<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xml:lang="en" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">Sensors</journal-id>
<journal-title>Sensors</journal-title>
<issn pub-type="epub">1424-8220</issn>
<publisher>
<publisher-name>Molecular Diversity Preservation International (MDPI)</publisher-name></publisher></journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3390/s100100719</article-id>
<article-id pub-id-type="publisher-id">sensors-10-00719</article-id>
<article-categories>
<subj-group>
<subject>Article</subject></subj-group></article-categories>
<title-group>
<article-title>Deflection of Cross-Ply Composite Laminates Induced by Piezoelectric Actuators</article-title></title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Her</surname><given-names>Shiuh-Chuan</given-names></name><xref ref-type="corresp" rid="c1-sensors-10-00719"><sup>*</sup></xref></contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Lin</surname><given-names>Chi-Sheng</given-names></name></contrib>
<aff id="af1-sensors-10-00719">Department of Mechanical Engineering, Yuan-Ze University, Chung-Li, Taiwan; E-Mail: <email>s917224@mail.yzu.edu.tw</email></aff></contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="c1-sensors-10-00719">
<label>*</label>Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: <email>mesch@saturn.yzu.edu.tw</email>; Tel.: +1-886-3-4638800; Fax: +1-886-3-4558013.</corresp></author-notes>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2010</year></pub-date>
<pub-date pub-type="epub">
<day>20</day>
<month>1</month>
<year>2010</year></pub-date>
<volume>10</volume>
<issue>1</issue>
<fpage>719</fpage>
<lpage>733</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>7</day>
<month>12</month>
<year>2009</year></date>
<date date-type="rev-recd">
<day>4</day>
<month>1</month>
<year>2010</year></date>
<date date-type="accepted">
<day>18</day>
<month>1</month>
<year>2010</year></date></history>
<permissions>
<copyright-statement>©2010 by the authors; licensee Molecular Diversity Preservation International, Basel, Switzerland.</copyright-statement>
<copyright-year>2010</copyright-year>
<license>
<p>This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)</p></license></permissions>
<abstract>
<p>The coupling effects between the mechanical and electric properties of piezoelectric materials have drawn significant attention for their potential applications as sensors and actuators. In this investigation, two piezoelectric actuators are symmetrically surface bonded on a cross-ply composite laminate. Electric voltages with the same amplitude and opposite sign are applied to the two symmetric piezoelectric actuators, resulting in the bending effect on the laminated plate. The bending moment is derived by using the classical laminate theory and piezoelectricity. The analytical solution of the flexural displacement of the simply supported composite plate subjected to the bending moment is solved by using the plate theory. The analytical solution is compared with the finite element solution to show the validation of present approach. The effects of the size and location of the piezoelectric actuators on the response of the composite laminate are presented through a parametric study. A simple model incorporating the classical laminate theory and plate theory is presented to predict the deformed shape of the simply supported laminate plate.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>piezoelectric actuator</kwd>
<kwd>bending moment</kwd>
<kwd>plate theory</kwd>
<kwd>flexural displacement</kwd></kwd-group></article-meta></front>
<body>
<sec sec-type="intro">
<label>1.</label>
<title>Introduction</title>
<p>Piezoelectric materials with the advantages of quick response, low power consumption and high linearity have drawn much attention in the past decade. Piezoelectric devices are of great interest in structural engineering with applications to shape control, vibration suppression and noise reduction [<xref ref-type="bibr" rid="b1-sensors-10-00719">1</xref>]. Smart structures integrated with sensors and actuators have the capability to respond to a changing environment and control the structural movement. Piezoceramics are the most common material used in smart structures and can be surface bonded to existing structures to form an online monitoring system, or embedded in composite structures without significantly changing the structural stiffness system. Bailey and Hubbard [<xref ref-type="bibr" rid="b2-sensors-10-00719">2</xref>] developed first adaptive structure using polyvinylidene fluoride (PVDF) film as actuators to control the structural vibration of a cantilever beam. Crawley and de Luis [<xref ref-type="bibr" rid="b3-sensors-10-00719">3</xref>] studied a beam with surface bonded and embedded piezoelectric actuators to investigate the load transfer between the actuator and host beam. Huang and Sun [<xref ref-type="bibr" rid="b4-sensors-10-00719">4</xref>] studied the load transfer and wave propagation of an anisotropic elastic medium induced by the surface bonded piezoelectric actuator. Dimitriadis <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="b5-sensors-10-00719">5</xref>] used two dimensional patches of piezoelectric material bonded to the surface of a simply supported plate as vibration actuators to excite the selected modes. Shape control is one of the major applications for piezoelectric materials. Koconis <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="b6-sensors-10-00719">6</xref>] controlled the shape of composite plates and shells with piezoelectric actuators. Luo and Tong [<xref