Modeling of smart composite shell structures

Recently, thin piezoelectric foils or fibers with a thickness between ... and ... have been manufactured and used sensor/actuator components of smart composite structures. The paper deals with the mathematical analysis and numerical simulation of such smart composite structures. A concept for laminated thin finite shell elements with active and passive layers considering three different approaches is introducted. In a test case the applicability of these different approaches is investigated and discussed. To verify the suitability of the algorithm for analyzing composite structures a practical example of a composite consisting of piezoelectric fibres embedded in a matrix material is considered. At first, the introduced composite shell elements are used, where the piezoelectric fibers are modeled as active layers in a smeared form. At second, a discrete concept is used, where the piezoelectric fibers are modeled as one-dimensional truss-like finite elements which are embedded into conventional finite elements by the penalty technique. These two approaches are discussed and compared.

Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie konstrukcji "inteligentnych" zwracają uwagę na zastosowanie cienkich folii i włókien piezoelektrycznych o grubości ... jako czujników i elementów wykonawczych w aktywnych kompozytach. W pracy zawarto matematyczną analizę i wyniki symulacji numerycznych dla takich właśnie kompozytów. Wprowadzono koncepcję powłokowych laminowanych elementów skończonych z warstwami aktywnymi i pasywnymi oraz zaproponowano trzy różne podejścia, których możliwość zastosowania i przydatność przedyskutowano dla badanego przypadku. Przy weryfikacji adekwatności zaprezentowanego algorytmu do analizy aktywnych układów kompozytowych posłużono się przktycznym przykładem laminatu zawierającego włókna piezoelektryczne osadzone w materiale osnowy. Początkowo użyto wprowadzone powłokowe elementy skończone. gdzie włókna piezoelektryczne zamodelowano jako aktywne warstwy w formie rozmytej. Następnie zastosowano koncepcję układu dyskretnego, w którym włókna piezoelektryczne przedstawiono w formie jednowymiarowych kratowo-podobnych elementów skończonych wbudowanych w konwencjonalne elementy skończone przy użyciu techniki funkcji kary. Te dwie metody przedyskutowano i porównano.