(Luận án tiến sĩ) ứng dụng vật liệu áp điện trong đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LƯU QUỲNH HƯỜNG ỨNG DỤNG VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TRONG ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Chun ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Nguyễn Tiến Khiêm TS Trần Thanh Hải Hà Nội – 2021 i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới quý thầy hướng dẫn khoa học GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm TS Trần Thanh Hải tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án Trong trình thực luận án, tác giả nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi lãnh đạo tập thể cán bộ, nhà khoa học Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học công nghệ Việt Nam Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành giúp đỡ Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu - Trường Đại học Thủy lợi, lãnh đạo Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật hạ tầng tạo điều kiện, quan tâm động viên suốt trình tác giả học tập hoàn thiện luận án Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên ủng hộ tác giả thời gian thực luận án Tác giả luận án Lưu Quỳnh Hường MỞ ĐẦU Đánh giá trạng thái kỹ thuật cơng trình hay gọi kiểm tra sức khỏe cơng trình (Structural Health Monitoring), cốt lõi việc dị tìm, phát khuyết tật, hỏng hóc gọi Chẩn đoán hư hỏng kết cấu (Structural Damage Detection), việc quan trọng trình khai thác sử dụng Trước hết đảm bảo an tồn cho cơng trình quan trọng lị phản ứng hạt nhân hay máy bay dân dụng, sau cho phép ta sửa chữa phục hồi để nâng cao tuổi thọ cơng trình Trong việc dị tìm khuyết tật, nay, phương pháp thử nghiệm động (Dynamic Testing Method) tỏ có hiệu Nội dung bao gồm cơng việc: Tạo kích động (Actuator); Đo đạc đáp ứng (Response) cuối xử lý phân tích số liệu tải trọng đáp ứng để chẩn đoán khuyết tật, hư hỏng tiềm ẩn bên cơng trình Các cơng việc gia tải đo đạc đáp ứng thường tiến hành thông qua việc gá lắp thiết bị thí nghiệm vào phía ngồi cơng trình Ý tưởng tự động hóa cơng việc thí nghiệm nảy sinh vật liệu gọi thơng minh (smart) đời Vật liệu có khả tạo tác động học nhờ nguồn điện tạo điện chịu tác dụng học gọi vật liệu áp điện (piezoelectric material) Như vậy, ghép nối vật liệu áp điện phận kết cấu, làm việc kết cấu với hai mục đích tạo kích động học đo đạc phản ứng học ý tưởng để thực việc tự động hóa trình thử nghiệm động nêu Bài tốn phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu đồng (homogeneous) nghiên cứu nhiều trình bày tài liệu Cawley Adams [1]; Fan Qiao [2]; Hou Xia [3]; Pandey Samman [4]; Salawu [5]; Khiem Lien [6] Nhưng việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu composite [7] Montalvão cộng , kết cấu làm từ vật liệu có lý tính biến thiên liên tục theo nhiều hướng (gọi kết cấu FGM) vấn đề quan tâm nghiên cứu Luận án tập trung vào nghiên cứu dầm FGM áp điện có vết nứt nhằm mục tiêu phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt dầm FGM sử dụng vật liệu áp điện Đối tượng phạm vi nghiên cứu dầm có lý tính biến thiên liên tục theo chiều dày theo quy luật hàm lũy thừa, có vết nứt mơ tả cặp lò xo dọc trục lò xo xoắn với độ cứng tính từ độ sâu vết nứt, gắn lớp áp điện cảm biến liên tục phân bố dọc theo chiều dài dầm (gọi tắt dầm FGM áp điện có vết nứt) Như phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn khuôn khổ kết cấu khung, dầm thường gặp thực tế xây dựng cơng trình Phương pháp nghiên cứu chủ yếu giải tích, mơ hình độ cứng động mang nửa mơ hình số gọi mơ hình giải tích mở rộng, minh họa kết số tính tốn mơi trường MATLAB Bố cục luận án sau: Luận án trình bày Chương, đó: Chương trình bày tổng quan nghiên cứu công bố vấn đề liên quan đến luận án Cụ thể, sau giới thiệu