phân tích quá trình ứng xử tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHÁNH BÌNH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ỨNG XỬ TẤM COMPOSITE VỚI BỘ KÍCH HOẠT BẰNG TINH THỂ ÁP ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHÁNH BÌNH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ỨNG XỬ TẤM COMPOSITE VỚI BỘ KÍCH HOẠT BẰNG TINH THỂ ÁP ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN KHÁNH BÌNH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ỨNG XỬ TẤM COMPOSITE VỚI BỘ KÍCH HOẠT BẰNG TINH THỂ ÁP ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I Lý lịch sơ lƣợc Họ & tên: NGUYỄN KHÁNH BÌNH Giới tính: Nam Ngày 09, tháng 09, năm sinh: 1986 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Gia Lai Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 35/28, Đường Hữu Nghị, Phường Bình Thọ, Quận Thủ Đức, TP.Hồ Chí Minh Điện thoại nhà riêng: 0902411860 E-mail: nguyen.kb222@gmail.com II Quá trình đào tạo Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 06/2009 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Số Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Cao học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 10/2014 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Số Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí III Quá trình công tác chuyên môn kể từ tốt nghiệp đại học Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009 – 2012 Công ty TNHH sản xuất, thương mại cầu trục, nhà xưởng Thái Hòa Nhân Viên Kỹ Thuật IV Các công trình công bố liên quan đến đề tài: Nguyen Khanh Binh, Hoang Duc Vinh, Nguyen Hoai Son, Phan Ha Nhut: “Mechanical behavior analytical solution for static analysis of composite laminates induced by piezoelectric actuators” i LỜI CÁM ƠN Lời xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận án Thầy thực nhà khoa học mẫu mực, quan tâm, động viên khích lệ gặp khó khăn công việc sống, học trò chia thất bại lẫn thành công Thầy truyền cho hứng thú niềm hạnh phúc lớn lao nghiên cứu khám phá khoa học, biết vượt qua khó khăn để vươn tới Được làm việc với thầy, học thầy tinh thần tận tụy với học trò nghiêm túc nghiên cứu khoa học, mai sau Trong suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp, xin chân thành cám ơn quí thầy cô phụ trách chương trình đào tạo thạc sỹ truyền đạt kiến thức quí báu,cung cấp nguồn tài liệu đầy đủ kịp thời, đồng thời xin cám ơn nhận động viên giúp đỡ tập thể cán Khoa Xây Dựng Cơ Học Và Ứng Dụng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật tạo điều kiện để hoàn thành chương trình đào tạo bậc cao học Tôi mong muốn cám ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành cám ơn! TP.HCM, tháng 08 năm 2014 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác TP.HCM, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (ký ghi rõ họ tên) NGUYỄN KHÁNH BÌNH iii TÓM TẮT Phân tích ứng xử học composite với kích hoạt tinh thể áp điện Trong luận văn này, xác định chuyển vị composite lớp gây kích hoạt áp điện, hiệu ứng kết hợp thuộc tính học điện vật liệu áp điện đề cập cho ứng dụng điện chúng cảm biến kích hoạt Trong luận văn này, hai kích hoạt áp điện dán đối xứng qua bề mặt liên kết composite phân lớp Điện áp điện với cường độ giống dấu hiệu ngược kích hoạt vào hai kích hoạt áp điện dán composite lớp, dẫn tới gây momen uốn composite lớp Momen uốn thu từ thuyết phân lớp cổ điển áp điện Phương pháp phân tích chuyển vị uốn composite với liên kết tựa đơn phụ thuộc vào momen uốn giải cách sử dụng thuyết Ảnh hưởng kích thước vị trí kích hoạt áp điện phản ứng composite lớp trình bày thông qua phương pháp nghiên cứu tham số Một mô hình kết hợp đơn giản thuyết lớp cổ điển thuyết trình bày để dự báo dạng biến dạng hỗ trợ đơn Đặc trưng điều khiển chuyển vị uốn minh họa cách phân bố kích hoạt áp điện vị trí khác Phương pháp mô tính toán làm tiền đề cho ứng dụng vào thực nghiệm sản xuất thực tế iv ABSTRACT Mechanical behavior of the composite laminate plate excited by the bonded