ref-type="bibr" rid="b7-sensors-10-00719">7</xref>] developed a finite element model to simulate twisting and bending shape control using the orthotropic piezoelectric actuators. Lin and Nien [<xref ref-type="bibr" rid="b8-sensors-10-00719">8</xref>] used piezoelectric actuators to control the deflection and shape of the composite laminates. Other works related to the shape control of composites with piezoelectric actuators were presented by Bulter <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="b9-sensors-10-00719">9</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="b10-sensors-10-00719">10</xref>]. The finite element method, a widely accepted and powerful tool for analyzing complex structures, is capable of dealing with the piezoelectric smart structures. Numerous studies have been completed on analyzing piezoelectric structures to account for the piezoelectric effect [<xref ref-type="bibr" rid="b11-sensors-10-00719">11</xref>–<xref ref-type="bibr" rid="b13-sensors-10-00719">13</xref>]. Actuators used in active control of smart structures have to be located appropriately to ensure maximum control and measurement effectiveness. The methods for optimal placement of sensors and actuators were investigated by many researchers [<xref ref-type="bibr" rid="b14-sensors-10-00719">14</xref>–<xref ref-type="bibr" rid="b16-sensors-10-00719">16</xref>].</p>
<p>The present work investigated the load transfer between surface bonded piezoelectric actuators and the host structure. The proposed method is an extension of the one dimensional beam embedded with PZT derived by Crawley and de Luis [<xref ref-type="bibr" rid="b3-sensors-10-00719">3</xref>] and two dimensional plate surface bonded with PZT derived by Dimitriadis <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="b5-sensors-10-00719">5</xref>]. The model consists of two piezoelectric actuators symmetrically surface bonded on a cross-ply composite laminate subjected to electrical voltage. An analytical expression of the bending moment induced by the piezoelectric actuators was derived by incorporating the composite laminate theory and piezoelectric effect. The bending moment was then applied to the composite laminate with simply supported boundary conditions. A closed form solution to the deflection of the simply supported composite laminate was obtained by using the plate theory. The analytical solution was validated with the finite element results. Finite element method has been widely used in structural analysis. It is reasonable to verify present approach with finite element method. The effects of the size and location of the piezoelectric actuators on the response of the composite laminate are presented through a parametric study. The objective of this investigation is to develop an analytical expression of the response of a thin plate excited by the bonded piezoelectric actuators. A simple model incorporating the classical laminate theory and plate theory is proposed to predict the deformation of the composite laminate plate. The feasibility of controlling the deflected shape of the plate is illustrated by placing the actuators at various locations.</p></sec>
<sec>
<label>2.</label>
<title>Bending Moment</title>
<p>Consider two piezoelectric actuators symmetrically surface bonded on a cross-ply composite laminate. The polarized direction is along the z-axis. For an unconstrained thin piezoelectric actuator, equal strains in both <italic>x</italic> and <italic>y</italic> directions will be induced when activated by a voltage along the poling direction. The magnitude of the strain can be expressed in terms of the piezoelectric constant <italic>d</italic><sub>31</sub>, applied voltage <italic>V</italic> and actuator thickness <italic>t<sub>pe</sub></italic>, as follows:
<disp-formula id="FD1">
<label>(1)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>31</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where subscripts <italic>pe</italic> and <italic>p</italic> represent the quantities associated with piezoelectric actuator and host plate, respectively, throughout this paper. When an electrical field is applied in the direction normal to the actuator surface, surface strains are generated <xref ref-type="disp-formula" rid="FD1">Equation (1)</xref>. Due to the coupling of the actuator to the structure, forces and moments are induced in the bonded area of the structure. Since this work focus on the deformation of the plate induced by the bending moment, only constant d31 is considered in this model.</p>
<p>The two actuators are activated by applying a voltage of equal magnitude and opposite sign to the opposing actuators. The opposite directions of the surface tractions at the interfaces between the actuator and plate cause the uniform bending moments along the actuator boundaries as shown in <xref ref-type="fig" rid="f1-sensors-10-00719">Figure 1</xref>.</p>
<p>The symmetry of the actuators with respect to the midplane (<italic>z</italic> = 0) results in no net extension or contraction in the midplane of the plate. In the following derivation, the piezoelectric actuators are assumed to be perfectly bonded to the composite laminate and in the state of plane stress. This implies the strain continuity across the interfaces as shown in <xref ref-type="fig" rid="f2-sensors-10-00719">Figure 2</xref>.</p>
<p>The strains across the thickness of the composite laminate due to the bending moment can be expressed as follows:
<disp-formula id="FD2">
<label>(2)</label>