sơ qua vật liệu áp điện trình bày tổng quan việc ứng dụng vật liệu để cảm nhận điều khiển kết cấu, để chẩn đoán kỹ thuật cơng trình Tiếp theo trình bày tổng quan việc phân tích chẩn đốn hư hỏng kết cấu làm từ vật liệu có lý tính biến thiên liên tục (FGM) từ đặt vấn đề nghiên cứu luận án Chương trình bày việc xây dựng mơ hình độ cứng động cho dầm FGM áp điện, việc xây dựng mơ hình phương trình cho phân tố dầm FGM có lớp áp điện Sau tìm hàm dạng dao động tổng quát cho phân tố dầm FGM có lớp điện làm công cụ để xây dựng ma trận độ cứng động cho phần tử dầm FGM có lớp áp điện Sử dụng mơ hình độ cứng động thiết lập để xây dựng mô hình dao động dầm có miếng áp điện dầm bậc để nghiên cứu ảnh hưởng kích thước, vị trí lắp đặt miếng áp điện đến tần số riêng dầm FGM nguyên vẹn Chương trình bày mơ hình kết cấu dầm FGM có vết nứt gắn lớp áp điện sử dụng mơ hình lị xo tương đương để mơ tả vết nứt kết tính tốn đặc trưng cơ, điện dầm FGM áp điện có vết nứt làm sở để chẩn đoán vết nứt đặc trưng áp điện; Chương trình bày phương pháp đường đồng mức áp điện kết ứng dụng để chẩn đoán vết nứt dầm FGM Tài liệu tham khảo bao gồm 92 tài liệu trích dẫn luận án Kết nghiên cứu luận án cơng bố cơng trình khoa học, 02 báo quốc tế ISI, 01 đăng tạp chí Cơ học Việt Nam 01 đăng tuyển tập hội nghị học toàn quốc Đóng góp luận án tóm lược sau: Một xây dựng mơ hình độ cứng động dầm FGM có lớp áp điện sử dụng để tính tốn dao động dầm FGM có gắn miếng áp điện mơ dầm bậc; Hai xây dựng mơ hình dầm FGM có vết nứt gắn lớp áp điện áp dụng để tính tốn phân tích đặc trưng cơ, điện kết cấu dầm nêu phụ thuộc vào vị trí độ sâu vết nứt tham số vật liệu; Ba áp dụng phương pháp đường đồng mức áp điện (đường đồng mức đặc trưng gọi điện tích cảm biến dao động) để chẩn dốn vết nứt dầm áp điện Kết nghiên cứu luận án cơng bố cơng trình khoa học, 02 báo quốc tế ISI, 01 đăng tạp chí Cơ học Việt Nam 01 đăng tuyển tập hội nghị học toàn quốc, 01 đăng tuyển tập hội nghị học vật rắn CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược vật liệu áp điện ứng dụng Hiệu ứng áp điện (piezoelectric) phát Pierre Jacques Curie năm 1880, gần sử dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật Có hai loại vật liệu áp điện sử dụng rộng rãi gốm áp điện (ceramics) polyme áp điện (polymers) Gốm áp điện tiếng Lead Zirconate Titanate (PZT), phục hồi biến dạng 0,1% sử dụng rộng rãi làm kích động (actuator) cảm biến (sensor) dải tần số rộng Polyme áp điện sử dụng chủ yếu cảm biến, tiếng Polyvinylidene Fluoride (PVDF), nghiên cứu Kawai (cuối thập kỷ 60) có sẵn thị trường vào đầu thập kỷ 80 Hiệu ứng áp điện, xem chuyển đổi lượng điện lượng học, bao gồm: Hiệu ứng áp điện thuận thuộc tính vật liệu xuất điện tích (electric charge) bề mặt tác dụng áp lực học tỷ lệ với ngoại lực tác dụng Tác động áp điện thuận sử dụng rộng rãi thiết kế đầu dò (transducer) đầu đo gia tốc, vận tốc chuyển vị a) Hiệu ứng áp điện thuận b) Hiệu ứng áp điện ngược Hình 1 Các hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện ngược tượng vật liệu áp điện bị biến dạng cấp nguồn điện (điện áp) Hiệu ứng vật liệu áp điện sử dụng thiết kế kích hoạt (actuator) Nếu hiểu vật liệu thông minh loại vật liệu có khả tự cảm nhận, tự điều chỉnh để thích nghi với kích động bên ngồi, vật liệu áp điện coi loại vật liệu thông minh Rõ ràng vật liệu áp điện cảm nhận tác động bên ngồi cảm biến đồng thời có khả thay đổi trạng thái bên để thích ứng với tác động bên ngồi 1.2 Ứng dụng vật liệu áp điện đời sống kỹ thuật Đầu tiên ứng dụng xuất chiến tranh giới thứ với sonar thạch anh áp điện sử dụng để tạo sóng siêu âm (P Langevin) làm cảm biến Trong kỷ 20, việc sử dụng thạch anh để kiểm soát tần số cộng hưởng dao động đề xuất nhà vật lý người Mỹ: W G Cady Đó giai đoạn sau