Luận văn Phân tích ảnh hưởng và ứng xử tương tác đa trường trên vật liệu bất đẳng hướng bằng FEM (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phân tích ảnh hưởng và ứng xử tương tác đa trường trên vật liệu bất đẳng hướng bằng FEM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 3 9 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP . HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh tháng 10/2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP . HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS TS. Nguyễn Hoài Sơn Tp. Hồ Chí Minh tháng 10/2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: PHAN VĂN CƢỜNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/11/1989 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 115/12 Đƣờng 11,Tổ 3, KP 9, P. Trƣờng Thọ, Quận Thủ Đức, TP.HCM. Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0979054727 Fax: E-mail: phanvancuongckm@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 09/2007 đến 05/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM, Số 1 Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy Tên đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu - thiết kế máy sản xuẩt bột bơ Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2011, tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm Cơng ty TNHH-SXCN-TMDV Vận hành và lập trình máy 09/2011 - 4/2012 Phụng Nam CNC, bảo trì máy Cơng ty Cổ phần cơng nghiệp 04/2012 - 1/2013 Nhân viên bảo trì Masan Cơng ty TNHH HAYAMIZU 10/2013 – hiện tại Supervisor VIET NAM iii
5. LỜI CAM KẾT Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Phan Văn Cƣờng iv
6. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện thì luận văn : “ Phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣơng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM ” của tơi đã hồn thành. Ngồi sự nổ lực và cố gắng của bản thân, tơi gặp phải một số khĩ khăn trong quá trình thực hiện. Nhờ cĩ sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình của quý thầy cơ, bạn bè, gia đình tơi đã vƣợt qua và hồn thành luận văn của mình. Để tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn:  Thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hồi Sơn, Ths Phùng Văn Phúc. Thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, gĩp ý, động viên tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.  Thầy TS. Phạm Sơn Minh và Thầy TS. Nguyễn Đức Nam đã bỏ thời gian và cơng sức để phản biện và đĩng gĩp ý kiến cho luận văn của tơi đƣợc hồn thiện hơn.  Ban giám hiệu, phịng sau đại học và quý thầy cơ Khoa Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn.  Các anh, chị, bạn bè, trong và ngồi lớp đã động viên, giúp đỡ tơi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn.  Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và tạo điều kiện cho em trong suốt những năm học vừa qua. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2014 Phan Văn Cƣờng v
7. TĨM TẮT Đề tài: “Phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣờng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM” xây dựng mơ hình tốn và phƣơng pháp số cho tấm composite cĩ dán vật liệu áp điện. Luận văn tập trung vào các điểm sau: Xây dựng mơ hình tốn dựa trên việc phát triển phần tử tấm đẳng tham số 4 nút với 5 bậc tự cơ (3 tịnh tiến, 2 gĩc quay) cho mỗi của nút dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất để tính tốn ma trận độ cứng phần tử (liên kết cơ – điện) và ma trận khối lƣợng phần tử của tấm composite. Điện thế ( ) đƣợc giả định là bậc tự do thêm vào trên mỗi phần tử. Nguyên lý của Hamilton đƣợc sử dụng để tìm đƣợc các phƣơng trình phần tử hữu hạn sử dụng năng lƣợng cơ học của cấu trúc và năng lƣợng điện của vật liệu áp điện. Sau đĩ, code phần tử hữu hạn trong nền tảng MATLAB đƣợc viết để phân tích tĩnh của cấu trúc tấm phẳng dựa trên lý thuyết tấm của Mindlin. Từ kết quả, ta nhận thấy cĩ thể điều khiển đƣợc độ võng tĩnh với các mức điện áp đặt vào bộ kích hoạt. vi
