[論文レビュー] Experimental and Numerical Study of the Transient Response of a Cantilever Beam with a Piezoelectric Disc Sensor

Radek Kolman, Robert Cimrman+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2026

Aeroelasticity and Vibration Control被引用数 0

ひとこと要約

要約: 論文は実験測定と有限要素モデリングを組み合わせ、接着された圓柱形ピエゾ電 disc センサーを備えた片持ち梁の過渡応答を研究し、パラメータ同定フレームワークを用いて減衰と電気パラメータを特定する。

ABSTRACT

Online and real-time sensing and monitoring of the health state of complex structures, such as aircraft and critical components of power stations, are essential aspects of research in dynamics. Several types of sensors are used to capture dynamic responses and monitor changes during the operation of critical parts of complex systems. Piezoelectric (PZ) materials belong to a class of electroactive materials that convert mechanical deformation into an electrical response. For example, PZ ceramics or PVDF foils are employed for online sensing of the time history of mechanical deformation. This paper focuses on the dynamical response of a cantilever beam structure equipped with a glued PZ sensor and combines experimental and modelling approaches to achieve accurate and reliable results. The time history of the normal velocity at a point on the beam surface was recorded with a laser vibrometer during transient vibrations of the beam, triggered by the sudden removal of a mass load at the beam's free end. Simultaneously, the output voltage of the PZ sensor was measured with an electronic device. An elastodynamic model of a cantilever beam coupled with a piezoelectric sensor is introduced, along with its discretization using the finite element method. The mathematical model includes additional terms that enforce a floating-potential boundary condition to maintain a constant charge on one of the sensor's electrodes and is presented in an extended form suitable for sensitivity analysis or parameter identification. The model implementation is validated using a numerical example corresponding to the experimental setup. The computed results show good agreement with the experimental data. Furthermore, values of the Rayleigh damping parameters were identified based on the experimental measurements.

研究の動機と目的

• 複雑な構造物のオンラインセンサリングと健全性モニタリングを圧電センサで促進する。
• 付着PZセンサを有する片持ち梁の耦合エラストダイナミクス-ピエソ電モデルを開発する。
• 実験と照合してモデルを検証し、同定によってパラメータを洗練する。
• センサ取り付け（接着層）による動的応答への影響を探る。

提案手法

• レーザー等速測定器と圧電センサを用いた過渡振動中の梁応答を実験的に測定。
• 機械場と電気場の結合を含むピエゾエラストダイナミクスモデルを定式化し、浮動電位境界条件を課す。
• モデルを有限要素で離散化し、ニュート enseñanza・ケ、Nitsche型 Enforcemnt および外部回路モデルを含む拡張弱形式で解く。
• SfePyで数値スキームを実装し、一致性のためCOMSOL結果と比較して検証。
• 測定された速度データと電圧データから減衰と回路パラメータを推定する最小二乗法のパラメータ同定フレームワークを提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたピエゾエラストダイナミックモデルは梁の実験的に観察された過渡応答を再現できるか。
• RQ2 減衰（質量-および剛性比例）と外部回路パラメータを実験データから信頼性高く同定できるか。
• RQ3 梁とピエゾ電 disc 間の接着層の存在は第一固有周波数と電気応答にどのような影響を与えるか。
• RQ4 数値結果はモーダルおよび過渡解析において独立したシミュレーション（例：COMSOL）とどれほど良く一致するか。

主な発見

• 実験からの第一固有周波数は147.59 Hz、解析推定値は143.62 Hz、接着なしの初期FE予測は145.44–150.74 Hzでモデルにより変動。
• 梁と圧電 disc の間に薄い接着層を導入すると主周波数が低下し、実験値に近づく。
• SfePy のモデル結果は、対応するメッシュを用いた場合、モーダル解析でCOMSOLと良好な一致を示す。
• 速度と電圧の測定値から減衰係数と外部回路パラメータを推定できるパラメータ同定手法が機能する。
• オシロスコープを抵抗としてモデリングし接着層を含めるなど、モデルの改良はシミュレーションと測定された電気応答の一致を改善する。