Προσομοίωση και βελτιστοποίηση ευφυών κατασκευών

Abstract

The scope of this thesis is to study the piezoelectric shunt circuits for the control of vibration and noise in various applications. Piezoelectric shunt systems consist of an electrical impedance, which in turn consists of a resistor, inductance (coil) or capacitance (capacitor) in any possible combination. Various types of such systems have been proposed in the literature for noise or vibration control for both single and multiple mode systems.The basic application concept of these systems is based on the ability to convert the dynamic energy of deformation of the structure (for example, a smart beam or plate) into electrical energy. Using the properties of the direct piezoelectric effect, this energy is fed into the electrical circuits of the shunt (for example in a resistor) where it can be partially consumed and converted into heat. For this purpose, transducers are used which are made of piezoelectric materials, as such materials exhibit excellent electromechanical coupling properties, as well as good frequency response.A detailed study has been done in the recent literature where several studies have been published on beams and plates coupled with shunt circuits. The tuning and optimization of such systems is carried out either during the design and placement of piezoelectric transducers or by improving and refining the electrical characteristics of the system, namely the values of resistance, inductance and capacitance. There are various applications of shunt systems in the literature, including structural noise control, oscillation control, application to hard disk drives, smart panels, etc.For the analysis and comparison of different techniques, an efficient and accurate finite element model for beam and plate with embedded piezoelectric patches was developed. A general methodology for modelling passive piezoelectric shunt circuits using the state-space method was also developed, with the possibility of extension to any type of structure with embedded or surface piezoelectric patches.Particle swarm optimization (PSO) and genetic (GA) optimization algorithms were applied to the theoretical models developed for the shunt parameters of the passive circuits. The design variables for single-mode control were resistor R and inductor L. While for the optimization of multi-mode circuits, besides resistor R and inductor L, capacitance C is introduced as a new design variable in multi-mode "current flow" circuits. The originality of using the capacitor as a new design variable had a significant contribution to the performance of multi-mode shunt damping.The computational results obtained from the proposed method were compared with published experimental results and with models from commercial simulation software packages.A study of the contribution of the quadratic electromechanical coupling coefficient on the performance of the application of shunted plate control was also carried out, where together with circuit optimization significantly increased the damping performance.The shunt circuits can also be used for energy harvesting in order to capture the small amount of energy necessary to make the system energy autonomous.Finally, in addition to the theoretical models developed, an experimental investigation of shunted piezoelectric circuits was carried out, where resonant circuits are connected through piezoelectric patches in a smart beam to control mechanical vibrations.