chiến tranh giới thứ nhất, hầu hết ứng dụng áp điện mà quen thuộc (micro, gia tốc kế, đầu dị siêu âm, uốn cong, ) hình thành Sự phát triển điện tử, đặc biệt chiến tranh giới thứ hai, phát gốm sứ điện gia tăng việc sử dụng vật liệu áp điện Ứng dụng y tế - phá máu đông Máy dị tìm đàn cá biển Điện thoại thông minh Động áp điện Giao thông vận tải Đầu dị khí cháy cacbua hydro Hình Các ứng dụng vật liệu áp điện đời sống Ứng dụng quan trọng kĩ thuật vật liệu áp điện dùng làm động áp điện Thí dụ thiết bị, động có kích thước nhỏ siêu nhỏ, chế tạo loại robot mơ sinh học bay đập cánh côn trùng, chi tiết cấy ghép, robot phẫu thuật nhân tạo y học, thiết bị điện tử thông dụng nghiên cứu vũ trụ PZT có nhiều đặc tính áp điện phù hợp để sử dụng chuyển đổi xung điện lĩnh vực khác đặc biệt hệ số ghép cặp điện lớn số điện môi cao (hằng số áp điện lên đến 700 pC/N) Do đó, PZT trở thành vật liệu chiếm ưu hoàn toàn ngành tổng hợp áp điện suốt 40 năm qua Trong kĩ thuật chụp ảnh tiên tiến kính hiển vi nguyên tử lực, người ta sử dụng hiệu ứng áp điện để điều khiển xác khoảng cách từ đầu dị đến mẫu Các đầu dò (transducer) dạng thiết bị chuyển đổi xung điện, sử dụng hai hiệu ứng áp điện thuận nghịch Xung điện chuyển thành rung động học di chuyển rung động quay lại chuyển trở lại thành tín hiệu điện Các chuyển đổi xung điện hoạt động tần số cao, 20.000 Hz, gọi chuyển đổi siêu âm Ở tần số cao thiết bị có khả chụp ảnh vật thể độ phân giải cao (ảnh siêu âm) sử dụng rộng rãi kĩ thuật ảnh y tế, kiểm tra khơng phá hủy, siêu âm ngầm nước, dị tìm cá siêu âm dò quét ngành điện tử, y tế… Do có chuyển đổi lượng điện vật liệu áp điện, ngày người ta có nhiều nghiên cứu lý thuyết ứng dụng thực tế sử dụng vật liệu áp điện để thu thập lượng học dư thừa, chí có hại, môi trường xung quanh Những vấn đề việc thu thập lượng áp điện trình bày sách A Erturk D.J Inman xuất năm 2011 Wiley and Sons Ltd [8] Năng lượng dư thừa môi trường thường động phương tiện giao thông vận tải [9]; lượng gió [10]; lượng sóng biển [11], … Những nghiên cứu ứng dụng theo hướng quan tâm nhiều với sản xuất công nghiệp vật liệu áp điện dạng polyme gốm 1.3 Tổng quan nghiên cứu vật liệu kết cấu áp điện Mặc dù hiệu ứng áp điện hai anh em nhà Curie tìm từ 1880, sau kỷ, hiệu ứng đưa vào ứng dụng để chế tạo cảm biến (sensor) kích hoạt (actuator) phục vụ việc điều khiển hệ liên tục [12] Các cảm biến kích hoạt áp điện khơng phải rời rạc mà đầu dò phân bố gắn với kết cấu phận cấu thành kết cấu Những hệ liên tục gắn đầu dò áp điện coi kết cấu thơng minh (intelligent) chúng vừa có khả cảm nhận tác động bên ngồi vừa có khả tự biến đổi để thích nghi với tác động Crawley cộng [13, 14] phát triển lý thuyết kích hoạt áp điện (piezoelectric actuator) phận kết cấu thơng minh khẳng định kích hoạt áp điện liên tục hồn tồn có khả kích hoạt trạng thái dao động cộng hưởng bình ổn kết cấu dầm Sau đó, lý thuyết cảm biến kích hoạt dao động (modal sensor and actuator) xây dựng Lee Moon [15] họ chứng minh lý thuyết thực nghiệm hồn tồn sử dụng cảm biến/bộ kích hoạt áp điện phân bố để đo đạc/kích thích dạng dao động cụ thể kết cấu dầm Những vấn đề lý thuyết điều khiển tích cực hệ phân bố vật liệu áp điện trình bày [16] Việc ứng dụng cảm biến kích hoạt áp điện vào điều khiển kết cấu dầm, vỏ Sunar Rao trình bày cách tổng quan [12] Trong tác giả chia lĩnh vực điều khiển kết cấu sử dụng vật liệu áp điện thành chủ đề: (1) Dập tắt dao động (vibration suppression) – Bailey Hubbard [17]; Bendine công [18] (2) Hấp thụ lượng (energy absorption) – Wang cộng [19]; (3) Điều khiển hình dáng (shape control) – Batra Liang [20] (4) Chẩn đoán hư hỏng (damage monitoring) - trình bày chi tiết mục Một số tác giả tập trung nghiên cứu sử dụng vật liệu áp điện để sửa chữa hay phục hồi kết cấu bị nứt toán điều khiển kết cấu vật liệu áp điện tác giả: Ariaei cộng [21], Kumar cộng [22], Liu [23]; Wang cộng sự.