<mml:math id="mm2" display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi> </mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where Z is the position along the thickness measured from the midplane of the laminate, κ<italic><sub>x</sub></italic>, κ<italic><sub>y</sub></italic> and κ<italic><sub>xy</sub></italic> are the curvatures of the composites laminate.</p>
<p>The bending stresses in the k-th layer of the composite laminate are:
<disp-formula id="FD3">
<label>(3)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cos</mml:mtext></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>E</italic><sub>1</sub> and <italic>E</italic><sub>2</sub> are the Young’s moduli along the fiber direction and normal to the fiber direction, respectively. <italic>G</italic><sub>12</sub> is the shear modulus, <italic>v</italic><sub>12</sub> and <italic>v</italic><sub>21</sub> are the Poisson’s ratios, <italic>θ</italic> is the fiber orientation measured from the global x-axis.</p>
<p>In the case of cross-ply (<italic>θ</italic> = 0° or 90°), <italic>Q̄</italic><sub>16</sub> and <italic>Q̄</italic><sub>26</sub> are equal to zero. The bending stresses in the k-th layer can be reduced to:
<disp-formula id="FD4a">
<label>(4a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD4b">
<label>(4b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD4c">
<label>(4c)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>κ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The bending stresses in the piezoelectric actuator are:
<disp-formula id="FD5a">
<label>(5a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD5b">
<label>(5b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>E<sub>pe</sub></italic> and <italic>v<sub>pe</sub></italic> are the Young’s modulus and Poisson’s ratio of the piezoelectric actuator.</p>
<p>The bending moments per unit length <italic>m<sub>x</sub></italic> and <italic>m<sub>y</sub></italic> are defined as the forces <italic>σ<sub>x</sub>dz</italic> and <italic>σ<sub>y</sub>dz</italic> times the moment arm <italic>z</italic>, respectively. The sum of the bending moments with respect to the neutral axis (<italic>z</italic> = 0) across the thicknesses of the composite laminate and piezoelectric actuators are zero, such that:
<disp-formula id="FD6a">
<label>(6a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD6b">
<label>(6b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">ZdZ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>t</italic> is one half of the composite laminate thickness and <italic>h</italic> is the thickness of the piezoelectric actuator.
<disp-formula id="FD7a">
<label>(7a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>κ</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD7b">
<label>(7b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>Z<sub>k</sub></italic> and <italic>Z</italic><sub><italic>k</italic>−1</sub> represent the positions of the top and bottom surfaces of the k-th layer in the composite laminate, respectively.</p>
<p>The curvatures κ<italic><sub>x</sub></italic> and κ<italic><sub>y</sub></italic> can be solved from <xref ref-type="disp-formula" rid="FD7a">Equation (7)</xref> as:
<disp-formula id="FD8a">
<label>(8a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD8b">
<label>(8b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD8c">
<label>(8c)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>ν</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD8d">
<label>(8d)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>The bending moments per unit length <italic>m<sub>x</sub></italic> and <italic>m<sub>y</sub></italic> acting on the composite laminate as shown in <xref ref-type="fig" rid="f2-sensors-10-00719">Figure 2</xref> can be calculated:
<disp-formula id="FD9a">
<label>(9a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD9b">
<label>(9b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>κ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="FD8a">Equation (8)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="FD9a">Equation (9)</xref>, leads to the bending moments:
<disp-formula id="FD10a">
<label>(10a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD10b">
<label>(10b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></sec>
<sec>
<label>3.</label>
<title>Deflection of a Simply Supported Composite Plate</title>
<p>A rectangular composite laminate plate with simply supported boundary conditions is considered in this work. The location of the surface bonded actuator is shown in <xref ref-type="fig" rid="f3-sensors-10-00719">Figure 3</xref>. The activated piezoelectric actuators will induce bending moments as derived in <xref ref-type="disp-formula" rid="FD10a">Equation (10)</xref> to the composite plate and can be expressed in terms of unit step functions as follows:
<disp-formula id="FD11a">
<label>(11a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD11b">
<label>(11b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using the classical plate theory, the equilibrium equation for the plate can be written in terms of the plate internal moments <italic>M<sub>x</sub></italic>,<italic>M<sub>y</sub></italic>,<italic>M<sub>xy</sub></italic> and the actuators induced moments <italic>m<sub>x</sub>, m<sub>y</sub></italic> as:
<disp-formula id="FD12">
<label>(12)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">xy</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The internal moments <italic>M<sub>x</sub></italic>,<italic>M<sub>y</sub></italic>,<italic>M<sub>xy</sub></italic> can be expressed in terms of the flexural displacement <italic>w</italic>. Moving the moments <italic>m<sub>x</sub>, m<sub>y</sub></italic> to the right hand side of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD12">Equation (12)</xref>, yields to the following equilibrium equation of the composite laminate plate:
