نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکاترونیک، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین

2 استادیار، مهندسی مکانیک، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران

چکیده

در این مقاله، ارتعاشات اجباری یک ورق چند لایه کامپوزیتی یکسرگیردار مسلح با عملگرهای سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار، به روش کلاسیک و فازی و بصورت مدار بسته کنترل می‌شود. به این منظور، ابتدا معادلات حاکم بر ارتعاشات ورق کامپوزیتی چند لایه که شامل سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار است، با استفاده از تئوری کلاسیک ورق‌ها و اصل همیلتون استخراج می‌شود. همچنین رفتار حرارتی - مکانیکی سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار با استفاده از فرمول لیانگ مدل‌سازی می‌گردد. سپس حل نیمه تحلیلی مساله با توجه به شرایط مرزی آن و به روش ریلی- ریتز ارائه و فرکانس‌های طبیعی ورق محاسبه و با نتایج تجربی مقایسه می‌گردد. نتایج حاصله حاکی از دقت مدل‌سازی و تطابق خوب آن با نمونه واقعی دارد. سپس جهت کنترل دامنه ارتعاشات ورق تحت بار اجباری نوسانی، از سیستم مدار بسته با عملگرهای سیم آلیاژ حافظه‌دار که بر روی ورق متصل شده‌اند، استفاده می‌گردد. از سه روش کنترلی کلاسیک، فازی و ترکیبی جهت کاهش دامنه جابه‌جایی ورق استفاده می‌شود. در نهایت با استفاده از الگوریتم ژنتیک، به بهینه سازی ضرایب بهره کنترل کننده کلاسیک و قواعد و پارامترهای کنترل کننده فازی جهت هدف کاهش دامنه ارتعاشات سازه پرداخته می‌شود. نتایج حاصله نشان می‌دهد که کلیه کنترل کننده-های طراحی شده دامنه جابه‌جایی پایدار ورق را به طور چشمگیری کاهش می‌دهند و در این بین کنترل کننده ترکیبی فازی-کلاسیک بهترین عملکرد را داراست.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling and intelligent control of vibration of cantilever composite plate embedded with shape memory alloy wires

نویسندگان [English]

  • Shima sadat Mojabi 1
  • Mohammad Mahdi Kheirikhah 2

1 Department of Mechatronic Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran

2 Faculty of Industrial and Mechanical Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran

چکیده [English]

The purpose of this study is controlling the forced vibration of a layered composite cantilever plate embedded with shape memory alloys wires using classical and fuzzy controllers. The governing equations of motion of the composite plate including shape memory alloy wires are calculated using the classical laminated plate theory and the Hamilton principle. The Liang formula is also used to model the thermo-mechanical behavior of the shape memory alloys wire actuators. Then, the free vibration solution for the layered composite plate is calculated using semi-analytical Rayleigh-Ritz method and then is compared with experimental method. Comparison between the obtained natural frequencies of the composite plate and those of published experimental results confirms the accuracy of the purposed modeling and solution. Finally, three controlling system are designed to reduce the amplitude of vibrational displacement of the structure against forced vibrational excitations including PID controller, Fuzzy controller and PID-Fuzzy controller. Finally, the genetic algorithm is used to optimize the gain coefficients of the classic controller and the rules and parameters of the fuzzy controller to reduce the vibrational displacement amplitude of the plate. The obtained results show that the all designed controllers can reduce the steady-state vibrational displacement amplitude of the plate significantly, but the PID-Fuzzy controller has the best performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shape memory alloy
  • Composite plate
  • Vibration
  • Fuzzy Controller
  • Genatic Algorithm

1-         

[1]  Machado, L.G. and Savi, M.A., “Medical applications of shape memory alloys”Brazilian Journal of Medical and Biological Research, Vol. 36, No. 6, pp. 683-691,2003.

[2]  Song, G. Kelly, B. Agrawa, B.N. Lam, P.C. and Srivatsan, T.S., “Application of Shape Memory Alloy Wire Actuator for Precision Position Control of a Composite Beam” Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 9, No. 3, pp. 330-333, 2000.

[3]  Chandra, R., “Active Shape Control of Composite Blades Using Shape Memory Actuation” Smart Materials and Structures, Vol. 10, No. 5, pp. 1018-1024, 2001.