[24], Wang vàWu [25], Wang cộng [26], Wang Quek [27] [28], Wang cộng [29], Wu Wang [30],[31] Dù toán điều khiển kết cấu hay toán chẩn đoán kỹ thuật kết cấu sử dụng vật liệu áp điện, vấn đề tương tác động lực học kết cấu cấu kiện áp điện ln chiếm vị trí trung tâm Kết phân tích tương tác cho phép không khám phá trạng thái bên kết cấu mà cách để điều khiển kết cấu theo mong muốn Ở bộc lộ ưu việc sử dụng vật liệu áp điện Việc phân tích kết cấu làm vật liệu áp điện đơn độc không mang lại nhiều lợi ích việc nghiên cứu tương tác kết cấu áp điện với kết cấu làm từ vật liệu khác, đặc biệt vật liệu composite Bài toán phân tích tĩnh kết cấu dầm gắn với miếng áp điện (piezoelectric patches) nghiên cứu chi tiết Wang cộng [32] Yang Lee [33] , họ sử dụng mơ hình dầm bậc để nghiên cứu dao động dầm gắn miếng áp điện Việc sử dụng vật liệu áp điện để kiểm soát trạng thái học (ứng suất, biến dạng, dao động) kết cấu dạng dầm tiến hành cơng trình [34]; kết cấu dạng [35], [36]; kết cấu vỏ [37], [38] 96 (c) Hình Kết chẩn đốn vết nứt phương pháp đường đồng mức tần số cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) dầm công xơn (c) với vết nứt vị trí e = L/3 có độ sâu 30% (a) 97 (b) (c) Hình Kết chẩn đoán vết nứt phương pháp đường đồng mức điện tích cảm biến dao động cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) dầm công xôn (c) với vết nứt dầm có độ sâu 30% 98 (a) (b) 99 (c) Hình 10 Kết chẩn đốn vết nứt phương pháp đường đồng mức điện tích cảm biến dao động cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) dầm công xôn (c) với vết nứt vị trí e = L/3 có độ sâu 30% Kết chẩn đoán cho thấy: (a) Việc chẩn đoán tần số riêng cho nghiệm dầm công xôn, mà điều kiện biên hai đầu không đối xứng; trường hợp điều kiện biên đối xứng việc chẩn đốn tần số riêng ln cho hai nghiệm đối xứng qua điểm dầm (điều rõ trường hợp dầm đồng nhất); lưu ý vết nứt dầm điểm đối xứng với qua dầm nó, tốn có nghiệm (b) Trong việc chẩn đốn điện tích cảm biến dao động cho ta nghiệm tất trường hợp điều kiện biên; điều chứng tỏ sử dụng cảm biến vật liệu áp điện giải trọn vẹn vấn đề nghiệm tốn chẩn đốn vết nứt dầm kế FGM lẫn dầm đồng 100 Bảng Kết chẩn đoán vết nứt dầm FGM phương pháp đường đồng mức Trường hợp vết nứt thực Kết chẩn đoán tần số Độ sâu vết nứt Vị trí vết nứt Kết chẩn đốn điện tich Vị trí vết nứt Độ sâu vết nứt 0.3 0.5 0.3 0.3 1/3 0.3 0.3 0.5 0.3 0.3 1/3 0.3 Dầm tự đơn hai đầu 𝑒 = 𝐿/2; 𝑎 = 30% 𝑒 = 𝐿/3; 𝑎 = 30% 0.5 1/3 2/3 Dầm ngàm hai đầu 𝑒 = 𝐿/2; 𝑎 = 30% 𝑒 = 𝐿/3; 𝑎 = 30% 0.5 1/3 2/3 Dầm công xôn 𝑒 = 𝐿/2; 𝑎 = 30% 0.5 0.3 0.5 0.3 𝑒 = 𝐿/3; 𝑎 = 30% 1/3 0.3 1/3 0.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương tác giả trình bày sau : Nội dung phương pháp đường đồng mức, sở khoa học quy trình giải tốn chẩn đốn vết nứt dầm áp điện tần số riêng điện tích cảm biến dao động Xây dựng sở liệu để chẩn đoán vết nứt dầm FGM áp điện tần số riêng điện tích cảm biến dao động bao gồm kết giải phương trình tần số tính tốn điện tích cảm biến dao động từ dạng dao động riêng phụ thuộc vào hai biến vị trí độ sâu vết nứt Kết trình bày dạng đồ thị ba chiều hàm số hai biến nêu làm sở để chẩn đoán vết nứt phương pháp đường đồng mức; Áp dụng phương pháp đường đồng mức để thử nghiệm chẩn đốn vị trí độ sâu vết nứt tần số riêng điện tích cảm biến dao động tính từ tốn thuận Kết chẩn đoán cho thấy, sử dụng tần số riêng tốn chẩn đốn vết nứt dầm có hai biên đối xứng (dầm ngàm hai đầu dầm tựa đơn hai đầu) khơng có nghiệm Trong sử dụng điện tích cảm biến dao động ln cho nghiệm xác với vết nứt cho trước Đây kết cơng bố tạp chí ISI 101 KẾT LUẬN CHUNG Những kết luận án bao gồm: Đã xây dựng mơ hình dầm FGM gắn với miếng áp điện dầm bậc dựa phương pháp độ cứng động ứng dụng để phân tích tần số dao động riêng dầm FGM có miếng vá áp điện Kết phân tích số cho thấy kích thước vị trí miếng vá áp điện ảnh hưởng mạnh đến tần số riêng, làm tăng giảm tần số riêng tùy thuộc vào chiều dày vị trí gắn miếng vá áp điện Đặc biệt có mặt lớp áp điện làm tăng tương tác thành phần dao động uốn dao động dọc trục dầm FGM Đã xây dựng mơ hình dầm FGM có vết nứt gắn lớp áp điện chạy dọc theo chiều dài dầm ứng dụng để phân tích ảnh hưởng tham số vết nứt, tham số vật liệu chiều dầy lớp áp điện đến tần số riêng, điện tích áp điện dao động riêng (modal sensor charge - MSC) Kết phân tích số tạo thành sở liệu để chẩn đoán vết nứt tham số dao động, có tham số điện tích cảm biến dao động - dấu hiệu quan trọng để chẩn đoán vết nứt Đã áp dụng phương pháp đường đồng mức để chẩn đoán vết nứt dầm FGM kết thử nghiệm số cho thấy sử dụng tần số riêng để chẩn đốn vết nứt tốn chẩn đốn vết nứt dầm khơng cho nghiệm điều kiện biên đối xứng (dầm ngàm tựa đơn hai đầu) Nhưng sử dụng tham số điện tích cảm biến dao động thu thập lớp áp điện, ta ln nhận xác nghiệm Đây đóng góp quan trọng việc giải toán chẩn đoán vết nứt dầm FGM minh chứng cho tiến việc ứng dụng vật liệu áp điện chẩn đốn vết nứt nói riêng chẩn đốn kỹ thuật cơng trình nói chung Những kết cho thấy sử dụng vật liệu áp điện cải thiện đáng kể kết chẩn đoán vết nứt dầm FGM so với kết công bố Tuy nhiên, luận án chưa đưa phương pháp đo đạc tín hiệu điện tích cảm biến dao động phịng thí nghiệm Vì vậy, kết nhận luận án thử nghiệm số chưa kiểm chứng thực nghiệm Đây vấn đề nghiên cứu tác giả thời gian tới 102 DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN N.T Khiem, T.T Hai, N.N Huyen, L.Q Huong, Dynamic Stiffness Approach to Frequency Analysis of FGM beam bonded with a piezoelectric layer Tuyển Tập Hội nghị Khoa học Toàn quốc lần thứ Động lực học Điều khiển, Đà Nẵng, 18-19/7/2019, tr 357-361 N.T Khiem, T.T Hai, L.Q Huong, Effect of Piezoelectric Patches on Natural Frequencies of Timoshenko Beam Made of Functionally Graded Material, Mater Res Express, 2020, (5), 055707 (17pp) DOI:10.1088/2053-1591/ab8df5 Duong Thanh Huan, Luu Quynh Huong, Nguyen Tien Khiem (2021) Modal analysis of cracked beam with piezoelectric layer Vietnam Journal of Mechanics First Online Published June 16, 2021 DOI: 10.15625/0866-7136/15648 Nguyen Tien Khiem, Tran Thanh Hai, Luu Quynh Huong, Modal Analysis of Functionally Graded Beam with Piezoelectric Layer Mechanics Based Design of Machines and Structures (Published Online First Oct.28, 2021) Lưu Quỳnh Hường, Nguyễn Ngọc Huyên, Nguyễn Thị Lan, Nguyễn Tiến Khiêm, Bài toán chẩn đoán vết nứt dầm FGM sử dụng vật liệu áp điện Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học tồn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV, TP Thái Nguyên 24-25/9/2021, tr 516-524 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Cawley, R.D Adams, The location of defects in structures from measurements of natural frequencies, The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1979, 14 (2), 49-57 [2] W Fan W and P.Z Qiao, Vibration-based damage identification methods: a review and comparative study, Struct Health Monitoring, 2011, 10 (1), 83-111 [3] R Hou and Y Xia, Review on the new development of vibration-based damage identification for civil engineering structures: 2010-2019, Journal of Sound and Vibration, 2021, 491 (9), 90pp [4] A.K Pandey, M M Samman, Damage detection from changes in curvature mode shapes, Journal of Sound and Vibration, 1991, 145 (2), 321-332 [5] O.S Salawu, Detection of structural damage through changes in frequency: a review, Engineering Structures, 1997, 19 (9), 