Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Saeed Behbahani,Hamidreza Mirdamadi
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) سعید بهبهانی (استاد راهنما) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ahmadali Tahmasebimoradi
احمدعلی طهماسبی مرادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Finite Element Modeling of the Piezolaminated Beam Using Von Karman Nonlinear Strain-Displacement Relation
In this work, an electromechanically coupled finite element model for a piezolaminated beam was presented. For the mechanical model, classical sandwich theory (CST) was considered, where the core was modeled according to the third-order shear deformation theory (TSDT). On the contrary, the face sub-layers were modeled with the Euler-Bernoulli hypothesis. By means of the Von Karman's theory, the displacements-strains relations were developed. For complete satisfaction of the electrostatic equilibrium equation, for both shear and extensional piezoelectric layers, the longitudinal and transverse electrical fields were considered. In the next step, a variational formulation was written using the Hamilton's principle with extension to the piezoelectric media. Then, using the aforementioned assumptions, a finite element (FE) model was developed. Electrically, constant electric difference of potentials for core and face piezoelectric layers were assumed. Also, quadratic shape functions for the third-order variable of electric potential were considered for the core piezoelectric layers. For the mechanical variable interpolations, linear Lagrange, quadratic and cubic shape functions were considered for the axial displacement, bending rotation of the core and transverse displacement, respectively. For obtaining a faster and more reliable solution, the electrical and elemental variables were condensed out statically. Finally, by examining the governing equation for the sandwich beam, a new electromechanical effect for the extensional piezoelectric layers was shown up due to the consideration of the Von Karman's theory. for evaluation of natural frequencies, the first step is to linearize the governing equations of the system about a static equilibrium position. The validation of the proposed model is achieved by comparing it with the availableresults. After validation of the developed technique, a shear piezoelectric sandwiched beam with two extensional piezoelectric actuators is considered. It shows that by applying high voltage to the actuators, the percentage of changes in the natural flexural frequencies is considerable. The change is mainly due to the consideration of the Von Karman's theory. However, since there is no sensor in this configuration, the nonlinearity will not show it up noticeably. Therefore, to analyze the nonlinearity effect, another extensional piezoelectric layer is added to the previous model which acts as a sensor. It is shown that this nonlinearity effect could be important for higher applied forces and also have a considerable influence on the natural flexural frequencies. Key Words: Finite element method, Piezoelectric, Von Karman strain-displacement relations, Generalized Hamilton's principle, Third-order shear deformation theory.
در این پایان نامه بر مدل سازی تیر با لایه های پیزوالکتریک با مکانیزم های برشی و محوری پرداخته شده است. برای لایه های جانبی از فرض اولر- برنولی و برای لایه های هسته تیر چند لایه، از تئوری مرتبه سوم برشی استفاده گردید. به کمک تئوری ون کارمن، روابط جابجایی-کرنش به دست آمدند. سپس به کمک اصل گسترش یافته همیلتون، به منظور رعایت کامل کوپل الکترومکانیکی به فرمول بندی وردشی سیستم، در جابجایی های کوچک پرداخته شد. در ادامه، به کمک روش المان محدود، معادلات حاکم بر مسئله گسسته سازی گردیدند. در این مدل سازی، درجات آزادی الکتریکی و مکانیکی برای هر المان در نظر گرفته شد. مشخص گردید که در حالت حس گری لایه های پیزوالکتریک با مکانیسم محوری، حتی برای جابجایی های کوچک، معادلات حاکم غیر خطی می باشند. بنابراین به منظور ارزیابی فرکانس های طبیعی، به خطی سازی روابط مربوطه حول نقطه تعادل استاتیکی سیستم، پرداخته شد. برای بررسی صحت معادلات و روش حل متناظر آن، ابتدا جواب های به دست آمده از مدل حاضر با نتایج موجود مقایسه گردیدند. تطابق نتایج مؤید درستی روش ارائه شده و کد توسعه داده شده می باشد. سپس به بررسی اثر الکترومکانیکی ناشی از در نظر گرفتن تئوری ون کارمن پرداخته شد. این اثر در اکثر مدل سازی المان محدود تیرهای کامپوزیتی با لایه های پیزوالکتریک، در نظر گرفته نشده بود. به کمک این اثر الکترومکانیکی، می توان با افزایش ولتاژ به لایه های پیزوالکتریک با مکانیسم محوری، تغییرات فرکانس های خمشی سیستم را مشاهده نمود. در نهایت، برای حالت حس گری لایه های پیزوالکتریک با مکانیسم محوری، به بررسی اثر غیر خطی الکترومکانیکی پرداخته شد. با کاهش ضخامت لایه های حس گر، استفاده از وصله های حس گر و متقارن نمودن چیدمان لایه های حس گر نسبت به هم، نشان داده شد که می توان اثر غیرخطی الکترومکانیکی را کم یا حتی حذف نمود. کلمات کلیدی : اصل گسترش یافته همیلتون، تئوری مرتبه سوم برشی، تئوری ون کارمن، روش المان محدود، پیزوالکتریک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی