A Ritz-based computational framework for the analysis of piezoelectric structures

The current work represents a collaboration between Politecnico di Milano and Thales Alenia Space. To assess the feasibility of a smart ring adapter for attenuating random mechanical loads during launch, a robust computational framework for the analysis of piezoelectric struc tures is required. In the context of a preliminary design phase, the framework must enable rapid analysis to determine optimal actuator placement and tailor control strategies. In this work, an efficient Ritz-based formulation is developed to model piezoelectric structures. The proposed formulation employs FSDT to model the structural kinematics and assumes a linear electric potential through the thickness of the piezoelectric actuators and sensors. The governing equations are derived using Hamilton’s principle, and the frame work is validated through static, free vibration, and dynamic analyses of piezoelectric structures subjected to various boundary conditions and loading. Simulation results show excellent agreement with established benchmarks, confirming the reliability and efficiency of the proposed formulation.

Il presente lavoro nasce dalla collaborazione tra il Politecnico di Milano e Thales Alenia Space. Per valutare la fattibilità dell’utilizzo di uno smart ring piezoelettrico finalizzato all’attenuazione dei carichi meccanici random durante il lancio, è stato sviluppato un ro busto framework computazionale per l’analisi delle strutture piezoelettriche. Nell’ambito di una fase preliminare di progettazione, questo framework permette un’analisi rapida, indispensabile per determinare la disposizione ottimale degli attuatori e per definire le leggi di controllo. In questo studio viene proposta una formulazione efficiente basata sul metodo di Ritz per la modellazione delle strutture piezoelettriche, tale impiega la FSDT per rappresentare la cinematica strutturale e assume un potenziale elettrico lineare at traverso lo spessore degli attuatori e dei sensori. Le equazioni di governo sono derivate utilizzando il principio di Hamilton e il framework è validato attraverso analisi statiche, di vibrazione libera e dinamiche su strutture piezoelettriche soggette a diverse situazioni di carico e varie condizioni al contorno . I risultati delle simulazioni evidenziano un ec cellente accordo con benchmark consolidati, confermando l’affidabilità e l’efficienza della formulazione proposta.