718-723 [6] N.T Khiem, T.V Lien, Multi-crack detection for beams by natural frequencies, Journal of Sound and Vibration, 2004, 273, 175-184 [7] D Montalvão, N.M.M Maia, A.M.R Ribeiro, A Review of Vibration-Based Structural Health Monitoring with Special Emphasis on Composite Material, Shock and Vibration Digest, 2006, 38 (4), 295-324 [8] A Erturk and D.J Inman, Piezoelectric Energy Harvesting, John Wiley and Sons, 2011, United Kingdom [9] Z Zhang, H Xiang, and Z Shi, Modeling on piezoelectric energy harvesting from pavements under traffic loads, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2016, 27 (4), 567–578 [10] İ Büyükkeskina, S Gürel, S A Tekin, M S Genỗ, Electricity Production from Wind Energy by Piezoelectric Material, International Journal of Renewable Energy Development, 2019, (1), 41-46 [11] X.D Xie, Q Wang, N Wu, Energy Harvesting from Transverse Ocean Waves by Piezoelectric Plate, International Journal of Engineering Science, 2014, 81, 41-48 [12] S.S Rao and M Sunar, Piezoelectricity and its use in disturbance sensing and control of flexible structures: A Survey, ASME Applied Mech Reviews, 1994, 47 (4), 113-123 [13] E.F Crawley, J De Luis, Use of Piezoelectric Actuators as Elements of Intelligent Structures, AIAA Journal, 1987, 25 (10), 1373-1385 104 [14] E F Crawley, Intelligent Structures for Aerospace: A Technology Overview and Assessment, AIAA Journal, 1994, 32 (8), 1689-1699 [15] C.K Lee, F.C Moon, Modal Sensors/Actuators, Journal of Applied Mechanics, 1990, 57 (2), 434-441 [16] A Preumont, Vibration Control of Active Structures - An Introduction, Kluwer Academic Publishers, 1997, Brussels, Bỉ [17] T Bailey, J.E.J Hubbard, Distributed piezoelectric polymer active vibration control of a cantilever beam, Journal Guidance Control and Dynamics, 1985, 8(5), 605-611 [18] K Bendine, F.B Boukhoulda, M Nouari, Z Satla, Active Vibration Control of Functionally Graded Beams with Piezoelectric Layers based on Higher Order Shear Deformation Theory, Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2016, 15 (4), 611-620 [19] K.W Wang, J.S Lai, W.K Yu, An Energy-Based Parametric Control Approach for Structural Vibration Suppression via Semi-Active Piezoelectric Networks, ASME Journal of Vibration and Acoustics , 1996, 118 (3), 505-509 [20] R.C Batra and X.Q Liang, Shape Control of Vibration Simply Supported Rectangular Plates, AIAA Journal, 1996, 34 (1), 116-122 [21] A Ariaei, S Ziaei-Rad, M Ghayour, Repair of a cracked Timoshenko beam subjected to a moving mass using piezoelectric patches, International Journal of Mechanical Sciences, 2010, 52 (8), 1074-1091 [22] R Kumar, H Pathak, A Singh and M Tiwari, Modeling of crack repair using piezoelectric material: XFEM approach, Engineering Computations, 2020, 38(2), 586-617 [23] T.J.C Liu, Crack repair performance of piezoelectric actuator estimated by slope continuity and fracture mechanics, Engineering Fracture Mechanics, 2008, 75 (8), 2566-2574 [24] Q Wang, G.Y Zhou, S.T Quek, Repair of delaminated beams subjected to compressive force via piezoelectric layers, Advances in Structural Engineering, 2005, 8, 411-425, [25] Q Wang, N Wu,, A review on structure enhancement and repair using piezoelectric materials and shape memory alloys, Smart Materials and Structures, 2011, 21 (1), 23pp [26] Q Wang, S T Quek and K M Liew, On the repair of a cracked beam with a piezoelectric path, Smart Materials and Structures, 2002, 11 (3), 404-410, 105 [27] Q Wang, S.T Quek, Repair of cracked column under axially compressive load via piezoelectric patch, Computers & Structures, 2005, 83 (15-16), 1355-1363 [28] Q.Wang, S.T Quek, Repair of delaminated beams via piezoelectric patches, Smart Materials and Structures, 