<disp-formula id="FD13">
<label>(13)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>66</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where (<italic>D</italic><sub>11</sub>)<italic><sub>p</sub></italic>, (<italic>D</italic><sub>22</sub>)<italic><sub>p</sub></italic>, (<italic>D</italic><sub>66</sub>)<italic><sub>p</sub></italic> are the bending stiffness of the composite laminate as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="FD7a">Equation (7)</xref>.</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="FD11a">Equation (11)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="FD13">Equation (13)</xref>, leads to the governing differential equation:
<disp-formula id="FD14">
<label>(14)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:mrow></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">pe</mml:mi></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For a simply supported rectangular plate, the flexural displacement <italic>w</italic> can be expressed by the following Fourier series:
<disp-formula id="FD15a">
<label>(15a)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>∞</mml:mo></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>∞</mml:mo></mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">mn</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15a)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="FD14">Equation (14)</xref>, solve for the constant <italic>W<sub>mn</sub></italic> as follows [<xref ref-type="bibr" rid="b5-sensors-10-00719">5</xref>]:
<disp-formula id="FD15b">
<label>(15b)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">mn</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">mn</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD15c">
<label>(15c)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">mn</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mtext>sin</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="italic">dxdy</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>*</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD15d">
<label>(15d)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mo>    </mml:mo>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mo>    </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></sec>
<sec sec-type="methods">
<label>4.</label>
<title>Finite Element Analysis</title>
<p>The finite element method is a widely used and powerful tool for analyzing complex structures. It is capable of dealing with the piezoelectrical materials. Many researchers have modelled the piezoelectric actuation using the finite element method. A commercially available finite element software ANSYS has the ability to analyze the piezoelectrical materials. In this study, the finite element software ANSYS is adopted to investigate the deflection of a simply supported plate induced by the surface bonded piezoelectric actuators. To perform the ANSYS finite element analysis for the piezoelectric actuator bonded structure, SOLID 45 elements and SOLID 5 were used in the composite plate and piezoelectric actuators, respectively.</p>
<p>A typical three dimensional finite element mesh is shown in <xref ref-type="fig" rid="f4-sensors-10-00719">Figure 4</xref>. A voltage between the upper and lower surfaces of the SOLID 5 elements is applied, which results in an electric field along the poling direction of the actuator. The deflections obtained from the finite element method are compared with the analytical solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> to validate the present approach.</p></sec>
<sec>
<label>5.</label>
<title>Numerical Validation and Examples</title>
<p>In the following numerical examples, the composite material is carbon/epoxy with stacking sequence [0/90/90/0].The composite material properties of carbon/epoxy are listed in <xref ref-type="table" rid="t1-sensors-10-00719">Table 1</xref>. The dimensions of the composite laminate plate are length <italic>a</italic> = 0.38 m, width <italic>b</italic> = 0.3 m, thickness <italic>t<sub>p</sub></italic> = 1.5876 mm. The piezoelectric actuator is assumed to be PZT G-1195 with the material properties [<xref ref-type="bibr" rid="b17-sensors-10-00719">17</xref>] of Young’s modulus <italic>E<sub>pe</sub></italic> = 63 GPa, Poisson’s ratio <italic>v<sub>pe</sub>=</italic> 0.3, density <italic>ρ<sub>pe</sub></italic> = 7,600 kg/m<sup>2</sup>, piezoelectric constant <italic>d<sub>31</sub></italic> = 1.9 × 10<sup>−10</sup> V/m and thickness <italic>t<sub>pe</sub></italic> = 0.15876 mm. The effects of the size and location of the actuators are presented through a parametric study to investigate the deflection and deformed shape of the composite plate activated by the surface bonded piezoelectric actuators.</p>
<sec>
<label>5.1.</label>
<title>Example 1: Three different sizes of actuators</title>
