Luận văn Phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với tinh thể áp điện bằng các hiệu ứng về cảm biến (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với tinh thể áp điện bằng các hiệu ứng về cảm biến (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 HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 3 6 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN 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: Hoàng Đức Vinh Giới tính: Nam Ngày 20, tháng 08, năm sinh: 1988 Nơi sinh: Vũng Tàu Quê quán: Quảng Trị Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 13, Đường Hàn Thuyên, Phường Bình Thọ, Quận Thủ Đức, TP.Hồ Chí Minh. Điện thoại nhà riêng: +841682984557 E-mail: hoangducvinh123@ gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 05/2007 đến 05/2012 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Sô 1 Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống tự động chiết rót và đóng nắp chai dầu gió nhị thiên đường. Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 08/01/2012, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Người hướng dẫn: KS. HỒ VIẾT BÌNH III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật 2012 – 2014 Học viên TP.HCM IV. CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: 1. Nguyen Khanh Binh, Hoang Duc Vinh, Nguyen Hoai Son, Phan Ha Nhut, “Mechanical Behavior of composite laminates excited by the bonded piezoelectric actuators” i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. LỜI CẢM TẠ Xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình trong hướng dẫn, sự quan tâm chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn và sự cổ động viên tinh thần của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, luận văn “Phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với các tinh thể áp điện bằng hiệu ứng cảm biến” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn đã tận tình từng bước dìu dắt, chỉ dẫn trong việc hoàn thành luận văn này. Thầy Phùng Văn Phúc đã định hướng những bước đầu trong các chuyên đề một và hai. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người than đã động viện, quan tâm, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả luận văn Hoàng Đức Vinh iii
7. TÓM TẮT Với tên luận văn “Phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với tinh thể áp điện bằng các hiệu ứng cảm biến”. Luận văn được thược hiện trong vòng sáu tháng tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Luận văn tập trung vào các điểm sau: Mô hình số hóa cấu trúc của tấm được dán tấm vật liệu áp điện. Sử dụng nguyên lý Hamilton để thành lập các phương trình năng lượng cơ và năng lượng điện của vật liệu áp điện. Sau đó, sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB để lập trình phân tích tĩnh tấm phẳng dựa trên lý thuyết tấm Kirchhoff. Chương trình lập trình nhằm mục đích phân tích tĩnh và động học ứng sử của tấm với các lớp cảm biến và lớp kích thích được dán đối xứng qua mặt phẳng của tấm thép. Kết quả của luận văn được so sánh với nghiệm chính xác của phương pháp đại số và lời giải của bài báo. Thuật toán điều khiển hồi tiếp được sử dụng để điều khiển với giả thuyết là điện thế đầu ra của cảm biến là hàm đạo cấp một của điện thế bộ kích. Điện thế này sau đó được khuyếch đại thông qua bộ điều khiển, sau đó được hồi tiếp trở lại bộ kích để điều khiển tấm thép. iv