piezoelectric actuators In this thesis, the author determined deflection of cross-ply composite laminates induced by piezoelectric actuators The coupling effects between 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 across-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 effects of the size and location of the piezo 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 The feasibility of controlling the deflected shape of the plate is illustrated by placing the actuators at various locations Keywords: piezoelectric actuator, bending moment, classical plate theory, composite material v MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN x DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN .xii CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 Cơ sở khoa học thực tiễn Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết cấu đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN Giới thiệu vật liệu composite Giới thiệu vật liệu áp điện 11 Tình hình nghiên cứu nước 16 3.1 Tình hình nghiên cứu nước 16 3.2 Tình hình nghiên cứu nước 21 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 Lý thuyết mỏng 23 Quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu composite 25 2.1 Quan hệ ứng suất biến dạng lớp vật liệu composite 25 2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng nhiều lớp vật liệu composite 29 2.2.1 Trường chuyển vị 30 vi 2.2.2 Trường biến dạng 30 2.2.3 Trường Ứng Suất 31 2.2.4 Các Thành Phần Nội Lực 32 Những phương trình vật liệu áp điện 34 3.1 Sự Phân Cực 34 3.2 Sự Áp Điện 36 3.3Sự Áp Điện Tuyến Tính 36 3.4Lớp Áp Điện 38 3.4.1 Lớp Đơn Trong Ứng Suất Phẳng 39 3.4.2 Đa Lớp 41 Quan hệ ứng suất biến dạng composite có lớp áp điện 42 4.1 Momen Uốn 43 4.2 Độ Lệch Của Tấm Composite Với Sự Kích Hoạt Áp Điện 50 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 Bài toán áp dụng 54 1.1 Bài toán 54 1.2 Bài toán 60 1.3 Bài toán 61 Bài toán áp dụng 65 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 Kết luận 69 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 74 PHỤ LỤC 84 vii phân lớp, hình dạng làm biến dạng phân lớp phân tích dự đoán Trong toán uốn tĩnh ta có vị trí gắn miếng áp điện composite cho kết chuyển vị lớn cạnh composite đặt gối tựa đơn Tăng diện tích miếng gắn áp điện làm thay đổi nhiều độ võng composite so với việc tăng độ dày miếng áp điện có thể tích Góc sợi lớp composite ảnh hưởng đến độ võng kết cấu composite, Khi áp đặt mức điện miếng áp điện gắn composite Các Kết Quả Đạt Đƣợc: Mô hình hóa vật liệu composite lớp bao gồm hai kích hoạt áp diện dán đối xứng qua composite lớp phụ thuộc điện áp Xác định momen uốn composite sinh đặt điện vào kích hoạt áp điệnbằng cách kết hợp thuyết composite lớp hiệu ứng áp điện Xác định chuyển vị composite với kích hoạt áp điện gối tựa đơn cạnh cách sử dụng hàm bậc thang đơn vị, với thuyết cổ điển, phương trình vi phân composite, phương pháp chuỗi lượng giác kép Navie Phương pháp tính cho phép tính loạt toán kết cấu hình chữ nhật chịu uốn đặt kích hoạt áp điện vị trí composite Điều khiển độ võng mong muốn composite cách áp đặt mức điện phù hợp vào miếng áp điện gắn lên tấm, tăng độ dày kích hoạt áp điện Kiến nghị Cơ học vật liệu composite lĩnh vực rộng lớn khó khăn việc giải vấn đề tính chất suy biến Trong giới hạn đề tài, tác giả giải vài mô hình cụ thể đơn giản phạm vi học đàn hồi tuyến tính, nên đề tài chưa nghiên cứu đầy đủ, cần tiếp tục nghiên cứu theo hướng sau: 71 - Sử dụng lý thuyết bậc cao hay lý thuyết lớp liên tiếp tính toán tĩnh kết cấu tấm/ vỏ composite dày có gắn lớp hay miếng áp điện - Nghiên cứu ứng xử học của kết cấu tấm/vỏ composite áp điện có tính đến tương tác – điện – từ trường – nhiệt độ v.v - Tính toán tối ưu điều khiển hình dáng, dao động, triệt tiêu dao động tấm/vỏ composite có gắn miếng áp điện - Nghiên cứu thực nghiệm quy mô tĩnh động, điều khiển kết cấu composite có gắn miếng áp điện 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn (chủ biên), “Phương Pháp Tính-Ứng