<p>Two piezoelectric actuators are surface bonded on the top and bottom surfaces of the composite plate. Three different sizes of piezoelectric actuators with the dimensions of 0.06 m × 0.04 m, 0.08 m × 0.06 m and 0.1 m × 0.08 m, respectively, bonded on the central area of the composite plate as shown in <xref ref-type="fig" rid="f5-sensors-10-00719">Figure 5</xref> are considered in this example. The voltages of +1 V and −1 V are applied to the top and bottom actuators, respectively, resulting in a bending moment acting on the composite plate. The deflections of the composite plate induced by the actuators are calculated using both the analytical prediction of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> and finite element method.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="f6-sensors-10-00719">Figure 6</xref> shows the deformed shape of the composite plate predicted by <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> and finite element method. The flexural displacements along the horizontal line <italic>y = b</italic>/2 and the vertical line <italic>x = a</italic>/2 of the composite plate are presented in <xref ref-type="fig" rid="f7-sensors-10-00719">Figure 7</xref>. The deflection is increasing as the size of actuators increases. The deflections of the composite plate predicted by <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> and finite element method are agree well. The maximum deflections in the composite plate induced by the three different sizes of actuators are listed in <xref ref-type="table" rid="t2-sensors-10-00719">Table 2</xref>. It shows that the difference between the present approach and finite element method is within 7 %. Similar difference was observed by Qing <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="b18-sensors-10-00719">18</xref>] as comparing their semi-analytical solutions with ANSYS finite element results. The finite element methods can handle numerically a lot of problems in engineering field and has proved to be a powerful tool for the design and analysis of piezoelectric devices. Owing to the boundaries and geometric complexity of the adaptive structure, it is reasonable to validate the present model with finite element method.</p></sec>
<sec>
<label>5.2.</label>
<title>Example 2: Three different locations of actuators</title>
<p>To study the capability of control the deflection shape of the plate, actuators are placed at various locations. In this example, the piezoelectric actuators are surface bonded at three different locations, central, right and top region of the plate, respectively, as shown in <xref ref-type="fig" rid="f8-sensors-10-00719">Figure 8</xref>. These three typical locations were arbitrarily chosen to demonstrate the influence of the actuator location on the deflection. The deformed shapes of the composite plate induced by the PZT actuators surface bonded at the central, right and top region of the plate are shown in <xref ref-type="fig" rid="f6-sensors-10-00719">Figures 6</xref>, <xref ref-type="fig" rid="f9-sensors-10-00719">9</xref> and <xref ref-type="fig" rid="f10-sensors-10-00719">10</xref>, respectively. The difference of the deflected curves shown in <xref ref-type="fig" rid="f6-sensors-10-00719">Figures 6</xref>, <xref ref-type="fig" rid="f9-sensors-10-00719">9</xref> and <xref ref-type="fig" rid="f10-sensors-10-00719">10</xref> demonstrates that the shape of the plate can be controlled by placing the actuators at various locations. The flexural displacements of the plate along the horizontal line <italic>y = b</italic>/2 and vertical line <italic>x = a</italic>/2 are presented in <xref ref-type="fig" rid="f11-sensors-10-00719">Figure 11</xref>. The deflections of the plate obtained by the present approach of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> and finite element method are in close agreement. <xref ref-type="table" rid="t3-sensors-10-00719">Table 3</xref> lists the maximum deflections of the plate induced by the piezoelectric actuators surface bonding at three different locations. It shows that the difference between the present approach and finite element method is within 8%.</p></sec></sec>
<sec sec-type="conclusions">
<label>6.</label>
<title>Conclusions</title>
<p>Piezoelectric materials are often used as strain actuators and shape control of smart structures, as they are compact and response quickly. In this investigation, two piezoelectric actuators are symmetrically surface bonded on a composite laminate plate. Electric voltages with the same amplitude and opposite sign are applied to the two symmetric piezoelectric actuators, resulting in the bending effect on the plate. Theoretical model of the bending moment is derived by using the theory of elasticity to represent the interaction of the actuator and the host plate. Following the classical plate theory, the deflection of a simply supported plate subjected to the bending moment can be obtained. The analytical solutions are validated with the finite element results. The effects of size and location of actuators on the responses of the plate are presented through the parametric study. Utilization of the laminate theory and plate theory, the deformed shape of the laminate plate can be predicted analytically. The methodology proposed in this paper is easy to employ, and provides an alternate way of solving this complicated problem analytically with accurate results.</p></sec></body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="b1-sensors-10-00719"><label>1.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Saravanos</surname><given-names>D.A.</given-names></name><name><surname>Heyliger</surname><given-names>P.R.</given-names></name></person-group><article-title>Mechanics and computational models for laminated piezoelectric beams, plates and shells</article-title><source>Appl. Mech. Rev</source><year>1999</year><volume>52</volume><fpage>305</fpage><lpage>320</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.3098918</pub-id></citation></ref>