8. ABSTRACT With name of thesis is “Active control of Steel Plate with Localized Piezoelectric Sensors and Actuators“. It was carried out within six months at University of Technical Education Ho Chi Minh City. Thesis only focus on the following issues: The numerical modeling of a plate structure containing bonded piezoelectric material. 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 Kirchhoff‟s plate theory. A computational program is implemented for analyzing the static and dynamic behavior of composite plates with piezoelectric layers symmetrically bonded to the top and bottom surfaces. A set of numerical simulationsis performed and the results are compared with those from analytical formulation available in the literature and paper. A feedback control algorithm to control the modal response of the structure is developed wherein the first derivative of the charge obtained from the PZT creamic sensor is fed back through a current amplifier with necessary feedback gain. The finite element code for the dynamic analysis is showing that the said control strategy with collocated actuator-sensor pair is helpful to diminish the modal response of the structures. Keywords: Finite element technique, Kirchhoff‟s plate theory, composite plates, piezoelectric material v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố. 1 1.2. Mục đích của đề tài. 5 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. 6 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu. 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 2.1. Giới thiệu chung về cơ học vật rắn 8 2.1.1. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất 8 2.1.2. Nghuyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần 9 2.2. Giới thiệu chung về lý thuyết tấm 10 2.2.1. Lý thuyết tấm Kirchoff 10 2.2.1.1. Phần tử tấm Kirchoff chịu uốn 13 2.2.2. Phần tử tấm Mindlin chịu uốn 20 2.2.3. Phần tử tứ giác 23 2.2.3.1. Hàm dạng 24 2.2.3.2. Ma trận độ cứng phần tử 26 2.2.3.3. Qui đổi lực về nút 28 2.2.3.4. Tích phân số 28 2.2.3.5. Tính ứng suất 33 2.3. Giới thiệu chung về lý thuyết vật liệu áp điện 34 vi
10. 2.3.1. Giới thiệu chung 34 2.3.2. Lịch sử phát triển và hình thành 34 2.3.3. Phân loại vật liệu áp điện 36 2.3.3.1. Vật liệu có mạng tinh thể đơn 36 2.3.3.2. Gốm áp điện 36 2.3.3.3. Ploymers áp điện 38 2.3.3.4. Composite áp điện 38 2.3.3.5. Màn áp điện mỏng 39 2.3.4. Cảm biến áp điện 39 2.3.5. Bộ kích áp điện 40 2.3.6. Ứng dụng của vật liệu áp điện 42 2.3.7. Thành lập các phương trình cơ bản của vật liệu áp điện 44 2.3.7.1. Các hệ số áp điện 51 2.3.7.2. Tương tác đa trường của vật liệu áp điện 54 2.4. Lý thuyết chung về điều khiển 56 2.4.1. Lịch sử phát triển và hình thành 56 2.4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình. 56 2.4.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động. 58 2.4.4. Các phương pháp mô tả động học hệ thống điều khiển tự động 59 2.4.4.1. Hàm truyền đạt của hệ thống 59 2.4.4.2. Phương trình trạng thái mô tả hệ thống 60 CHƢƠNG 3: THÀNH LẬP CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN 63 3.1. Mô hình và bài toán 63 3.2. Thành lập công thức của vật liệu áp điện 67 3.3. Thành lập các ma trận của phần tử hữu hạn 69 3.3.1. Giới thiệu 69 3.3.2. Công thức năng lượng 69 3.3.3. Nguyên lý biến phân 69 3.3.4. Chuyển đổi ma trận trong chiệu tọa độ địa phương và toàn cục 73 3.4. Phân tích tĩnh mô hình 74 vii
11. 3.5. Phân tích động học và điều khiển 75 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 77 4.1. Áp dụng bài toán điều khiển chủ động tấm thép 77 4.2. Kết quả phân tích tĩnh 78 4.3. Kết quả phân tích động lực học 80 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 5.1 Kết luận 87 5.2 Hƣớng phát triển 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 92 Code phần tử hữu hạn 92 viii
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU ĐƠN VỊ a Một nửa chiều dài theo phương x m A Diện tích m2 b Một nửa chiều dài theo phương 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 Mô-đun đàn hồi N/mm2 f Lực N h Chiều dày m K Ma trận độ cứng M Ma trận khối lượng q Véc-tơ trường chuyển vị qi Trường chuyển vị nút m T Động năng J u Trường chuyển vị theo phương x m U Thế năng J v Trường chuyển vị theo phương y m V Thể tích m3 w Trường chuyển vị theo phương z m W Công J  Biến dạng m/m  Ứng suất N/m2 v Hệ số Poisson  Hằng số điện môi C/(Vm)  Véc-tơ chuyển vị nút m ix