[4]  Da Silva, E.P., “Beam Shape Feedback Control by Means of a Shape Memory Actuator” Materials and Design, Vol. 28, No. 5, pp. 1592-1596, 2007.

[5]  John, S. and Hariri, M., “ Effect of Shape Memory Alloy Actuation on the Dynamic Response of Polymeric Composite Plates”Composites: Part A, Vol. 39, pp. 769-776, 2008.

[6]  Sohn, J.W. Han,  Y.M. Choi, S.B. Lee, Y.S. and Han, M.S., “ Vibration and Position Tracking Control of a Flexible Beam Using SMA Wire Actuators” Journal of Vibration and Control, Vol. 15, No. 2, pp. 263-281, 2009.

[7]  Kuang, K.S.C.  Quek , S.T. and Cantwell, W.J., “ Active Control of a Smart Composite with Shape Memory Alloy Sheet Using a Plastic Optical Fiber Sensor”Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 201, pp. 182-187, 2013.

[8]  Bodaghi, M. Damanpack, A.R. Aghdam, M.M. and Shakeri, M., “Active Shape/Stress Control of Shape Memory Alloy Laminated Beams” Composites: part B, Vol. 56, pp. 889-899, 2014.

[9]  kheirikhah, M.M. Aghabarati, H. and Khosravi, P., “Natural Vibration Analysis of  Sandwich Plates with Embedded SMA Wires” 2nd International Conference on Innovations in Engineering and Technology (ICCET), pp. 19-20, 2014.

[10] K Khorshidi, E Rezaei, AA Ghadimi, M Pagoli, “Active vibration control of circular plates coupled with piezoelectric layers excited by plane sound wave”, Applied Mathematical Modelling, Vol. 39 (3), pp. 1217-1228, 2015.

[11] K Khorshidi, M Balali, AA Ghadimi, “Control Forced Vibrations Of Laminated Composite Rectangular Plate Resting On Linear Line Support”, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15 (9), pp. 95-104, 2015. (in Persianفارسی )

[12] Reddy J.N, “Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells: Theory and Analysis” Boca Raton: CRC Press, 2003.

[13] Hariri, M. and Veeramachaneni, B., “Vibration Control of Polymeric Composite Plates Using Shape Memory Alloys”  In Smart Structures and Materials 2006: Smart Sensor Monitoring Systems and Application, San Diego, USA, Vol.6167, No. 10, pp. 269-280, 2006.

[14] Whitney, JM., “Structural Analysis of Laminated Anisotropic Plates” Lancaster, PA: Technomic, 1987.

[15] John, S. and Hariri, M., “Effect of Shape Memory Alloy Actuation on the Dynamic Response of Polymeric Composite Plates” Composites: Part A, Vol. 39, No. 5, pp. 769-776, 2008.

[16] Reddy, J.N., “Theory and Analysis of Elastic Plates” Philadelphia, PA: Taylor & Francis, 1999.

[17] Elahania, M. and Ashrafoun, H., “Nonlinear Control of Shape Memory Alloy Actuated Manipulator” ASME, Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 124, No. 4, pp. 566-575, 2002.

[18] Mantovani, D., “Shape Memory Alloys: Properties and Biomedical Applications”  Journal of the Minerals. Metals and Materials Society, Vol. 52, No. 10, pp. 36-44, 2000.

[19] Bundhoo, V., “ Design and Evaluation of a Shape Memory Alloy-Based Driven Actuation System for Biomimetic Artificial Fingers” BEng, University of Mauritius, 2009.

[20] Sreekumar, M. Singaperumal, M. Nagarajan, T. Zoppi, M. and Molfino, R., “Recent Advances in Nonlinear Control Technologies for Shape Memory Alloy Actuators”  Journal of Zhejiang University Science, Vol. 8, No. 5, pp. 818-829, 2007.

[21] Montazeri, M. and Mohamadi, E., “Application of Genetic Algorithm in Design and Optimization of Fuzzy-PD Controller Parameters” Aerospace Knowledge & Technology Journal, 2013. (in Persianفارسی )

[22] Rabiee, S., “Modeling and Intelligent Control of the Snake Robot with SMA Actuators” MSc Thesis, Qazvin Islamic Azad University, Qazvin, 2011. (in Persianفارسی )