<ref id="b2-sensors-10-00719"><label>2.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bailey</surname><given-names>T.</given-names></name><name><surname>Hubbard</surname><given-names>J.E.</given-names></name></person-group><article-title>Distributed piezoelectric-polymer active vibration control of a cantilever beam</article-title><source>J. Guid. Contr. Dyn</source><year>1985</year><volume>8</volume><fpage>605</fpage><lpage>611</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.2514/3.20029</pub-id></citation></ref>
<ref id="b3-sensors-10-00719"><label>3.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Crawley</surname><given-names>E.</given-names></name><name><surname>de Luis</surname><given-names>J.</given-names></name></person-group><article-title>Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures</article-title><source>AIAA J</source><year>1987</year><volume>25</volume><fpage>1373</fpage><lpage>1385</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.2514/3.9792</pub-id></citation></ref>
<ref id="b4-sensors-10-00719"><label>4.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Huang.</surname><given-names>G.H.</given-names></name><name><surname>Sun</surname><given-names>C.T.</given-names></name></person-group><article-title>The dynamic behaviour of a piezoelectric actuator bonded to an anisotropic elastic medium</article-title><source>Int. J. Solids Struct</source><year>2006</year><volume>43</volume><fpage>1291</fpage><lpage>1307</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2005.03.010</pub-id></citation></ref>
<ref id="b5-sensors-10-00719"><label>5.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dimitriadis</surname><given-names>E.K.</given-names></name><name><surname>Fuller</surname><given-names>C.R.</given-names></name><name><surname>Rogers</surname><given-names>C.A.</given-names></name></person-group><article-title>Piezoelectric actuators for distributed vibration excitation of thin plates</article-title><source>J. Vibr. Acoust</source><year>1991</year><volume>113</volume><fpage>100</fpage><lpage>107</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.2930143</pub-id></citation></ref>
<ref id="b6-sensors-10-00719"><label>6.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Koconis</surname><given-names>D.B.</given-names></name><name><surname>Kollar</surname><given-names>L.P.</given-names></name><name><surname>Springer</surname><given-names>G.S.</given-names></name></person-group><article-title>Shape control of composite plates and shells with embedded actuators I: voltage specified</article-title><source>J. Compos. Mater</source><year>1994</year><volume>28</volume><fpage>415</fpage><lpage>458</lpage></citation></ref>
<ref id="b7-sensors-10-00719"><label>7.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Luo</surname><given-names>Q.</given-names></name><name><surname>Tong</surname><given-names>L.</given-names></name></person-group><article-title>High precision shape control plates using orthotropic piezoelectric actuators</article-title><source>Finite Elem. Anal. Design</source><year>2006</year><volume>42</volume><fpage>1009</fpage><lpage>1020</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.finel.2006.03.002</pub-id></citation></ref>
<ref id="b8-sensors-10-00719"><label>8.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lin</surname><given-names>J.C.</given-names></name><name><surname>Nien</surname><given-names>M.H.</given-names></name></person-group><article-title>Adaptive modeling and shape control of laminated plates using piezoelectric actuators</article-title><source>J. Mater. Process. Technol</source><year>2007</year><volume>189</volume><fpage>231</fpage><lpage>236</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmatprotec.2007.01.027</pub-id></citation></ref>
<ref id="b9-sensors-10-00719"><label>9.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bowen</surname><given-names>C.R.</given-names></name><name><surname>Butler</surname><given-names>R.</given-names></name><name><surname>Jervis</surname><given-names>R.</given-names></name><name><surname>Kim</surname><given-names>A.H.</given-names></name><name><surname>Salo</surname><given-names>A.I.T.</given-names></name></person-group><article-title>Morphing and shape control using unsymmetrical composites</article-title><source>J. Intell. Mat. Syst. Struct</source><year>2007</year><volume>18</volume><fpage>89</fpage><lpage>98</lpage></citation></ref>
<ref id="b10-sensors-10-00719"><label>10.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Giddings</surname><given-names>P.</given-names></name><name><surname>Bowen</surname><given-names>C.R.</given-names></name><name><surname>Butler</surname><given-names>R.</given-names></name><name><surname>Kim</surname><given-names>H.A.</given-names></name></person-group><article-title>Characterisation of actuation properties of piezoelectric bi-stable carbon-fibre laminates</article-title><source>Composites</source><year>2008</year><volume>39</volume><fpage>697</fpage><lpage>703</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesa.2007.07.007</pub-id></citation></ref>
<ref id="b11-sensors-10-00719"><label>11.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Narayanan</surname><given-names>S.</given-names></name><name><surname>Balamurugan</surname><given-names>V.</given-names></name></person-group><article-title>Finite element modelling of piezolaminated smart structures for active vibration control with distributed sensors and actuators</article-title><source>J. Sound Vibr</source><year>2003</year><volume>262</volume><fpage>529</fpage><lpage>562</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-460X(03)00110-X</pub-id></citation></ref>
