Vibration attenuation in helicopter blades using semi-passive piezoelectric circuit

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.The use of smart materials in vibration control problems has been investigated in several researches over the last years. Although dierent smart materials are available, the piezoelectric one has received great attention due to ease of use as sensors, actuators, or both. The main control techniques using piezoelectric materials are the active and passive ones. Passive piezoelectric networks are adjusted for specic target frequencies and, therefore, the eective bandwidth of such systems is small. Although active systems can achieve good vibration control performance, the amount of external power and added hardware are important issues. The synchronized switch damping (SSD) technique was developed in order to address the issues of passive damping methodologies as well as the issues of active control systems. The SSD can be classied as semi-passive technique or semi-active technique that introduce the nonlinear treatment of the piezoelectric element voltage output and induce an increase in mechanical to electrical energy conversion and, consequently, the shunt damping eect. In this work, the semi-passive piezoelectric control of a rotating cantilever beam response is presented and compared with other controllers. The nonlinear electromechanical model of a rotating beam with embedded piezoceramics is derived based on the variational-asymptotic method (VAM). The coupled non-linear rotary system is solved in the time-domain by using a generalized-alpha integration method in order to guarantee numerical stability. The simulations are performed for a wide range of rotating speeds. First, a set of load resistances (ranging from short circuit condition to open circuit condition) is considered. The eect of optimum load resistance (for maximum damping) on the elastic behavior of the beam is investigated for increasing rotating speed. Later, the synchronized switch damping on short (SSDS) technique is employed to damp the nonlinear oscillations of the rotating beam with increasing rotating speed. Results show that the SSDS technique can be a useful method of control for nonlinear rotating beams such as helicopter blades