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο μελέτης τα πιεζοηλεκτρικά κυκλώματα παραδιακλάδωσης για τον έλεγχο των ταλαντώσεων και του θορύβου σε διάφορες εφαρμογές. Τα πιεζοηλεκτρικά συστήματα παραδιακλάδωσης αποτελούνται από μια ηλεκτρική εμπέδηση, η οποία με τη σειρά της αποτελείται από αντίσταση, επαγωγή (πηνίο) ή χωρητικότητα (πυκνωτή) σε κάθε πιθανό συνδυασμό. Διάφοροι τύποι τέτοιων συστημάτων έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία για τον έλεγχο θορύβου ή ταλαντώσεων τόσο για συστήματα μιας, όσο και για περισσότερων ιδιομορφών.Η βασική ιδέα εφαρμογής των συστημάτων αυτών βασίζεται στην ικανότητα μετατροπής της δυναμικής ενέργειας παραμόρφωσης της κατασκευής (για παράδειγμα μιας έξυπνης δοκού ή πλάκας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του ευθέως πιεζοηλεκτρικού φαινομένου η ενέργεια αυτή διοχετεύεται στα ηλεκτρικά κυκλώματα της παραδιακλάδωσης (για παράδειγμα σε μια αντίσταση) όπου μπορεί να καταναλωθεί μερικώς και να μετατραπεί σε θερμότητα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται μορφοτροπείς οι οποίοι κατασκευάζονται από πιεζοηλεκτρικά υλικά, καθώς τέτοια υλικά παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρομηχανικής σύζευξης, όπως επίσης και καλή απόκριση συχνότητας.Έχει γίνει λεπτομερής μελέτη στην πρόσφατη βιβλιογραφία όπου έχουν δημοσιευθεί αρκετές μελέτες για δοκούς και πλάκες που συνδέονται με κυκλώματα παραδιακλάδωσης. Η ρύθμιση και η βελτιστοποίηση τέτοιων συστημάτων πραγματοποιείται είτε κατά τον σχεδιασμό και την τοποθέτηση των πιεζοηλεκτρικών μορφοτροπέων είτε με τη βελτίωση και την τελειοποίηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του συστήματος, δηλαδή των τιμών της αντίστασης, της επαγωγής και της χωρητικότητας. Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές συστημάτων παραδιακλάδωσης στη βιβλιογραφία, μεταξύ άλλων, έλεγχος δομικού θορύβου, έλεγχος ταλαντώσεων, εφαρμογή σε σκληρούς δίσκους, σε έξυπνα πάνελ κλπ.Για την ανάλυση και τη σύγκριση των διάφορων τεχνικών, αναπτύχθηκε ένα αποδοτικό και ακριβές μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για δοκό και πλάκα με ενσωματωμένα πιεζοηλεκτρικά επιθέματα . Επίσης αναπτύχθηκε μια γενική μεθοδολογία μοντελοποίησης παθητικών πιεζοηλεκτρικών κυκλωμάτων παραδιακλάδωσης με τη μέθοδο του χώρου κατάστασης, με δυνατότητα επέκτασης σε οποιασδήποτε μορφής δομής με ενσωματωμένα ή επιφανειακά πιεζοηλεκτρικά επιθέματα.Στα θεωρητικά μοντέλα που αναπτυχθήκαν εφαρμοστήκαν αλγόριθμοι βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων (PSO) και γενετικών (GA) για τις παραμέτρους παραδιακλάδωσης των παθητικών κυκλωμάτων. Οι μεταβλητές σχεδιασμού για τον έλεγχο μιας ιδιομορφής ήταν η αντίσταση R και το πηνίο L. Ενώ για τη βελτιστοποίηση κυκλωμάτων πολλών ιδιόμορφών, εκτός την αντίσταση R και το πηνίο L, εισάγεται ως νέα μεταβλητή σχεδιασμού η χωρητικότητα C σε κυκλώματα πολλών ιδιομορφών «current flow». Η πρωτοτυπία της χρήση του πυκνωτή ως νέα μεταβλητή σχεδιασμού είχε σημαντική συνεισφορά στην απόδοση της απόσβεσης παραδιακλάδωσης πολλών ιδιομορφών.Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την προτεινόμενη μέθοδο, συγκρίθηκαν με αντίστοιχα πειραματικά δημοσιευμένα και με μοντέλα από εμπορικά πακέτα προσομοίωσης.Επίσης πραγματοποιήθηκε μελέτη της συνεισφοράς του τετραγωνικού συντελεστής ηλεκτρομηχανικής σύζευξης στη απόδοση της εφαρμογής παραδιακλαδωμένου ελέγχου σε πλάκα, όπου σε συνδυασμό με την βελτιστοποίηση των κυκλωμάτων αυξήσαν σημαντικά την απόδοση της απόσβεσης.Τα κυκλώματα παραδιακλάδωσης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για μάστευση ενέργειας, προκειμένου να συλλεχθεί η μικρή ποσότητα ενέργειας που είναι απαραίτητη για να καταστεί το σύστημα αυτόνομο ενεργειακά.Τέλος εκτός από τα θεωρητικά μοντέλα που αναπτυχθήκαν, έγινε και πειραματική διερεύνηση των παραδιακλαδωμένων πιεζοηλεκτρικών κυκλωμάτων, όπου κυκλώματα συντονισμού συνδέονται μέσω πιεζοηλεκτρικών επιθεμάτων σε μια έξυπνη δοκό για τον έλεγχο των μηχανικών ταλαντώσεων.