Phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với tinh thể áp điện bằng các hiệu ứng về cảm biến

vi MCăLC Trang tựa TRANG LụăLCHăKHOAăHC i LIăCAMăĐOAN ii LIăCMăT iii TịMăTT iv MCăLC vi DANHăSÁCHăCÁCăCHăVITăTT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANHăSÁCHăCÁCăBNG xiii CHNG 1: TNGăQUAN 1 1.1. Tngăquanăchungăvălƿnhăvựcănghiênăcu,ăcácăktăquănghiênăcuătrongăvƠă ngoƠiăncăđƣăcôngăb. 1 1.2. McăđíchăcaăđătƠi. 5 1.3. NhimăvăcaăđătƠiăvƠăgiiăhnăđătƠi. 6 1.4. Phngăphápănghiênăcu. 6 CHNG 2: CăSăLụăTHUYT 8 2.1. Giiăthiuăchungăvăc hcăvtărn 8 2.1.1. Lực, chuyn vị, bin dng vƠ ng suất 8 2.1.2. Nghuyên lý cực tiu hóa th năng toƠn phần 9 2.2. GiiăthiuăchungăvălỦăthuytătm 10 2.2.1. Lý thuyt tấm Kirchoff 10 2.2.1.1. Phần tử tấm Kirchoff chịu un 13 2.2.2. Phần tử tấm Mindlin chịu un 20 2.2.3. Phần tử t giác 23 2.2.3.1. HƠm dng 24 2.2.3.2. Ma trận đ cng phần tử 26 2.2.3.3. Qui đổi lực về nút 28 2.2.3.4. Tích phơn s 28 2.2.3.5. Tính ng suất 33 2.3. GiiăthiuăchungăvălỦăthuytăvtăliuăápăđin 34 vii 2.3.1. Giới thiu chung 34 2.3.2. Lịch sử phát trin vƠ hình thƠnh 34 2.3.3. Phơn loi vật liu áp đin 36 2.3.3.1. Vật liu có mng tinh th đn 36 2.3.3.2. Gm áp đin 36 2.3.3.3. Ploymers áp đin 38 2.3.3.4. Composite áp đin 38 2.3.3.5. MƠn áp đin mỏng 39 2.3.4. Cm bin áp đin 39 2.3.5. B kích áp đin 40 2.3.6. ng dng ca vật liu áp đin 42 2.3.7. ThƠnh lập các phưng trình c bn ca vật liu áp đin 44 2.3.7.1. Các h s áp đin 51 2.3.7.2. Tưng tác đa trưng ca vật liu áp đin 54 2.4. LỦăthuytăchungăvăđiuăkhin 56 2.4.1. Lịch sử phát trin vƠ hình thƠnh 56 2.4.2. S đ khi h thng điều khin tự đng đin hình. 56 2.4.3. Phơn loi h thng điều khin tự đng. 58 2.4.4. Các phưng pháp mô t đng học h thng điều khin tự đng 59 2.4.4.1. HƠm truyền đt ca h thng 59 2.4.4.2. Phưng trình trng thái mô t h thng 60 CHNG 3: THĨNHăLPăCỌNGăTHCăPHNăTăHUăHN 63 3.1. Mô hình và bài toán 63 3.2. ThƠnhălpăcôngăthcăcaăvtăliuăápăđin 67 3.3. ThƠnhălpăcácămaătrnăcaăphnătăhu hn 69 3.3.1. Giới thiu 69 3.3.2. Công thc năng lưng 69 3.3.3. Nguyên lý bin phơn 69 3.3.4. Chuyn đổi ma trận trong chiu tọa đ địa phưng vƠ toƠn cc 73 3.4. Phơnătíchătƿnhămôăhình 74 viii 3.5. PhơnătíchăđngăhcăvƠăđiuăkhin 75 CHNG 4: KTăQUăVĨăTHOăLUN 77 4.1. ÁpădngăbƠiătoánăđiuăkhinăchăđngătmăthép 77 4.2. Ktăquăphơnătíchătƿnh 78 4.3. Ktăquăphơnătíchăđngălựcăhc 80 CHNGă5: KTăLUNăVĨăKINăNGH 87 5.1ăKtălun 87 5.2ăHngăphátătrin 87 TĨIăLIUăTHAMăKHO 89 PHăLC 92 Codeăphnătăhu hn 92 ix DANHăSÁCHăCÁCăCHăVITăTT KụăHIU ĐNăV a Mt nửa chiều dƠi theo phưng x m A Din tích m 2 b Mt nửa chiều dƠi theo phưng y m C Hằng s đƠn hi N/m 2 C s Đin dung ca cm bin áp đin F D Véc-t chuyn vị đin C/m 2 e H s ng suất áp đin C/m 2 E Mô-đun đƠn hi N/mm 2 f Lực N h Chiều dƠy m K Ma trận đ cng M Ma trận khi lưng q Véc-t trưng chuyn vị q i Trưng chuyn vị nút m