2004, 13 (5), 1222-1229 [29] Q Wang, W.H Duan, S.T Quek, Repair of notched beam under dynamic load using piezoelectric patch, International Journal of Mechanical Sciences, 2004 46 (10), 1517-1533 [30] N Wu, Q Wang, Repair of vibrating delaminated beam structures using piezoelectric patches, Smart Materials and Structures, 2010, 19 (3), 8pp [31] N Wu, Q Wang, Repair of a delaminated plate under static loading with piezoelectric patches, Smart Materials and Structures, 2010, 19 (10), 7pp, [32] X.M Wang, C Ehlers and M Neitzel, An Analytical Investigation of Static Models of Piezoelectric Patches Attached to Beams and Plates, Smart Material and Structures , 1997, (2), 204-213 [33] S.M Yang, Y.J Lee, Modal analysis of stepped beams with piezoelectric materials, Journal of Sound and Vibration, 1994, 176 (3), 289-300 [34] U Lee, J Kim, Dynamics of elastic-piezo-electric two-layer beams using spectral element method, International Journal of Solids and Structures, 2008, 37 (32), 4403-4417 [35] P Heyliger, Exact solutions for simply supported laminated piezoelectric plates, ASME Journal Applied Mechanics, 1997, 64, 299-306, [36] J.H Huang, T.L Wu, Analysis of hybrid multilayered piezoelectric plates, International Journal of Engineering Science, 1996, 34 (2), 171-181 [37] Nguyen Dinh Duc, Tran Quoc Quan, Vu Dinh Luat, Nonlinear dynamic analysis and vibration of shear deformable piezoelectric FGM double curved shallow shells under damping-thermo-electro-mechanical loads, Journal of Composite Structures, 2015, 125, 29-40 [38] Nguyen Dinh Duc, Nonlinear thermo-electro-mechanical dynamic response of shear deformable piezoelectric Sigmoid functionally graded sandwich circular cylindrical shells on elastic foundations, Journal of Sandwich Structures and Materials, 2016, 20 (3), 351-378 [39] W.S Hwang, H.C Park, Finite element modeling of piezoelectric sensors and actuators, AIAA Journal, 1993, 31 (5), 930-937 106 [40] K.Y Lam, X.Q Peng, G.R Liu, J.N Reddy, A finite element model for piezoelectric composite laminates, Smart Material and Structures, 1997, 6, 583591 [41] Nguyen-Van H., Mai-Duy N., Tran-Cong T, A smoothed four-node piezoelectric element for analysis of two-dimensional smart structures, Computer Modeling in Engineering & Sciences, 2008, 23 (2), 209-222 [42] U Lee, D Kim, I Park, Dynamic modeling and analysis of the PZT-bonded composite Timoshenko beams: Spectral element method, Journal of Sound and Vibration, 2013, 332 (6), 1585-1609 [43] Trần Văn Liên, Nguyễn Tiến Khiêm, Phương pháp độ cứng động lực phân tích kết cấu, Nxb Xây dựng, 2018, Hà Nội [44] Tran Ich Thinh, Le Kim Ngoc, Static and dynamic analysis of laminated composite plates with integrated piezoelectrics, Vietnam Journal of Mechanics, 2008, 30 (1), 55-66 [45] Tran Ich Thinh, Le Kim Ngoc, Finite element modeling and experimental study on static deflection and vibration of piezoelectric composite plates with integrated piezoelectrics, Vietnam Journal of Mechanics, 2010, 32 (2), 65-96, [46] Tran Ich Thinh, Le Kim Ngoc, Static behavior and vibration control of piezoelectric cantilever composite plates and comparison with experiment, Computational Material Science, 2010, 49 (4), 276-280 [47] Tran Huu Quoc, Vu Van Tham, Tran Minh Tu, Optimal placement and active control of composite plates integrated with piezoelectric sensor/actuator pairs, Vietnam Journal of Science and Technology, 2018, 56 (1), 113-126 [48] Nguyen Dinh Duc, Pham Hong Cong, Vu Dinh Quang, Nonlinear dynamic and vibration analysis of piezoelectric eccentrically stiffened FGM plates in thermal environment, International Journal of Mechanical of Sciences, 2016, 115, 711722 [49] Nguyen Dinh Duc, Pham Hong Cong, Nonlinear