8. ABSTRACT Thesis: “Analysis of multiphysics interacting influences in anisotropic materials by FEM” building mathematical models and numerical methods for composite plates is patch piezoelectric materials. Thesis only focus on the following issues: Building mathematical models based on the development a four noded isoparamatric flat plate element with five mechanical degrees of freedom ( 3 translational, 2 rotational) per node based on first order shear deformation theory to compute the elemental stiffness (electro-mechanical coupling) and mass matrix of composite plate. Electrical voltage ( ) is assumed as an additional DOF which is to be applied per element. Hamilton‟s principle is employed to derive the finite element equations using the mechanical energy of the structure and the electrical energy of the piezoelectric material. Then, A finite element code in the MATLAB platform is written for static analysis of the flat plate structures based on mindlin‟s plate theory. Form the results, it is found out that the static deflection control can be achieved with a given voltage applied through the IDE-PFC actuator. vii
9. MỤC LỤC GIẤY QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ii LÝ LỊCH KHOA HỌC iii LỜI CAM KẾT iv LỜI CẢM ƠN v TĨM TẮT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH x DANH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.5 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 3 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 4 2.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 4 2.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc 4 2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 4 2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 7 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 3.1 Giới thiệu chung 8 3.1.1 Giới thiệu về FEM 8 3.1.2 Giới thiệu về vật liệu composite 11 3.1.3 Giới thiệu về piezoelectric 13 3.1.4 Giới thiệu về multiphysics 14 3.2 Mối quan hệ ứng suất biến dạng 14 vii
10. 3.3 Phát triển mối quan hệ kết cấu cho tấm laminate 17 3.4 Mối quan hệ kết cấu vật liệu áp điện 20 3.5 Phân tích phần tử hữu hạn 21 3.5.1 Giới thiệu 21 3.5.2 Nguyên lý biến biến phân 22 3.5.3 Cách trình bài phần tử hữu hạn sử dụng phần tử đẳng tham số 23 3.5.4 Ma trận độ cứng đàn hồi 28 3.5.5 Ma trận độ cứng liên kết cơ điện 30 3.5.6 Ma trận độ cứng điện 30 3.5.7 Ma trận khối lƣợng 31 3.5.8 Vectơ lực phần tử 32 3.5.9 Phƣơng trình điều khiển của hệ 32 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 4.1 Áp dụng cho bài tốn phân tích tấm composite 35 4.2 Kết quả phân tích tĩnh 36 4.3 Kết quả phân tích động lực học 38 CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN 41 5.1 Kết luận 41 5.2 Kiến nghị 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 45 viii
11. DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG TRANG Bảng 4.1: Thuộc tính của vật liệu áp điện PZT G1195N piezoceramics và composite graphite–epoxy 36 Bảng 4.2: Độ võng của tấm và so sánh với lời giải tham khảo 37 ix
12. DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH HÌNH TRANG Hình 3.1: Lƣới phần tử hữu hạn 8 Hình 3.2: Phần tử 1D 9 Hình 3.3: Phần tử 2D 9 Hình 3.4: Phần tử tam giác và phần tử tứ giác 10 Hình 3.5: Phần tử tứ diện 10 Hình 3.6: Phần tử lục diện 10 Hình 3.7: Phần tử ngũ diện 11 Hình 3.8: Tấm cơ bản gồm n lớp với mặt trên cĩ dáng actuator và mặt dƣới dáng sensor 15 Hình 3.9: Phép biến đổi từ hệ tọa độ địa phƣơng sang hệ tọa độ tồn cục 16 Hình 3.10: Biến dạng của tấm trong mặt cắt XZ 17 Hình 3.11: Tổng hợp lực và momen của tấm 18 Hình 3.12: Phần tử tứ giác bốn nút tùy ý trong hệ tọa độ đề các và phần tử đẳng tham số trong hệ tọa độ tự nhiên 24 Hình 4.1: Mơ hình của tấm composite với miếng dán áp điện 35 Hình 4.2: Mơ hình của bài báo tham khảo 36 Hình 4.3: Đồ thị chuyển vị của tấm 37 Hình 4.4: Đồ thị so sánh độ võng của tấm với lời giải tham khảo 38 Hình 4.5: Mode dao động của tấm với tần số 51.85 Hz 38 Hình 4.6: Mode dao động của tấm với tần số 107.03 Hz 39 Hình 4.7: Mode dao động của tấm với tần số 171,7 Hz 39 Hình 4.8: Mode dao động của tấm với tần số 186,56 Hz 39 x
13. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU ĐƠN VỊ a Một nửa chiều dài theo phƣơng x m A Diện tích m2 b Một nửa chiều dài theo phƣơng y m C Hằng số đàn hồi N/m2 Cs Điện dung của cảm biến áp điện F D Véc-tơ chuyển vị điện C/m2 e Hệ số ứng suất áp điện C/m2 E Mơ-đun đàn hồi N/m2 f Lực N h Chiều dày m K Ma trận độ cứng M Ma trận khối lƣợng q Véc-tơ trƣờng chuyển vị qi Trƣờng chuyển vị nút m T Động năng J u Trƣờng chuyển vị theo phƣơng x m U Thế năng J v Trƣờng chuyển vị theo phƣơng y m V Thể tích m3 w Trƣờng chuyển vị theo phƣơng z m W Cơng J  Biến dạng m/m  Ứng suất N/m2 v Hệ số Poisson  Hằng số điện mơi C/(Vm)  Véc-tơ chuyển vị nút m  Điện thế V xi
14. f Tần số Hz Khối lƣợng riêng của vật liệu kg/m3 xii
15. CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn Với sự phát triển nhanh chĩng của khoa học vật liệu và cơng nghệ, nhiều vật liệu đa chức năng mới đƣợc tạo ra và áp dụng cho kỹ thuật cơng nghiệp và các lĩnh vực khác nhau Nhiều mơ hình ứng dụng ở hiện tại và cũng nhƣ tƣơng lai trên thế giới cũng nhƣ tại việt nam đều phụ thuộc vào việc giải quyết đồng thời nhiều hiện tƣợng vật lý khác nhau trong cùng 1 mơ hình bài tốn. Do tầm quan trọng của sự tƣơng tác giữa một số trƣờng vật lý trong một mơ hình bài tốn, sự quan tâm trong việc mơ phỏng bài tốn đa trƣờng bằng phƣơng pháp số đang phát triển cho việc thiết kế chính xác các cấu trúc thực tế khác nhau. Mơ phỏng số thuận lợi nhƣ là địi hỏi về cả thời gian và chi phí tính tốn ít hơn so với thí nghiệm. Do đĩ, mơ phỏng bài tốn đa trƣờng bằng phƣơng pháp phần tử hƣu hạn hữu ích để cải thiện thiết kế của độ chính xác cao. Mục đích của luận án này là phát triển một phƣơng pháp số phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣờng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM. Các mục tiêu cĩ thể đƣợc chia thành hai nhiệm vụ chính:  Xây dựng mơ hình tốn tƣơng tác cơ-điện cho bài tốn tấm bằng việc phát triển phần tử đẳng tham số 4 nút với 5 bậc tƣ do cơ học ( 3 tịnh tiến, 2 gĩc xoay) cho mỗi nút và điện thế ∅ là bậc tự do thêm vào trên mỗi phần tử.  Dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất để tính tốn các ma trận độ cứng liên kết cơ-điện.  Tiến hành giải quyết bài tốn về sự tƣơng tác điện-cơ cho tấm composite cĩ dán lớp mỏng vật liệu piezoelectric bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn sử dụng ngơn ngữ tính tốn Matlab. Với mục đích mong muốn đĩng gĩp vào sự tiến bộ của khoa học cơng nghệ và tính tốn phân tích các mơ hình tốn thực tế một cách chắc chắn hơn, tơi thực hiện đề tài: “ Phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣơng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM ” với mong muốn: -[1]-