13.  Điện thế V f Tần số Hz Khối lượng riêng của vật liệu kg/m3 Ký hiệu bên dƣới a Của bộ kích s Của cảm biến p Của tấm sa Điện thế sinh ra của bộ kích x Liên quan đến trục x y Liên quan đến trục y qq Liên quan đến độ cứng q Liên quan đến độ cứng áp điện  Liên quan đến độ cứng điện môi Ký hiệu bên trên e Liên quan đến phần tử S Liên quan đến bến dạng hằng số T Ma trận chuyển hệ tọa độ x
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Nội lực trên phần tử tấm chịu uốn 11 Hình 2.2: Phần tử tứ giác Kirchoff 13 Hình 2.3: Phần tử tứ giác 4 nút 23 Hình 2.4: Cầu phương 1 điểm Gauss 30 Hình 2.5: Điểm Gauss theo qui tắc tích phân 2 điểm 33 Hình 2.6: Tinh thể áp điện 37 Hình 2.7: Sự phân cực của vật liệu áp điện 38 Hình 2.8: Ứng sử của vật liệu áp điện khi chịu kích thích bên ngoài 38 Hình 2.9: Cảm biến áp điện 39 Hình 2.10: Lớp áp điện được dán lên lớp đàn hồi 41 Hình 2.11: Tấm dán actuator LaRC-MFC được tạo ra bởi NASA-Langley năm 2000 43 Hình 2.12: Giày có thể tích điện năm 1996 43 Hình 2.13: Cặp deo có dây đai áp điện năm 2007 44 Hình 2.14: (a) mô tơ áp điện tuyến tính N215 (b) Bệ áp điện khiều khiển vị trí theo chiều dài nanomet 44 Hình 2.15: Sự phân cực của vật liệu áp điện 45 Hình 2.16: Qui ước trục và số 46 Hình 2.17: Phân loại ma trân liên kết áp điện 50 Hình 2.20: Sự phân cự bằng lực cơ học 52 Hình 2.21: Nhiệt động lực học 55 Hình 2.22: Sơ đồ khổi hệ thống điều khiển điển hình 57 Hình 2.23: Sơ đồ cấu trúc tổng quát theo phương trình trạng thái của hệ liên tục 61 Hình 3.1: Hệ tọa độ của phần tử tấm được tích hợp vật liệu áp điện 63 Hình 3.2: Tấm bị uốn công do tác dụng của các lực kéo nén 68 xi
15. Hình3.3: Lưới phần tử 74 Hình 3.4: Mô hình điều khiển chủ động tấm 75 Hình 4.1: Chia lưới phần tử 77 Hình 4.2: Hình biên trái là đồ thi chuyển vị của bào báo hình bên phải của luân văn 79 Hình 4.3: Hình bến phải là lời giải của luận văn hình bên trái là lời giải của bài báo 79 Hình 4.4 Hình bến phải là lời giải của luận văn hình bên trái là lời giải của bài báo 80 Hình 4.5: Tần số dao động tự do là f= 137.8899 Hz 81 Hình 4.6: Tần số dao động tự do là f= 266.2161Hz 81 Hình 4.7: Tần số dao động tự do là f=428.9289 Hz 82 Hình 4.8: Tần số dao động tự do là f=479.3850 Hz 82 Hình 4.9: Ảnh hưởng của hệ số Gv đến rung động của tấm 83 Hình 4.10: Mô hình bài toán 83 Hình 4.11: Đồ thị độ võng 84 Hình 4.12: Đồ thị độ võng tại x=Ly/2 84 Hình 4.13: Đồ thị độ võng tại điểm N 84 Hình 4.14: Chia lưới 84 Hình 4.15: Đồ thị chuyển vị tại phần tử 204 84 xii
16. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Xác định hàm nội suy trong hệ tọa độ tự nhiên 16 Bảng 2.2: Điểm Gauss và hàm trọng lượng 31 Bảng 3.1: Thuộc thính của vật liệu 78 Bảng 3.2: So sánh kết quả điện thế với kết quả phương pháp số và bài báo J. F. Ribeiro and V. Steffen 80 xiii
17. Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố. 1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, thép tấm được sử dụng rộng rải trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà xưởng công nghiệp và trong nghành công nghiệp đóng tàu. Thép tấm có các đặc tính cơ học như dẻo, dể uốn, dể dập và cán định hình [5]. Tùy thuộc vào chiều dày của chúng mà có những ứng dụng cụ thể khác nhau, ví dụ các tấm thép có chiều dày lớn được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng cầu đường và nghành cộng nghiệp đóng tàu còn các tấm thép có chiều dày nhỏ dùng làm các mặt bề mặt áp bên ngoài của các máy móc sản phẩm dân dụng. Như chúng ta đã biết các chi tiết dạng tấm thì có chiều dày nhỏ do đó khi chịu tác dụng của các ngoại lực thì chúng sẽ biến dạng, nếu là tải tuần hoàn hoặc có chu kỳ thì sẽ gây ra rung động hoặc dao động làm ảnh hưởng đến kết cấu của tấm thép và nếu thời gian tác dụng lâu dài thì chi tiết sẽ bị mỏi và bị phá hủy gây tác động không tốt đến hệ thống. Việc ngăn chặn các dao động tồn tại bên trong tấm thép sẽ giúp cho chúng không bị rung động và giúp cho hệ thống thêm vứng chắc không bị phá hủy. Để triệt tiêu hoặc làm giảm các dao động suất hiện không mọng muốn này người ta đã dán các tấm cảm biến áp điện lên tấm thép cần khảo sát sau đó thu nhận các tín hiệu từ các tấm dán này và kích những xung điện tương ứng để khử và làm giảm các biến dạng và dao động của chúng. Để điều khiển được các biến dạng và dao động có nhiều cách khác nhau như: điều khiển hệ thống chủ động, điều khiện hệ thống bị động, điều khiển hệ thống bán chủ động. Điều khiển hệ thống bị động là hệ thống không yêu cầu nguồn năng lượng bên ngoài để làm việc, nó làm giảm năng lượng dao động HVTH: Hoàng Đức Vinh -[1]-
18. Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn thông qua các cơ cấu cơ học khác nhau như: cơ cấu ma sát trượt, lò xo, tấm nhíp, giảm chấn Nếu các tấm tinh thể áp đện được dán lên cấu trúc thì các tín hiệu nhiễu được chuyển đổi thành năng lượng điện cái mà có thể bị triệt tiêu hoặc được chuyển đổi thông qua bo mạch trước khi hệ thống cơ học quay lại trạng thái ban đầu. Các lực điều khiển của hệ thống điều khiển bị động được sử dụng từ chuyển động của kết cấu. Do hệ số tiêu tán năng lượng lớn nên kỹ thuật điều khiển bị động thông thường được sử dụng trong các ngành kỹ thuật xây dựng. Tuy nhiên như đã nói kỹ thuật điều khiển bị động này bị giới hạn trong các ứng dụng của ngành hàng không và ô tô do khối lượng và thể tích của chúng ảnh hưởng đến tần số dao động chung của hệ thống. Điều khiển hệ thống chủ động được xem như là một trong những lĩnh vực có nhiều ý nghĩa và thử thách trong nghiên cứu các kết cấu kỹ thuật trong những năm gần đây [5]. Điều khiển dao động chủ động được xem như là một công nghệ mà làm cho dao động của các cấu trúc được giảm xuống hoặc điều khiển được dao động thông qua việc đặt các lực kế, cảm biến và bộ kích vào các kết cấu cần khảo sát tại những chỗ thích hợp để triệt tiêu biên độ dao động. Vào những thập niên gần đây người ta đã đào sâu nghiên cứu vào các vật liệu thông minh đặc biệt là vật liệu áp điện. Đây là vật liệu mang nhiều tính chất quý báu mà ở các vật liệu thông thường không có, vật liệu này sẽ phát ra một nguồi điện khi có một ứng suất cơ học tác động vào nó và ngược lại khi có dòng điện tác động vào nó thì nó sẽ sinh ra chuyển vị tượng ứng với hiệu điện thế đã đặt vào. Người 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. 1.1.2. Các nghiên cứu nƣớc ngoài Nghiên cứu về tấm đơn và tấm nhiều lớp là các lĩnh vực nghiên cứu thú vị có ảnh hưởng mạnh mẻ tới ngành cơ học liên tục. Thực nghiệm về dao động tấm được thực hiện bởi Chladni vào năm 1802 [8]. Sau sự khởi đầu của ông Chladni đã có nhiều nhà nghiên cứu tiếp tục cộng việc nghiên cứu của ông với các chi tiết dạng tấm và hộp. HVTH: Hoàng Đức Vinh -[2]-
19. Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên được đề cập bởi nhà khoán vật học người Pháp René Just Haüy 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, tô-pa và muối Rochelle. Tuy nhiên anh em nhà Curies đã không tiên đoán được hiệu ứng áp điện nghịch. Hiệu ứng áp điện nghịch được suy luận toán học từ nguyên lý nhiệt động học bới Gabriel Lippmann vào năm 1881. Vài thập niên tiếp sau, đã có nhiều nghiên cứu nhằm khám phá và định nghĩa các cấu trúc tinh thể về hiện tượng 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 nói về 20 loại tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và ông ta đã định nghĩa một cách chặt chẻ các hắng số áp điện mà sử dụng trong việc thí nghiêm phân tích kéo nén [9]. Ứng dụng đầu tiên là thiết bị phát hiện tàu ngầm được 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 công. Nó 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 nó dần được kham phá và phát triển. Crawley and de Luis đưa ra các lợi ích của các thiết bị áp điện trong các cấu trúc thông minh bằng việc phát triển mô hình mô tả ứng sử động học và tĩnh của hệ thống [11]. Mã phần tử hữu hạn được phát triển bởi Ha et al. có 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 dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động. Lin et al. đưa ra mô hình phần tử hữu hạn cho việc điều khiển độ võng của tấm được mô hình thành phần tử tấm đẳng tham số với các bộ kích áp điện dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc một [13]. Chúng đươc thể hiện thông qua một vài ví dụ, mô hình này đưa ra độ chính xác và tính toán các hệ số biến dạng của HVTH: Hoàng Đức Vinh -[3]-
20. Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn các trạng thái khác nhau của bộ kích được dán 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 phương pháp số của các cấu trúc thông minh với các phần tử tấm áp điện phân tích phần tử không gian và phần tử hữu 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 hướng với các điện cực đan vào nhau. Liu et al. giới thiệu công thức phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết tấm nhiều lớp cổ điển để dự đoán hồi tiếp tĩnh và động của các kết cấu tấm composite dưới các điều kiện tải trọng điện và cơ học. Các cảm biến và bộ kích áp điện được tích hợp vào cấu trúc như là một phần của vòng lặp kính sử dụng thuật toán điều khiển dựa trên hồi tiếp vận tốc âm [14]. Trên thực tế thì nó làm tăng tính giảm chấn của cấu trúc. Khối lượng và độ cứng của các lớp áp điện cũng được đưa vào tính toán. Việc nghiên cứu thông số cũng cho thấy sự ảnh hưởng khi thay đổi phương 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 được gắn vào kết cấu, các bộ kích này được làm từ vật liệu mới được gọi là vật liệu theo chức năng(FGM) Chee et al. đã giới thiệu thuật toán có tên là Buildup, một phương pháp xắp xếp hướng trong việc tối ưu hóa phương của các tấm dán áp điện cho việc điều khiển dạng tĩnh của các cấu trúc thông minh [14]. Công thức phần tử hữu hạn cho kết cấu dựa trên trường chuyển vị bậc cao kết hợp với khả năng đàn hồi tuyến tính của các lớp này. Marinkovic and Ulrich đã mô tả phương trình tổng quát của kết cấu tấm đa lớp với các tấm áp điện được dán 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 HVTH: Hoàng Đức Vinh -[4]-
21. Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn trường điện trên chiều dày của lớp áp điện), nó bao gồm phương trình tổng quát về tải trọng kích hoạt của vật liệu áp điện và tính hiệu đầu ra của cảm biến dựa trên kiên kết điện-cơ học [20]. Sau đó thành lập cộng thức phần tử hữu hạn của kết cấu sử dụng phần tử tứ giác có số bậc tự do là (5n+ne) trong đó 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 công thức giải tích về điều khiển dao động kết cấu của tấm nhiều lớp chứa từ 1-3 lớp composite có sợ chịu lực làm từ vật liệu áp điện được gắn thêm các điện cực đan vào nhau và các lớp comnposite thẳng đứng. Phương trình vi phân tổng quát của dao động dọc theo trục của dầm và theo phương ngang dựa trên lý thuyết tấm mỏng. 1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Trong bài báo của P Phung-Van, T Nguyen-Thoi, T Le-Dinh và H Nguyen- Xuan đã phân tích dao động tự do và dao động tĩnh và điều khiển động học tấm composite được tích hợp bộ kích và cảm biến bằng phương pháp làm mịn hóa góc cắt không liên tục dự trên các ô cơ bản(CS-FEM-DSG3)[5]. Trong các tấm composite có gắn tấm tinh thể áp điện này, coi điện thế là hàm tuyến tính theo chiều dày của mỗi lớp [4]. Thuật toán điều khiển hồi tiếp của chuyển vị và vận tốc được sử dụng để điều khiển hồi tiếp động học và biến dạng tĩnh của tấm thông qua việc điều khiển vòng lặp kính với các cảm biến và bộ kích áp điện được phân bố trên tấm. Độ chính xác và tin cậy của phương pháp đưa ra được kiểm tra thông qua việc so sánh với lời giải phương pháp số. 1.2. Mục đích của đề tài. Đề tài liên quan đến việc phân tích sự biến dạng và dao động của tấm thép thông qua việc gắn các cảm biến áp điện tại các vị trị khác nhau trên tấm thép để thu nhận các tín hiệu do cảm biến áp điện phát ra. Từ các tín hiệu này bằng các phương pháp nội suy và các thuật toán điều khiển nhằm tính toán để làm giảm dao động sinh ra. Có thể điều khiển tối ưu về hình dáng của tấm thép hoặc HVTH: Hoàng Đức Vinh -[5]-
22. S K L 0 0 2 1 5 4