СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ГИДРОУПРУГАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТИНЫ С ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОМ, ПОДКЛЮЧЁННЫМ К ВНЕШНЕЙ RL-ЦЕПИ

Сведения об авторах
  • Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
  • Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
  • Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия

Аннотация

Исследована возможность пассивного демпфирования гармонических колебаний и управления границей устойчивости пластины, взаимодействующей с текущей жидкостью. Механизм основан на шунтировании закреплённого на поверхности конструкции пьезоэлемента внешней электрической цепью. Подбор параметров такой цепи, обеспечивающих наибольшую скорость затухания колебаний или максимальное изменение критической скорости потока жидкости, осуществлён путём решения серии задач на собственные значения. Приведено две математических постановки. Первая из них основана на трёхмерных уравнениях линейной теории пьезоупругости, а вторая представляет упрощение данных уравнений с целью их совместного применения с теорией тонких пластин. Динамика идеальной жидкости в обоих случаях описана волновым уравнением, сформулированным относительно потенциала возмущения скорости. Совместно с условием непроницаемости, а также граничными условиями оно преобразовано к слабой форме. Гидродинамическое давление вычислено по линеаризованной формуле Бернулли. Выполнена верификация разработанных конечно-элементных алгоритмов и проведено сравнение их вычислительной эффективности. Проанализировано изменение комплексных собственных значений электромеханической системы в зависимости от сопротивления и индуктивности последовательной электрической цепи, подключённой к пьезоэлементу. Из решения задачи оптимизации подобраны такие их величины, которые обеспечивают наилучшее демпфирование резонансных колебаний прямоугольной пластины, взаимодействующей с текущей жидкостью. Проведённые численные исследования показали, что использование данных значений приводит к меньшему изменению спектра частот исходной системы и обеспечивает более высокую скорость затухания колебаний, чем известные аналитические выражения. Рассмотрены два варианта граничных условий, задаваемых на краях конструкции. Продемонстрировано, что с помощью пассивной электрической цепи нельзя повлиять на потерю устойчивости в виде дивергенции, но можно изменить критическую скорость флаттера в пределах нескольких процентов.

Ключевые слова

гидроупругостьэлектроупругостьпластинапьезоэлементвнешняя электрическая цепьпотенциальная сжимаемая жидкостьсобственные колебанияустойчивостьдемпфирование колебанийметод конечных элементов.

Литература

  1. 1.Fleming A.J., Moheimani S.O.R. Piezoelectric transducers for vibration control and damping, 1st ed. – London: Springer, 2006. – XVI+271 p. Scholar
  2. 2.A review of PZT patches applications in submerged systems / A. Presas [et al.] // Sensors. – 2018. – Vol. 18, no. 7. – 2251. DOI: 10.3390/s18072251 Scholar
  3. 3.Fuller R.C., Elliott J.S., Nelson A.P. Active control of vibration, 1st ed. – London: Academic Press, 1996. – 332 p. Scholar
  4. 4.Shivashankar P., Gopalakrishnan S. Review on the use of piezoelectric materials for active vibration, noise, and flow control // Smart Mater. Struct. – 2020. – Vol. 29. – P. 053001. DOI: 10.1088/1361-665X/ab7541 Scholar
  5. 5.Дайнеко А.В., Никифоров В.Г. Обзор состояния и перспектив развития и применения отечественных многослойных пьезоактюаторов для ракетно-космической техники и наземной космической инфраструктуры // Нано- и микросистемная техника. – 2022. – Т. 24, № 6. – С. 307–322. DOI: 10.17587/nmst.24.307-322 Scholar
  6. 6.Li S., Zhao D. Numerical simulation of active control of structural vibration and acoustic radiation of a fluid- loaded laminated plate // J. Sound Vib. - 2004. - Vol. 272, no. 1-2. - P. 109- 124. DOI: 10.1016/S0022- 460X(03)00321- 3 Scholar
  7. 7.Carra S., Amabili M., Ohayon R. Broadband active vibration control of a rectangular flexible wall of an empty and a waterfilled tank // J. Intell. Mater. Syst. Struct. - 2007. - Vol. 18, no. 7. - P. 637- 651. DOI: 10.1177/1045389X06068064 Scholar
  8. 8.Li S. Active modal control simulation of vibro- acoustic response of a fluid- loaded plate // J. Sound Vib. - 2011. - Vol. 330, no. 23. - P. 5545- 5557. DOI: 10.1016/j.jsv.2011.07.001 Scholar
  9. 9.Kwak M.K., Yang D.- H. Dynamic modelling and active vibration control of a submerged rectangular plate equipped with piezoelectric sensors and actuators // J. Fluids Struct. - 2015. - Vol. 54. - P. 848- 867. DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2015.02.001 Scholar
  10. 10.Kwak M.K., Yang D.- H. Active vibration control of a ring- stiffened cylindrical shell in contact with unbounded external fluid and subjected to harmonic disturbance by piezoelectric sensor and actuator // J. Sound Vib. - 2013. - Vol. 332, no. 20. - P. 4775- 4797. DOI: 10.1016/j.jsv.2013.04.014 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 3, 2023)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
03.07.2023
В выпуске
03.07.2023
Выпуск
№ 3 (2023)
Поделиться