Dụng Trong Tính Toán Kỹ Thuật” , Nhà Xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh 2011 [2] Nguyễn Hoài Sơn (chủ biên), “ Ứng Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Trong Tính Toán Kết Cấu”, Nhà Xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh 2011 [3] Chu Quốc Thắng,” Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn” Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật” , 1997 [4] Nguyễn Văn Vượng,“Lý Thuyết Đàn Hồi Ứng Dụng” Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 1999 [5] Trần Ích Thịnh – Ngô Như Khoa, “ Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn” Hà Nội 2007 [6] Trần Công Nghị “Độ Bền Kết Cấu Vật Liệu Composite” nhà xuất đại học quốc gia thành phố hồ chí minh, 2004 [7] Thân Trọng Huy “Nghiên cứu chế tạo tính chất gốm áp điện [(1x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3]x = ÷ 12%mol (PZT-PMnN) pha tạp la” luận văn tiến sỹ khoa học vật liệu [8] Phùng Văn Phúc-Nguyen Thoi Trung (2013)”Static and free vibration analyses and dynamic control of composite plates integrated with piezoelectric sensor and actuators by the cell- based smoothed discrete shear gap method [9] Tran Ich Thinh-Lê Kim Ngọc(2006) (“ Phân tích học vật liệu composite áp điện”) Tiếng Anh [10] Wang, Q.; Quek, ST repair of Delaminated beams via piezoelectric patches Smart mater Struct 2004, 13, 1222-1229 [11] Tua, P.S.; Quek, S.T.; Wang, Q Detection of cracks in plates using piezoactuated lamb waves Smart mater Struct 2004, 13, 643-660 73 [12] Meressi T and B 1993 buckling control of a flexible beam using piezoelectric actuator J Guid Control Dyn 16 977-80 [13] Vicent Piefort “Finite Element Modelling Of Piezoelectric Active Structure” Faculty Of Applied Sciences, Universite Libre De Bruxelles [14]Wen-Hui Duan, Quan Wan, Ser Tong Quek “Applications Of Piezoelectric Materials In Structural Health Moritoring And Repair: Selected Research Examples”, Department Civil Engineering, Monash University, Clayton, Victoria, 3800, Australia [15]Wang, Q and Quek S 2005 Repair of cracked column under axially compressive load via piezoelectric patch comput Struct 83 1355-63 74 PHỤ LỤC 180mm 200mm Hình6.12: Chia lưới kết cấu Phần 1: Khai báo biến clc clear all global SF phis1 phis2 phis3 AA BB Kuu diem Ksaouu Muu CaCd global ELF ELK ELM ELKel F syms x1 x2 x3 x4 x y1 y2 y3 y4 y real Phần 2: Khai báo thông số đầu vào NX= 16;%so phan tu theo truc x NY=15; %so phan tu theo truc y P=[1 x y x^2 x*y y^2 x^3 x^2*y x*y^2 y^3 x^3*y x*y^3]; exy=[x1 y1;x2 y2;x3 y3;x4 y4]; XX=[];XX=[XX; P; diff(P,y); -diff(P,x)]; %ma tran ứng xử XX=inline(XX); X=[]; for i=1:4 X=[X;XX(exy(i,1),exy(i,2))]; tạo hàm dạng end X=inline(X); Lk=[diff(diff(P,x),x);diff(diff(P,y),y);2*diff(diff(P,x),y)]; Lm=[P; diff(P,x); diff(P,y)]'; Ea=69*10^9;va=0.3;Da=Ea/(1-va^2)*[1 va 0;va 0;0 (1-va)/2]; 75 Ep=63*10^9;vp=0.29;Dp=Ep/(1-vp^2)*[1 vp 0;vp 0;0 (1-vp)/2]; ea=[0 0 ;0 0 ;-12.5 -12.5 ]; zetaa=[1.6 0;0 1.6 0; 0 1.6]*10^-8; zetas=[1.06 0;0 1.06 0; 0 1.06]*10^-10; hs=0.205*10^-3;ha=0.254*10^-3;hp=1*10^-3;Bza=[0 1/ha]';Bzs=[0 1/hs]'; Lxs=0.1;Lys=0.1;Lxa=0.1;Lya=0.1;Lxp=0.6;Lyp=0.4; rhoa=7600;rhop=7800; h1=ha*(hp/2+ha/2)^2+ha^3/12; h2=hp^3/12; Ha=[ha 0;0 h1 0;0 h1]; Hp=[hp 0;0 h2 0;0 h2]; % N=P*X^-1 phi=[0-4545 45 -45 0]; %góc composite % luc phan bo F la deu F=100; %tao luoi vuong24x16 IEL=1; %chia luoi tu gia NPE=4;%nut tren moi phan tu XL=Lxp;YL=Lyp;NDF=3;%bactu tren 1nut for I=1:NX DX(I)=XL/NX; end for I=1:NY DY(I)=YL/NY; end X0=0;Y0=0; [NOD,GLXY,NNM,NEM]=MSH2DR(IEL,NX,NY,NPE,DX,DY,X0,Y0); NEQ=NNM*NDF;%tong bac tu cua he NN=NPE*NDF;%tongbac tu cua phan tu Phần 3: Khai báo điều kiện biên % dieu kien bien -%1 la ngàm, %[tongbactudo,phan tu&dof=0,gitriBC]=bcgen4(NOD,GLXY,NNM,NEM,1,1,1,1,XL,YL); [NSPV,ISPV,VSPV]=bcgen4(NOD,GLXY,NNM,NEM,1,1,1,1,XL,YL); NSSV=0 ;ISSV=0; VSSV=0; % for I=1:NSPV % BCDOF(I)=ISPV(I,1)*3+ISPV(I,2)-3; 76 % end NHBW=0; for N=1:NEM for I=1:NPE for J=1:NPE NW=(abs(NOD(N,I)-NOD(N,J))+1)*NDF; if NHBW