher displacement value was observed compared to the other analysis. Similarly, the voltage values of the PZT patches were calculated and nonlinear dynamic analysis was performed. In addition, the previously calculated damping parameter is added to the model and compared with the other analysis. It is aimed to examine the effect of the damping parameter in the displacement results of the model under different loads. Finally, the force was calculated by taking the previous pressure values into account and loads were applied to the edge of the plate. Due to the convergence problem in the analysis created in the ABAQUS program, the density of the mesh density of the plate has been increased. Thus, dynamic analysis was created with the updated finite element model and comparison was made. In this section, the vibration control of the plate with isotropic material under different loads is investigated and the effect of piezoelectric structures on the behavior of the system has been observed. In this thesis, vibration control of composite material plate was also studied. T300 / 976 material was used for composite material. Additionally, two different layouts of stacking sequences, which are (0/90)T and (0/90)S, are selected to study effect of configuration of composite. The boundary conditions and geometric properties of the plate remained same. Firstly, a symmetrical composite plate was studied. As in the previous model, the first ten natural frequencies were calculated and the unit pressure was applied in this frequency range to obtain at which frequencies the displacements were higher compared to other frequencies. Based on the strain distributions at corresping mode shapes, locations of PZT patches did not change. In addition, the thickness values of these patches were calculated since the material of the plate changed. Furthermore, for calculating the material properties of the composite, classical lamination theory was used. As a result of the calculations, it was seen that the thickness of the piezoelectric structures should be increased compared to the previous model. Because of that, finite element model of smart plate was recreated. Dynamic analyzes were performed for the composite plate under three different loads. Firstly, uniform pressure was applied to the entire surface of the plate for three different time intervals for pressure, then the analysis was repeated with the addition of PZT patches. The applied voltage values in the analysis were calculated based on the velocity values on the surface of the plate as mentioned before. The damping parameter was calculated and three models were compared for each load cases. In the second loading, harmonic pressure was applied and necessary calculations were made. Similarly, frequency of the pressure was chosen close to the first natural frequency of plate. In the third loading type, loads were applied to the edge of the plate and the analysis results were compared. For the unsymmetrical composite plate, the same processes as for the previous models were applied. In this model, the positions of the PZT structures on the plate remained the same. Simulations were carried out for three different loading scenarios and the results were compared. In this section, the effect of piezoelectric materials on vibration control in each model has been examined and the effect on the results of displacement has been observed. As a result, the behavior of the system under different loading conditions of plates with different material properties was investigated. Piezoelectric patches were used to control vibration and the reduction in displacements of plate was studied. It has been observed that the thickness of the piezoelectric patches must change as the material of the plate changes. It was also examined that the voltage values that should be applied vary according to the location of the patches. In addition, it has been observed that the damping parameter has different effects on the response of the system under different loads.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    332869

    Darbe yükü etkisindeki sandviç plağın dinamik davranışının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

    Investigation of dynamic response of the sandwich plate subjected to the impact load experimantally and numerically

    NAMIK KEMAL ALPAYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALİT S. TÜRKMEN

  2. Tez No

    517449

    Meta-malzemelerin ses iletim kaybı davranışlarının incelenmesi

    Investigation of sound transmission loss behaviors of meta-materials

    NİLÜFER DERİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK EROL

  3. Tez No

    46341

    Anadolu Üniversitesi İletişim Bilimleri Fakültesi televizyon stüdyosu akustik performansının değerlendirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    DENİZ SİPAHİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ. DR. SEVTAP DEMİRKALE YILMAZ

  4. Tez No

    401254

    Nanoimprinted high-frequency surface acoustic wave devices: Generation, characterization and acousto-electric transport

    Başlık çevirisi yok

    SERKAN BÜYÜKKÖSE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUniversity of Twente

    PROF. DR. WILFRED G. VAN DER WIEL

  5. Tez No

    488206

    Akıllı çubuk titreşimlerinin piezoelektrik eyleyiciler ile aktif kontrolü

    Active control of smart beam vibrations with piezoelectric actuators

    DENİZ SOFU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEMİH SEZER

Geri Dön