T Đng năng J u Trưng chuyn vị theo phưng x m U Th năng J v Trưng chuyn vị theo phưng y m V Th tích m 3 w Trưng chuyn vị theo phưng z m W Công J  Bin dng m/m  ng suất N/m 2 v H s Poisson  Hằng s đin môi C/(Vm)  Véc-t chuyn vị nút m x  Đin th V f Tần s Hz  Khi lưng riêng ca vật liu kg/m 3 KỦăhiuăbênădi a Ca b kích s Ca cm bin p Ca tấm sa Đin th sinh ra ca b kích x Liên quan đn trc x y Liên quan đn trc y qq Liên quan đn đ cng q  Liên quan đn đ cng áp đin  Liên quan đn đ cng đin môi KỦăhiuăbênătrên e Liên quan đn phần tử S Liên quan đn bn dng hằng s T Ma trận chuyn h tọa đ xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Ni lực trên phần tử tấm chịu un 11 Hình 2.2: Phần tử t giác Kirchoff 13 Hình 2.3: Phần tử t giác 4 nút 23 Hình 2.4: Cầu phưng 1 đim Gauss 30 Hình 2.5: Đim Gauss theo qui tắc tích phơn 2 đim 33 Hình 2.6: Tinh th áp đin 37 Hình 2.7: Sự phơn cực ca vật liu áp đin 38 Hình 2.8: ng sử ca vật liu áp đin khi chịu kích thích bên ngoƠi 38 Hình 2.9: Cm bin áp đin 39 Hình 2.10: Lớp áp đin đưc dán lên lớp đƠn hi 41 Hình 2.11: Tấm dán actuator LaRC-MFC đưc to ra bi NASA-Langley năm 2000 43 Hình 2.12: GiƠy có th tích đin năm 1996 43 Hình 2.13: Cặp deo có dơy đai áp đin năm 2007 44 Hình 2.14: (a) mô t áp đin tuyn tính N215 (b) B áp đin khiều khin vị trí theo chiều dài nanomet 44 Hình 2.15: Sự phơn cực ca vật liu áp đin 45 Hình 2.16: Qui ước trc vƠ s 46 Hình 2.17: Phơn loi ma trơn liên kt áp đin 50 Hình 2.20: Sự phơn cự bằng lực c học 52 Hình 2.21: Nhit đng lực học 55 Hình 2.22: S đ khổi h thng điều khin đin hình 57 Hình 2.23: S đ cấu trúc tổng quát theo phưng trình trng thái ca h liên tc 61 Hình 3.1: H tọa đ ca phần tử tấm đưc tích hp vật liu áp đin 63 Hình 3.2: Tấm bị un công do tác dng ca các lực kéo nén 68 xii Hình3.3: Lưới phần tử 74 Hình 3.4: Mô hình điều khin ch đng tấm 75 Hình 4.1: Chia lưới phần tử 77 Hình 4.2: Hình biên trái lƠ đ thi chuyn vị ca bƠo báo hình bên phi ca luơn văn 79 Hình 4.3: Hình bn phi lƠ li gii ca luận văn hình bên trái lƠ li gii ca bƠi báo 79 Hình 4.4 Hình bn phi lƠ li gii ca luận văn hình bên trái lƠ li gii ca bƠi báo 80 Hình 4.5: Tần s dao đng tự do lƠ f= 137.8899 Hz 81 Hình 4.6: Tần s dao đng tự do là f= 266.2161Hz 81 Hình 4.7: Tần s dao đng tự do lƠ f=428.9289 Hz 82 Hình 4.8: Tần s dao đng tự do lƠ f=479.3850 Hz 82 Hình 4.9: nh hưng ca h s Gv đn rung đng ca tấm 83 Hình 4.10: Mô hình bài toán 83 Hình 4.11: Đ thị đ võng 84 Hình 4.12: Đ thị đ võng ti x=Ly/2 84 Hình 4.13: Đ thị đ võng ti đim N 84 Hình 4.14: Chia lưới 84 Hình 4.15: Đ thị chuyn vị ti phần tử 204 84 xiii DANHăSÁCHăCÁCăBNG BNG TRANG Bngă2.1: Xác định hƠm ni suy trong h tọa đ tự nhiên 16 Bngă2.2: Đim Gauss vƠ hƠm trọng lưng 31 Bngă3.1: Thuc thính ca vật liu 78 Bngă3.2: So sánh kt qu đin th với kt qu phưng pháp s vƠ bƠi báo J. F. Ribeiro and V. Steffen 80 Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn HVTH: Hoàng Đức Vinh -[1]- Chngă1 TNGăQUAN 1.1. Tngăquanăchungăvălƿnhăvựcănghiênăcu,ăcácăktăquănghiênăcuătrongă vƠăngoƠiăncăđƣăcôngăb.