<ref id="b12-sensors-10-00719"><label>12.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zallo</surname><given-names>A.</given-names></name><name><surname>Gaudenzi</surname><given-names>P.</given-names></name></person-group><article-title>Finite element models for laminated shells with actuation capability</article-title><source>Comp. Struct</source><year>2003</year><volume>81</volume><fpage>1059</fpage><lpage>1069</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7949(03)00002-6</pub-id></citation></ref>
<ref id="b13-sensors-10-00719"><label>13.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Benjeddou</surname><given-names>A.</given-names></name></person-group><article-title>Advances in piezoelectric finite element modeling of adaptive structural elements: a survey</article-title><source>Comput. Struct</source><year>2000</year><volume>76</volume><fpage>347</fpage><lpage>363</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0045-7949(99)00151-0</pub-id></citation></ref>
<ref id="b14-sensors-10-00719"><label>14.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Liu</surname><given-names>P.</given-names></name><name><surname>Rao</surname><given-names>V.S.</given-names></name><name><surname>Derriso</surname><given-names>M.</given-names></name></person-group><article-title>Active control of smart structures with optimal actuator and sensor locations</article-title><source>SPIE</source><year>2002</year><volume>4693</volume><fpage>1</fpage><lpage>12</lpage></citation></ref>
<ref id="b15-sensors-10-00719"><label>15.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Li</surname><given-names>Y.</given-names></name><name><surname>Onoda</surname><given-names>J.</given-names></name><name><surname>Minesugi</surname><given-names>K.</given-names></name></person-group><article-title>Simultaneous optimization of piezoelectric actuator placement and feedback for vibration suppression</article-title><source>IAA ACTA Astron. J</source><year>2002</year><volume>50</volume><fpage>335</fpage><lpage>341</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0094-5765(01)00185-0</pub-id></citation></ref>
<ref id="b16-sensors-10-00719"><label>16.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Qiu</surname><given-names>Z.</given-names></name><name><surname>Zhang</surname><given-names>X.</given-names></name><name><surname>Wu</surname><given-names>H.</given-names></name><name><surname>Zhang</surname><given-names>H.</given-names></name></person-group><article-title>Optimal placement and active vibration control for piezoelectric smart flexible cantilever plate</article-title><source>J. Sound Vibr</source><year>2007</year><volume>301</volume><fpage>521</fpage><lpage>543</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2006.10.018</pub-id></citation></ref>
<ref id="b17-sensors-10-00719"><label>17.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Patnaik</surname><given-names>B.R.</given-names></name><name><surname>Heppler</surname><given-names>G.R.</given-names></name><name><surname>Wilson</surname><given-names>W.J.</given-names></name></person-group><article-title>Sensor effectiveness coefficients for piezoelectric materials</article-title><conf-name>Proceedings of the American Control Conferences</conf-name><conf-loc>Seattle, Washington, DC, USA</conf-loc><conf-date>June 30–July 5, 1996</conf-date><fpage>3801</fpage><lpage>3802</lpage></citation></ref>
<ref id="b18-sensors-10-00719"><label>18.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Qing</surname><given-names>G.</given-names></name><name><surname>Qiu</surname><given-names>J.</given-names></name><name><surname>Liu</surname><given-names>Y.</given-names></name></person-group><article-title>A semi-analytical solution for static and dynamic analysis of plates with piezoelectric patches</article-title><source>Int. J. Solids Struct</source><year>2006</year><volume>43</volume><fpage>1388</fpage><lpage>1403</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2005.03.048</pub-id></citation></ref></ref-list>
<sec sec-type="display-objects">
<title>Figures and Tables</title>
<fig id="f1-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 1.</label>
<caption>
<p>Bending moment acting on the composite laminate induced by the lead zirconate titanate PZT actuators.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f1.gif"/></fig>
<fig id="f2-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 2.</label>
<caption>
<p>Strain distribution across the thickness of the composite laminate.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f2.gif"/></fig>
<fig id="f3-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 3.</label>
<caption>
<p>Surface bonded actuator on the composite laminate plate.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f3.gif"/></fig>
<fig id="f4-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 4.</label>
<caption>
<p>3-D finite element mesh.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f4.gif"/></fig>
<fig id="f5-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 5.</label>
<caption>
<p>Three different sizes of PZT actuators.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f5.gif"/></fig>
<fig id="f6-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 6.</label>
<caption>
<p>Deformation of the composite plate induced by the PZT actuator 0.06 m × 0.04 m obtained by (a) <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> (b) finite element method (unit: m). (a) Deformed shape obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref>. (b) Deformed shape obtained by ANSYS.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f6.gif"/></fig>
<fig id="f7-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 7.</label>
<caption>