16. - Rút ngắn thời gian phân tích, tính tốn, giảm thời gian thực nghiệm. - Từ mơ hình tính tốn phân tích đĩ làm cơ sở lý thuyết để tính tốn những bài tốn ứng dụng trong thực tế. 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài là : dựa trên cơ sở lý thuyết sẽ tính tốn để giải quyết vấn đề: “phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣờng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM”. Xây dựng mơ hình tốn tƣơng tác cơ-điện cho bài tốn tấm bằng việc phát triển phần tử đẳng tham số 4 nút với 5 bậc tƣ do cơ học ( 3 tịnh tiến, 2gĩc xoay) cho mỗi nút và điện thế  là bậc tự do thêm vào trên mỗi phần tử. Dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất và nguyên lý Hamilton để tính tốn các ma trận độ cứng liên kết cơ-điện. Tiến hành giải quyết bài tốn về sự tƣơng tác điện-cơ cho tấm composite cĩ dán lớp mỏng vật liệu piezoelectric bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn sử dụng cơng cụ tính tốn Matlab và so sánh đánh giá sai số so với lời giải tham khảo. 1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là: Phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣơng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài dừng lại ở việc xây dựng cơ sơ lý thuyết cho tƣơng tác cơ-điện, phân tích ảnh hƣởng và ứng xử tƣơng tác đa trƣơng ( cơ-điên) trên tấm vật liệu bất đẳng hƣớng (composite) bằng FEM sử dụng phần tử đẳng tham số tứ giác Q4. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu trong và ngồi nƣớc cĩ liên quan đến nội dung nghiên cứu để phân tích, tính tốn. - Tiến hành tính tốn, phân tích xây dựng mơ hình lý thuyết, lập trình và phân tích kết quả về tƣơng tác, ứng xử của mơ hình bài tốn cụ thể. -[2]-
17. 1.5 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Đề tài “ Phân tích ảnh hƣởng ứng xử tƣơng tác đa trƣờng trên vật liệu bất đẳng hƣớng bằng FEM” gồm cĩ 5 chƣơng và phần phụ lục. - Chƣơng 1: Mở đầu - Chƣơng 2: Tổng quan - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết - Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận - Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị - Phụ lục -[3]-
18. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, vật liệu bất đẳng hƣớng đƣợc sử dụng rất rộng rải từ những kiến trúc xây dựng to lớn nhƣ cầu đƣờng, nhà cao tầng, những phƣơng tiện di chuyển nhƣ phi cơ, tàu thủy, ơ tơ đến những vật gia dụng bình thƣờng. Những chiếc du thuyền hiện đại, thân tàu làm từ tấm composite sợi thủy tinh. Cánh của các máy bay hạng nhẹ và thậm chí của các chiến đấu cơ cũng làm từ tấm composite sợi carbon. Nhƣ chúng ta đã biết các chi tiết dạng tấm thì cĩ chiều dày nhỏ do đĩ khi chịu tác dụng của các ngoại lực thì chúng sẽ biến dạng, nếu là tải tuần hồn hoặc cĩ chu kỳ thì sẽ gây ra rung động hoặc dao động làm ảnh hƣởng đến kết cấu của tấm composite và nếu thời gian tác dụng lâu dài thì chi tiết sẽ bị phá hủy gây tác động khơng tốt đến hệ thống. Việc ngăn chặn các dao động tồn tại bên trong tấm composite sẽ giúp cho chúng khơng bị rung động và giúp cho hệ thống thêm vứng chắc khơng bị phá hủy. Để triệt tiêu hoặc làm giảm các dao động suất hiện khơng mọng muốn này ngƣời ta đã dán các tấm cảm biến áp điện lên tấm composite cần khảo sát sau đĩ thu nhân các tín hiệu từ các tấm dán này và kích những xung điện tƣơng ứng để khử và làm giảm các biến dạng và dao động của chúng. Vào những thập niên gần đây ngƣời ta đã dào sâu nghiên cứu vào các vật liệu thơng minh đặc biệt là vật liệu áp điện. Đây là vật liệu mang nhiều tính chất quý báu mà ở các vật liệu thơng thƣờng khơng cĩ, vật liệu này sẽ phát ra một nguồi điện khi cĩ một ứng suất cơ học tác động vào nĩ và ngƣợc lại khi cĩ dịng điện tác động vào nĩ thì nĩ sẽ sinh ra chuyển vị tƣợng ứng với hiệu điện thế đã đặt vào. Ngƣời ta đã ứng dụng tính chất này để điều khiển chuyển vị của các chi tiết chịu biến dạng và rung động trong cơ khí và xậy dựng. 2.