Чисельне моделювання термоелектромеханічної поведінки конічних конструкцій з п’єзоелектричними актуаторами при гармонічному навантаженні Частина перша: Постановка задачі про вимушені коливання в’язкопружного п’єзоелектричного актуатора
DOI:
https://doi.org/10.31548/energiya4(86).2026.090Ключові слова:
дисипативний розігрів, НДС конструкції, п’єзоелектричні актуатори, гармонічне навантаження, метод скінченних елементів, термоелектромеханічна поведінка, амплітудно-частотні характеристикиАнотація
У роботі представлено результати чисельного моделювання термоелектромеханічної поведінки конструкцій з п’єзоелектричними актуаторами при гармонічному механічному та електричному навантаженні. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю комплексного аналізу напружено-деформованого та температурного стану елементів конструкцій з п’єзоактивними шарами в умовах інтенсивного гармонічного навантаження. Метою роботи є дослідження особливостей застосування чисельного моделювання та методу скінченних елементів для визначення параметрів напружено-деформованого стану, амплітудно-частотних характеристик, розподілу електричного потенціалу та температури дисипативного розігріву конічних панелей з п’єзоелектричними шарами. У дослідженні використано скінченно-елементний підхід з використанням обчислювального скінченно-елементного комплексу COMSOL Multiphysics для розв’язання задач про вимушені електромеханічні коливання та дисипативний розігрів з урахуванням зв’язаності механічних, електричних та теплових полів. Проведено аналіз впливу механічних граничних умов, режимів навантаження та геометричних параметрів на амплітудно-частотні характеристики, переміщень, електричного потенціалу й температурного поля конструкцій. Отримані результати підтверджують ефективність сучасних чисельних методів для комплексного дослідження зв’язаної термоелектромеханічної поведінки конструкцій з п’єзоелектричними актуаторами та визначення критичних режимів їх функціонування.
Отримано: 27.06.2026. Доопрацьовано: 15.08.2026. Прийнято: 20.08.2026
Посилання
1. Tzou, H. S. (1993). Piezoelectric shells: Distributed sensing and control of continua. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.
2. Gabbert, U., & Tzou, H. S. (2001). Smart structures and structronic systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.
3. Karnaukhov, V. G., Kyrychok, I. F., & Kozlov, V. I. (2001). Electromechanical vibrations and dissipative heating of viscoelastic thin-walled piezoelements (Review). International Applied Mechanics, 37(2), 182–212.
4. Karnaukhov, V. G., Kyrychok, I. F., & Kozlov, V. I. (2017). Thermomechanics of inelastic thin-wall structural members with piezoelectric sensors and actuators under harmonic loading (Review). International Applied Mechanics, 53(1), 6–58. Retrieved from https://ouci.dntb.gov.ua/en/works/9GEjB804/
5. Kyrychok, I. F., & Cherniuchok, O. A. (2021). Influence of boundary conditions and dissipative heating on forced vibrations and durability of compliant to shear inelastic cylindrical shells with actuators. International Applied Mechanics, 57(4), 59–67.
6. Kyrychok, I. F., & Cherniuchok, O. A. (2022). Thermomechanical behavior and durability of flexible to shear nonelastic shells of revolution with the piezoelectric linings under axisymmetric resonance oscillations. International Applied Mechanics, 58(2), 70–80.
7. Sabat, R. G., Mukherjee, B., Ren, W., & Yang, G. (2007). Temperature dependence of the complete material coefficients matrix of soft and hard doped piezoelectric lead zirconate titanate ceramics. Journal of Applied Physics, 101, 064111–064117. https://doi.org/10.1063/1.2713709
8. Li, F. M., Song, Z. G., & Chen, Z. B. (2012). Active vibration control of conical shells using piezoelectric materials. Journal of Vibration and Control, 18(14), 2234–2256. https://doi.org/10.1177/1077546311435347
9. Sun, L., Li, W., Wu, Y., & Lan, Q. (2017). Active vibration control of a conical shell using piezoelectric ceramics. Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, 36(4), 366–375. https://doi.org/10.1177/1461348417744304
10. Jamshidi, R., & Jafari, A. A. (2021). Conical shell vibration control with distributed piezoelectric sensor and actuator layer. Composite Structures, 256, Article 113107. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113107
11. Moghaddam, S. M. F., & Ahmadi, H. (2020). Active vibration control of truncated conical shell under harmonic excitation using piezoelectric actuator. Thin-Walled Structures, 151, Article 106642. https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.106642
12. Kozlov, V., Lelyukh, Yu., & Zinchuk, L. (2023). Forced resonance vibrations and dissipative heating of a layered conical panel made of viscoelastic piezoelectric materials. In Modern Problems of Mechanics and Mathematics – 2023 (pp. 101–102). Lviv. Retrieved from http://iapmm.lviv.ua/mpmm2023/materials/me01_43.pdf
13. Kozlov, V. I., Lelyukh, Yu. I., & Zinchuk, L. P. (2023). Thermoelectromechanical behavior of a spatial viscoelastic conical panel with piezoelectric inclusions under harmonic oscillations. In Mathematical Problems of Technical Mechanics: Proceedings of the International Scientific Conference (Kyiv–Dnipro–Kamianske, April 18–20, 2023) (Part 1, pp. 34–35). Kyiv.
14. COMSOL AB. (2025). Structural mechanics module user’s guide (Version 6.0). Retrieved from https://doc.comsol.com/6.4/docserver/#!/com.comsol.help.comsol/helpdesk/helpdesk.html
15. Karnaukhov, V. G., Kozlov, V. I., Zavgorodnii, A. V., et al. (2015). Forced resonant vibrations and self-heating of solids of revolution made of a viscoelastic piezoelectric material. International Applied Mechanics, 51(6), 614–622. Retrieved from https://link.springer.com/article/10.1007/s10778-015-0718-2
16. Green, A. E., & Zerna, W. (2012). Theoretical elasticity. Mineola, New York: Dover Publications.
17. Bathe, K. J. (2016). Finite element procedures (2nd ed.). Watertown, MA: Klaus-Jurgen Bathe.
18. Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., & Zhu, J. Z . (2013). The finite element method: Its basis and fundamentals (7th ed.). Oxford: Elsevier.
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Енергетика і автоматика
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Усі матеріали поширюються на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International Public License, що дозволяє іншим розповсюджувати рукопис із визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
