Bending Vibrations of an Elastic Rod Controlled by Piezoelectric Forces

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Bending vibrations of a thin elastic rod of rectangular cross-section are studied. A number of piezoelectric actuators (elements) is symmetrically attached without gaps to two opposite sides of the rod. Each element is glued to the neighboring ones, forming with the rod a single elastic body in the form of a rectangular parallelepiped. The body is hinged at both ends relative to the cross-sectional axis parallel to the piezoelectric layers. In opposite piezoelements, homogeneous fields of normal stresses are set antisymmetrically as functions of time. These stresses are parallel to the axis of the rod and force the elastic system to perform bending motions. Within the framework of the linear theory of elasticity for the considered system, generalized formulations of the initial-boundary value problem and the corresponding eigenvalue problem are given. These problems are defined through unknown displacements and the time integrals of mechanical stresses. An approximation of the displacement and stress fields, which is polynomial in transverse coordinates, is proposed. This approximation exactly satisfies the homogeneous boundary conditions for stresses on the lateral sides and takes into account the symmetry properties of the bending motions. For the chosen approximation, the boundary value problem for eigenvalues is exactly solved. Two branches of eigenvalues are found and used to reduce the initial-boundary value problem to a countable system of first-order ordinary differential equations with respect to complex variables. The dynamical system is decomposed into independent infinite-dimensional subsystems with a scalar control input. One of these subsystems is not controllable. For the remaining subsystems, each corresponding to a pair of piezoelectric elements, a control law for vibration damping is proposed for a specific number of the lower modes associated with the lower branch.

About the authors

A. A. Gavrikov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Author for correspondence.
Email: gavrikov@ipmnet.ru
Russia, Moscow

G. V. Kostin

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Author for correspondence.
Email: kostin@ipmnet.ru
Russia, Moscow

References

  1. Donnell L.H. Beams, Plates and Shells. N.Y.: McGraw-Hill, 1976.
  2. Strutt J.W. (Baron Rayleigh) Theory of Sound. Vol. 1. L.: MacMillan, 1926.
  3. Timoshenko S. Strength of Materials. Pt 1. Elementary Theory and Problems. Princenton: D. Van Nostrand Reinhold, 1956.
  4. Reissner E. The effect of transverse shear deformation on the bending of elastic plates // J. Appl. Mech., 1945, vol. 12, pp. A69–A77.
  5. Levinson M. On Bickford’s consistent higher order beam theory // Mech. Res. Commun., 1985, vol. 12, pp. 1–9.
  6. Kostin G.V., Saurin V.V. Integro-differential approach to solving problems of linear elasticity theory // Dokl. Phys., 2005, vol. 50, no. 10, pp. 535–538.
  7. Kostin G.V., Saurin V.V. Modelling and analysis of the natural vibrations of a prismatic elastic beam based on a projection approach // JAMM, 2011, vol. 75, no. 6, pp. 700–710.
  8. Kostin G.V., Saurin V.V. Dynamics of Solid Structures. Methods Using Integrodifferential Relations. Berlin: De Gruyter, 2018.
  9. Kostin G. Projection approach to spectral analysis of thin axially symmetric elastic solids. // Recent Trends in Wave Mechanics and Vibrations. WMVC 2022. Mechanisms and Machine Science, vol. 125 / Ed. by Dimitrovová Z. et al. Springer, 2023. pp. 285–295.
  10. Akulenko L.D., Nesterov S.V. High-Precision Methods in Eigenvalue Problems and Their Applications. Boca Raton: Charman and Hall/CRC, 2005.
  11. Gavrikov A.A., Kostin G.V. Optimization of longitudinal motions of an elastic rod with the help of periodically distributed piezoelectric forces // J. Comput.&Syst. Sci. Int., 2023, vol. 62, no. 5, pp. 788–804. (in Press)
  12. Bruant I., Coffignal G., Lene F., Verge M. A methodology for determination of piezoelectric actuator and sensor location on beam structures // J. Sound&Vibr., 2001, vol. 243, no. 5, pp. 861–882.
  13. Gupta V., Sharma M., Thakur N. Optimization criteria for optimal placement of piezoelectric sensors and actuators on a smart structure: A technical review // J. Intell. Mater. Syst.&Struct., 2010, vol. 21, no. 12, pp. 1227–1243.
  14. Kostin G., Gavrikov A. Controllability and optimal control design for an elastic rod actuated by piezoelements // IFAC-PapersOnLine, 2022, vol. 55, no. 16, pp. 350–355.
  15. Gavrikov A., Kostin G. Optimal LQR control for longitudinal vibrations of an elastic rod actuated by distributed and boundary inputs // Recent Trends in Wave Mechanics and Vibrations. WMVC 2022. Mechanisms and Machine Science, vol. 125 / Ed. by Dimitrovová Z. et al. Springer, 2023. pp. 285–295.
  16. Kucuk I., Sadek I., Yilmaz Y. Optimal control of a distributed parameter system with applications to beam vibrations using piezoelectric actuators // J. Franklin Inst., 2014, vol. 351, pp. 656–666.
  17. Mead D.J., Markus S. The forced vibration of a three-layer, damped sandwich beam with arbitrary boundary conditions // J. Sound&Vibr., 1969, vol. 10, no. 2, pp. 163–175.
  18. Sayyad A.S., Ghugal Y.M. Bending, buckling and free vibration of laminated composite and sandwich beams: A critical review of literature // Compos. Struct., 2017, vol. 171, pp. 486–504.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (13KB)
3.

Download (15KB)
4.

Download (122KB)
5.

Download (104KB)
6.

Download (130KB)
7.

Download (71KB)

Copyright (c) 2023 А.А. Гавриков, Г.В. Костин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».