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc 2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Tình hình nghiên cứu về sự tƣơng tác đa trƣờng trên thế giới hiện nay đang phát triển rất mạnh. Đặc biệt là ở một số nƣớc phát triển nhƣ : Đức, Nhật, Mỹ, -[4]-
19. Nghiên cứu về tấm và tấm gấp là các lĩnh vực nghiên cứu thú vị cĩ ảnh hƣởng mạnh mẻ của cơ học liên tục. Thực nghiệm về dao động tấm đƣợc thực hiện bởi Chladni vào năm 1802. Sau sự khởi đầu của ơng Chladni đã cĩ nhiều nhà nghiên cứu tiếp tục cộng việc nghiên cứu của ơng với các chi tiết dạng tấm và hộp. Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên đƣợc đề cập bởi nhà khốn vật học ngƣời Pháp René Just Hẵy vào năm 1817. Chứng minh đầu tiên cho hiệu ứng áp điện thuận vào năm 1880 bời anh em nhà Pierre Curie and Jacques Curie. Họ đã chứng minh hiệu ứng này bằng cách sử dụng các tinh thể tua-ma-lin, thạch anh, tơ-pa và muối Rochelle. Tuy nhiên anh em nhà Curies đã khơng tiên đốn đƣợc hiệu ứng áp điện nghịch. Hiệu ứng áp điện nghịch đƣợc suy luận tốn học từ nguyên lý nhiệt động học bới Gabriel Lippmann vào năm 1881. Vài thập niên tiếp sau, đã cĩ nhiều nghiên cứu nhằm khám phá và định nghĩa các cấu trúc tinh thể về hiện tƣợng áp điện. Đỉnh cao của quá trình nghiên cứu là vào năm 1910 với sự xuất bản cuốn sách Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik, cuốn sách nĩi về 20 loại tinh thể tự nhiên cĩ khả năng áp điện và ơng ta đã định nghĩa một cách chặt chẻ các hắng số áp điện mà sử dụng trong việc thí nghiêm phân tích kéo nén. Ứng dụng đầu tiên là thiết bị phát hiện tàu ngầm đƣợc phát triển trong chiến tranh thế giới thứ 2. Ở pháp ,Paul Langevin và đồng nghiệp phát triển thiết bị phát hiện tàu ngầm vào năm 1917. Việc sử dụng hiệu ứng áp điện để phát hiện tàu ngầm là một dự án thành cơng. Nĩ nâm cao tầm qua trọng của các thiết bị áp điện. Sau chiến tranh thế giớ thứ hai, các vật liệu áp điện mới và ứng dụng của nĩ dần đƣợc kham phá và phát triển. Crawley and de Luis đƣa ra các lợi ích của các thiết bị áp điện trong các cấu trúc thơng minh bằng việc phát triển mơ hình mơ tả ứng sử động học và tĩnh của hệ thống. Code phần tử hửu hạn đƣợc phát triển bởi Ha et al. cĩ thể xử lý các hồi tiếp cơ học của các kết cấu sợi chịu lực, tấm đa lớp, vật liệu composite chứa các vật liệu áp điện dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh và động. Lin et al. đƣa ra mơ hình phần tử hửu hạn cho việc điều khiển độ võng của tấm đƣợc mơ hình thành phần tử tấm đẳng tham số với các bộ kích áp điện dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc một. Chúng đƣơc thể hiện thơng qua một vài ví dụ, mơ -[5]-