ă 1.1.1. Tngăquanăchungăvălƿnhăvựcănghiênăcu NgƠy nay, thép tấm đưc sử dng rng ri trong các công trình xơy dựng cầu đưng, nhƠ xưng công nghip vƠ trong nghƠnh công nghip đóng tƠu. Thép tấm có các đặc tính c học như dẻo, d un, d dập vƠ cán định hình [5]. Tùy thuc vƠo chiều dày ca chúng mƠ có những ng dng c th khác nhau, ví d các tấm thép có chiều dƠy lớn đưc sử dng trong lĩnh vực xơy dựng cầu đưng vƠ nghƠnh cng nghip đóng tƠu còn các tấm thép có chiều dƠy nhỏ dùng lƠm các mặt bề mặt áp bên ngoƠi ca các máy móc sn phẩm dơn dng. Như chúng ta đã bit các chi tit dng tấm thì có chiều dƠy nhỏ do đó khi chịu tác dng ca các ngoi lực thì chúng s bin dng, nu lƠ ti tuần hoƠn hoặc có chu kỳ thì s gơy ra rung đng hoặc dao đng lƠm nh hưng đn kt cấu ca tấm thép vƠ nu thi gian tác dng lơu dƠi thì chi tit s bị mỏi vƠ bị phá hy gơy tác đng không tt đn h thng. Vic ngăn chặn các dao đng tn ti bên trong tấm thép s giúp cho chúng không bị rung đng vƠ giúp cho h thng thêm vng chắc không bị phá hy. Đ trit tiêu hoặc lƠm gim các dao đng suất hin không mọng mun nƠy ngưi ta đã dán các tấm cm bin áp đin lên tấm thép cần kho sát sau đó thu nhận các tín hiu từ các tấm dán này và kích những xung đin tưng ng đ khử vƠ lƠm gim các bin dng vƠ dao đng ca chúng. Đ điều khin đưc các bin dng vƠ dao đng có nhiều cách khác nhau như: điều khin h thng ch đng, điều khin h thng bị đng, điều khin h thng bán ch đng. Điều khin h thng bị đng lƠ h thng không yêu cầu ngun năng lưng bên ngoƠi đ lƠm vic, nó lƠm gim năng lưng dao đng Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn HVTH: Hoàng Đức Vinh -[2]- thông qua các c cấu c học khác nhau như: c cấu ma sát trưt, lò xo, tấm nhíp, gim chấn … Nu các tấm tinh th áp đn đưc dán lên cấu trúc thì các tín hiu nhiu đưc chuyn đổi thƠnh năng lưng đin cái mƠ có th bị trit tiêu hoặc đưc chuyn đổi thông qua bo mch trước khi h thng c học quay li trng thái ban đầu. Các lực điều khin ca h thng điều khin bị đng đưc sử dng từ chuyn đng ca kt cấu. Do h s tiêu tán năng lưng lớn nên kỹ thuật điều khin bị đng thông thưng đưc sử dng trong các ngƠnh kỹ thuật xơy dựng. Tuy nhiên như đã nói kỹ thuật điều khin bị đng nƠy bị giới hn trong các ng dng ca ngƠnh hƠng không vƠ ô tô do khi lưng vƠ th tích ca chúng nh hưng đn tần s dao đng chung ca h thng. Điều khin h thng ch đng đưc xem như lƠ mt trong những lĩnh vực có nhiều ý nghĩa vƠ thử thách trong nghiên cu các kt cấu kỹ thuật trong những năm gần đơy [5]. Điều khin dao đng ch đng đưc xem như lƠ mt công ngh mƠ lƠm cho dao đng ca các cấu trúc đưc gim xung hoặc điều khin đưc dao đng thông qua