<p>Displacements of the composite plate induced by PZT actuators with three different sizes.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f7a.gif"/>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f7b.gif"/></fig>
<fig id="f8-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 8.</label>
<caption>
<p>Three different locations of the actuator.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f8.gif"/></fig>
<fig id="f9-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 9.</label>
<caption>
<p>deformation of the composite plate induced by the PZT actuator bonded on the right region calculated by (a) <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> (b) finite element method. (a) Deformed shape calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref>. (b) Deformed shape calculated by ANSYS.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f9.gif"/></fig>
<fig id="f10-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 10.</label>
<caption>
<p>deformation of the composite plate induced by the PZT actuator bonded on the top region calculated by (a) <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> (b) finite element method. (a) deformed shape calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref>. (b) deformed shape calculated by ANSYS.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f10.gif"/></fig>
<fig id="f11-sensors-10-00719" position="float">
<label>Figure 11.</label>
<caption>
<p>Flexural displacement of the composite plate obtained by ANSYS and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref> along the horizontal line (<italic>y = b</italic>/2) and vertical line (<italic>x = a</italic>/2) for three different locations of actuator.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-00719f11.gif"/></fig>
<table-wrap id="t1-sensors-10-00719" position="float">
<label>Table 1.</label>
<caption>
<p>Material properties of carbon/epoxy.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="center" valign="top"><bold>Longitudinal modulus <italic>E</italic><sub>1</sub></bold></th>
<th align="left" valign="top"><bold>Transverse modulus <italic>E</italic><sub>2</sub></bold></th>
<th align="left" valign="top"><bold>Shear modulus <italic>G</italic><sub>12</sub></bold></th>
<th align="left" valign="top"><bold>Shear modulus <italic>G</italic><sub>23</sub></bold></th>
<th align="left" valign="top"><bold>Poisson’s ratio <italic>v</italic><sub>12</sub></bold></th>
<th align="left" valign="top"><bold>Poisson’s ratio <italic>v</italic><sub>23</sub></bold></th></tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left" valign="top">108 GPa</td>
<td align="left" valign="top">10.3 GPa</td>
<td align="left" valign="top">7.13 GPa</td>
<td align="left" valign="top">4.02 GPa</td>
<td align="left" valign="top">0.28</td>
<td align="left" valign="top">0.28</td></tr></tbody></table></table-wrap>
<table-wrap id="t2-sensors-10-00719" position="float">
<label>Table 2.</label>
<caption>
<p>maximum deflection of the composite plate induced by the PZT actuators with three different sizes.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="right" valign="top"><bold>Method</bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold>ANSYS</bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold><xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref></bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold>Error (%)</bold></th></tr>
<tr>
<th align="left" valign="bottom"><bold>Size</bold></th></tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT<break/>0.06 m × 0.04 m</td>
<td align="center" valign="middle">1.68 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">1.59 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">5.4</td></tr>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT<break/>0.08 m × 0.06 m</td>
<td align="center" valign="middle">2.90 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">2.73 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">6.3</td></tr>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT<break/>0.1 m × 0.08 m</td>
<td align="center" valign="middle">4.26 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">3.98 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">6.8</td></tr></tbody></table></table-wrap>
<table-wrap id="t3-sensors-10-00719" position="float">
<label>Table 3.</label>
<caption>
<p>maximum deflection of the composite plate induced by the PZT actuators at three different locations.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="right" valign="top"><bold>Method</bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold>ANSYS</bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold><xref ref-type="disp-formula" rid="FD15a">Equation (15)</xref></bold></th>
<th align="center" valign="middle" rowspan="2"><bold>Error (%)</bold></th></tr>
<tr>
<th align="left" valign="bottom"><bold>Location</bold></th></tr></thead>
<tbody>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT at central region</td>
<td align="center" valign="middle">1.68 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">1.59 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">5.4</td></tr>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT at right region</td>
<td align="center" valign="middle">8.62 × 10<sup>−4</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">8.00 × 10<sup>−4</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">7.7</td></tr>
<tr>
<td align="center" valign="middle">PZT at top region</td>
<td align="center" valign="middle">1.27 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">1.34 × 10<sup>−3</sup> mm</td>
<td align="center" valign="middle">4.9</td></tr></tbody></table></table-wrap></sec></back></article>