20. hình này đƣa ra độ chính xác và tính tốn các hệ số biến dạng của các trạng thái khác nhau của bộ kích đƣợc gián vào các cấu trúc chịu các trạng thái kích thích khác nhau. Chen et al. đã nghiên cứu về điều khiển và triệt tiêu dao động bằng phƣơng pháp số của các cấu trúc thơng minh với các phần tử tấm áp điện phân tích phần tử khơng gian và phần tử hửu hạn. Bent đã giới thiệu vật liệu composite chứa các sợi chủ động cho bộ kích và cảm biến của cấu trúc kết hợp với các sợi PZT thành các ma trận tạo ra khả năng tích hợp cao và các vật liệu bộ kích bất đẳng hƣớng với các điện cực đan vào nhau. Liu et al. giới thiệu cơng thức phần tử hửu hạn dựa trên lý thuyết tấm nhiều lớp cổ điển để dự đốn hồi tiếp tĩnh và động của các kết cấu tấm composite dƣới các điều kiện tải trọng điện và cơ học. Các cảm biến và bộ kích áp điện đƣợc tích hợp vào cấu trúc nhƣ là một phần của vịng lặp kính sử dụng thuật tốn điều khiển dựa trên hồi tiếp vận tốc âm. Trên thực tế thì nĩ làm tăng tính giảm chấn của cấu trúc. Khối lƣợng và độ cứng của các lớp áp điện cũng đƣợc đƣa vào tính tốn. Việc nghiên cứu thơng số cũng cho thấy sự ảnh hƣởng khi thay đổi phƣơng của các sợi cốt, nơi đặt bộ kích và cảm biến hồi tiếp trên tấm. Gần đây, He et al. đã nghiên cứu về điều khiển dao động chủ động với các bộ kích áp điện đƣợc gắn vào kết cấu, các bộ kích này đƣợc làm từ vật liệu mới đƣợc gọi là vật liệu theo chức năng(FGM) Chee et al. đã giới thiệu thuật tốn cĩ tên là Buildup, một phƣơng pháp xắp xếp hƣớng trong việc tối ƣu hĩa phƣơng của các tấm gián áp điện cho việc điều khiển dạng tĩnh của các cấu trúc thơng minh. Cơng thức phần tử hửu hạn cho kết cấu dựa trên trƣờng chuyển vị bậc cao kết hợp với khả năng đàn hồi tuyến tính của các lớp này. Marinkovic and Ulrich đã mơ tả phƣơng trình tổng quát của kết cấu tấm đa lớp với các tấm áp điện đƣợc gián dựa trên lý thuyết về tấm FSDT(Mindlin- Reissner) và lý thuyết tuyến tính của vật liệu áp điện( sự biến đổi tuyến tính của trƣờng điện trên chiều dày của lớp áp điện), nĩ bao gồm phƣơng trình tổng quát về tải trọng kích hoạt của vật liệu áp điện và tính hiệu đầu ra của cảm biến dựa trên -[6]-
21. kiên kết điện-cơ học. Sau đĩ thành lập cộng thức phần tử hửu hạn của kết cấu sử dụng phần tử tứ giác cĩ số bậc tự do là (5n+ne) trong đĩ 5 là bậc tự do cơ học gồm 2 quay và 3 tịnh tiến cho mỗi nút ne là điện thế của các lớp áp điện. Zhang and Shen đã giới thiệu cơng thức giải tích về điều khiển dao động kết cấu của tấm nhiều lớp chứa từ 1-3 lớp composite cĩ sợ chịu lực làm từ vật liệu áp điện đƣợc gắn thêm các điện cực đan vào nhau và các lớp comnposite thẳng đứng. Phƣơng trình vi phân tổng quát của dao động dọc theo trục của dầm và theo phƣơng ngang dựa trên lý thuyết tấm mỏng. 2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Hiện nay tại Việt Nam, việc nghiên cứu về sự tƣơng tác đa trƣờng vẫn chƣa phát triển mạnh. Trong bài báo của P Phung-Van, T Nguyen-Thoi,T Le-Dinh3 và H Nguyen- Xuan đã phân tích dao động tự do và dao động tĩnh và điều khiển động học tấm composite đƣợc tích hợp bộ kích và cảm biến bằng phƣơng pháp làm mịn hĩa hĩc cắt khơng liên tục dự trên các ơ cơ bản(CS-FEM-DSG3). Trong các tấm composite cĩ gắn tấm tinh thể áp điện này, coi điện thế là hàm tuyến tính theo chiều dày của mỗi lớp. Thuật tốn điều khiển hồi tiếp của chuyển vị và vận tốc đƣợc sử dụng để điều khiển hồi tiếp động học và biến dạng tĩnh của tấm thơng qua việc điều khiển vịng lập kính với các cảm biến và bộ kích áp điện đƣợc phân bố trên tấm. Độ chính xác và tin cậy của phƣơng pháp đƣa ra đƣợc kiểm tra thơng qua việc so sánh với lời giải phƣơng pháp số. Các bài báo cáo về tƣơng tác đa trƣờng của PGS. TS Nguyễn Hồi Sơn Seminar khoa học định kỳ của nhĩm Tính tốn Cao cấp trong Khoa học và Kỹ thuật (GACES) thuộc Khoa Xây dựng và Cơ học Ứng dụng, trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM. -[7]-
22. S K L 0 0 2 1 5 4