vic đặt các lực k, cm bin vƠ b kích vƠo các kt cấu cần kho sát ti những ch thích hp đ trit tiêu biên đ dao đng. VƠo những thập niên gần đơy ngưi ta đã đƠo sơu nghiên cu vƠo các vật liu thông minh đặc bit lƠ vật liu áp đin. Đơy lƠ vật liu mang nhiều tính chất quý báu mƠ  các vật liu thông thưng không có, vật liu nƠy s phát ra mt ngui đin khi có mt ng suất c học tác đng vƠo nó vƠ ngưc li khi có dòng đin tác đng vƠo nó thì nó s sinh ra chuyn vị tưng ng với hiu đin th đã đặt vƠo. Ngưi ta đã ng dng tính chất nƠy đ điều khin chuyn vị ca các chi tit chịu bin dng vƠ rung đng trong c khí vƠ xậy dựng. 1.1.2. CácănghiênăcuăncăngoƠi Nghiên cu về tấm đn vƠ tấm nhiều lớp lƠ các lĩnh vực nghiên cu thú vị có nh hưng mnh mẻ tới ngƠnh c học liên tc. Thực nghim về dao đng tấm đưc thực hin bi Chladni vƠo năm 1802 [8]. Sau sự khi đầu ca ông Chladni đã có nhiều nhƠ nghiên cu tip tc cng vic nghiên cu ca ông với các chi tit dng tấm vƠ hp. [...]... n Phơn tích, xơy dựng mô hình cho quá trình điều khi n ch đ ng đi n áp đầu vƠo (actuator) đư c dán phía trên tấm thép dựa trên tính hi u đi n áp đầu ra c a c m bi n (sensor) trong quá trình lƠm vi c Đ lƠm đư c điều nƠy thì cần ti n hƠnh thực nghi m về quá trình bi n d ng c a tấm thép với các t i bên ngoƠi Thí nghi m đư c mô t như sau: xét tấm thép mỏng đư c c định xung quanh, dán các c m bi n áp đi... với k t qu s c a bƠi báo đã công b Đề tƠi dừng l i vi c phơn tích tính hi u đầu vƠo c a các c m bi n nhằm đề x ng các phư ng pháp điều khi n Phư ng pháp phần từ hữu h n sử d ng phần tử t giác đ tính toán vƠ chia lưới cho tấm thép 1.4 Ph ngăphápănghiênăc u Thông qua quá trình thực nghi m vƠ phần mền lập trình đ phơn tích quá trình đi u khi n ch đ ng tấm thép thông qua các c m bi n áp đi n Đ phơn tích. .. lên tấm thép các vị trí khác nhau sau đó dùng t i tuần hoƠn hoặc c định tác đ ng vƠo tấm thép khi bị bi n d ng tấm áp đi n s sinh ra đi n áp vƠ đi n áp nƠy đư c đưa vƠo b khu ch sau đó đư c đưa vƠo b điều khi n đ điều khi n tr l i tấm thép Code lập trình phần tử hữu h n (FEM) đư c đưa ra dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB đ tính toán đ võng vƠ bi n d ng c a tấm thép đư c dán tấm áp đi n vƠ b kích áp. .. chịu u n Các phư ng trình PTHH đ i với các k t cấu tấmvỏ thư ng ph c t p h n nhiều so với các d ng k t cấu khác Phần nƠy s giới thi u về hai lý thuy t tấm đư c sử d ng phổ bi n trong các bƠi toán k t cấu tấm- vỏ: lý thuy t tấm kinh đi n c a Kirchoff (gọi tắt lƠ tấm Kirchoff) vƠ lý thuy t tấm bậc nhất c a Mindlin (gọi tắt lƠ tấm Mindlin) [4] Các thuật toán PTHH đ i với tấm chịu u n tư ng ng với hai lý... a tấm thông qua vi c điều khi n vòng lặp kính với các c m bi n vƠ b kích áp đi n đư c phơn b trên tấm Đ chính xác vƠ tin cậy c a phư ng pháp đưa ra đư c ki m tra thông qua vi c so sánh với l i gi i phư ng pháp s 1.2 M căđíchăc aăđ ătƠi Đề tƠi liên quan đ n vi c phơn tích sự bi n d ng vƠ dao đ ng c a tấm thép thông qua vi c gắn các c m bi n áp đi n t i các vị trị khác nhau trên tấm thép đ thu nhận các. .. các c m bi n áp đi n Đ phơn tích quá trình tác đ ng ngo i lực vƠo tấm thép ta sử d ng các c m bi n áp đi n dán lên tấm thép, với đặc tính c đi n c a vật li u nƠy nó chuy n đổi tín hi u c học thƠnh tính hi u đi n vƠ ngư c l i từ tín hi u nƠy chúng ta xử lý vƠ điều khi n ngư c l i tấm thép thông qua b kích áp đi n Đ lƠm điều nƠy cần ph i có hi u bi t về tấm, bi n d ng tấm, lý thuy t bi n d ng cắt bậc... tín hi u do c m bi n áp đi n phát ra Từ các tín hi u nƠy bằng các phư ng pháp n i suy vƠ các thuật toán điều khi n nhằm tính toán đ lƠm gi m dao đ ng sinh ra Có th điều khi n t i ưu về hình dáng c a tấm thép hoặc HVTH: Hoàng Đức Vinh -[5]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn sau khi phơn tích các tín hi u đầu vƠo ta có th dùng b kích đ tri t tiêu các dao đ ng c a tấm thép 1.3 Nhi măv ăc aăđ... về điều khi n vƠ tri t tiêu dao đ ng bằng phư ng pháp s c a các cấu trúc thông minh với các phần tử tấm áp đi n phơn tích phần tử không gian vƠ phần tử hữu h n Bent đã giới thi u vật li u composite ch a các s i ch đ ng cho b kích vƠ c m bi n c a cấu trúc k t h p với các s i PZT thƠnh các ma trận t o ra kh năng tích h p cao vƠ các vật li u b kích bất đẳng hướng với các đi n cực đan vào nhau Liu et al... D  D 12 Các phư ng trình cơn bằng (cơn bằng mômen đ i với các tr c x, y vƠ cơn bằng lực đ i với tr c z, đư c suy ra từ điều ki n cơn bằng tĩnh học c a phần tử tấm (Hình 2.1) Sau khi đã bỏ qua các thƠnh phần bậc cao, ta thu đư c các phư ng trình cơn bằng sau:  M x M xy   Qx  0  x y   M xy M y    Q y  0 x y   Qx Q y   p0   x y  (2.17) Trong đó, Qx và Qy lƠ các lực cắt... nghiên c u nhằm khám phá vƠ định nghĩa các cấu trúc tinh th về hi n tư ng áp đi n Đỉnh cao c a quá trình nghiên c u lƠ vƠo năm 1910 với sự xuất b n cu n sách Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik, cu n sách nói về 20 lo i tinh th tự nhiên có kh năng áp đi n vƠ ông ta đã định nghĩa m t cách chặt chẻ các hắng s áp đi n mƠ sử d ng trong vi c thí nghiêm phơn tích kéo nén [9] ng d ng đầu tiên lƠ thi . lập trình đ phơn tích quá trình điu khin ch đng tấm thép thông qua các cm bin áp đin . Đ phơn tích quá trình tác đng ngoi lực vƠo tấm thép ta sử dng các cm bin áp đin dán lên tấm. trên tấm thép dựa trên tính hiu đin áp đầu ra ca cm bin (sensor) trong quá trình lƠm vic. Đ lƠm đưc điều nƠy thì cần tin hƠnh thực nghim về quá trình bin dng ca tấm thép với các. xét tấm thép mỏng đưc c định xung quanh, dán các cm bin áp đin lên tấm thép  các vị trí khác nhau sau đó dùng ti tuần hoƠn hoặc c định tác đng vƠo tấm thép khi bị bin dng tấm áp đin