thermo-mechanical dynamic analysis and vibration of higher order shear deformable piezoelectric functionally graded material sandwich plates resting on elastic foundations, Journal of Sandwich Structures and Materials, 2016, 20 (2), 191-218 [50] Nguyen-Van H., Le Thong, Mai-Duy N., Tran-Cong T., Nodal integration finite element techniques for analysis of piezoelectric solids, The International Conference on Computational Solid Mechanics (CSM2008), 2008, Ho Chi Minh City -Vietnam 107 [51] Nguyen-Van H., Mai-Duy N., Tran-Cong T., Analysis of piezoelectric solids with an efficient node-based smoothing element, The 8th World Congress on Computational Mechanics (WCCM8) and 5th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS2008), 2008, Venice-Italy [52] H A Winston, F Sun, B S Annigeri, Structural Health Monitoring with Piezoelectric Active Sensors, Transactions of ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2001, 123, 353-358 [53] G Park, H Sohn, C.R Farrar and D.I Inman, Overview of piezoelectric Impedance-based Health Monitoring and Path Forward, The Shock and Vibration Digest, 2003, 35 (6), 451-463 [54] S Bhalla, C.K Soh, Progress in Structural Health Monitoring and Nondestructive Evaluation Using Piezo-impedance Transducers, Smart Materials and Structures: New Research, 2006, 6, 177-228 [55] V Giurgiutiu, Structural Health Monitoring with Piezoelectric Wafer Active Sensors, Oxford: Academic Press, 2007 [56] W.H Duan, S.T Quek, Q Wang, Applications of piezoelectric materials in structural health monitoring and repair: Selected research examples, Materials, 2010, (12), 5169-5194 [57] G Huang, F Song and X Wang, Quantitative Modeling of Coupled PiezoElasto-dynamic Behavior of Piezoelectric Actuators bonded to an Elastic Medium for Structural Health Monitoring: A Review, Sensor, 2010, 10 (4), 3681-3702 [58] W.S Na and J Baek, A Review of the Piezoelectric Electromechanical Impedance Based Structural Health Monitoring Technique for Engineering Structures, Sensor, 2018, 18 (5), 18pp [59] Z Shu, Application of Piezoelectric Material in Structural Health Monitoring of Civil Engineering Structure, Chemical Engineering Transaction, 2017, 59, 523-528, [60] S.T Quek, Q Wang, L Zhang, K.H Ong, Practical issues in the detection of damage in beam using wavelet, Smart Material and Structures, 2001, 10n (5), 1009-1017 [61] S Zhao, M.Wu, Q Wang, Crack Identification through scan-tuning of vibration characteristics using piezoelectric material, Smart Materials and Structures, 2017, 26 (2), 12pp 108 [62] S Zhao, M.Wu, Q Wang, Damage Detection of Beams by a Vibration Characteristic Tuning Technique Through an Optimal Design of Piezoelectric Layers, International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2016, 16 (10), 15pp [63] S Zhao, N Wu and Y Cheng, High sensitivity damage detection with vibration mode shape tuning through the optimal design of piezoelectric actuators, Proceedings of ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2015, Texas [64] L Jiang, J Tang, K Wang, An enhanced frequency-shift-based damage identification method using tunable piezoelectric transducer circuitry, Smart Materials and Structures, 2006, 15 (3), 799-808 [65] D Mateescu, Y Han, A Misra, Dynamics of Structures with Piezoelectric Sensors and Actuators for Structural Health Monitoring, Key Engineering Materials, 2007, 347, 493-498 [66] V Giurgiutiu and C.A Rogers, Recent Advancements in the ElectroMechanical Impedance Method for Structural Health Monitoring and NDE, Proceedings of SPIE Conference on Smart Structures and Material, 1998, San Diego, California, 3329, 536-547 [67] S Ritdumrongkul and Y Fujino, Identification of the location and size of cracks in beam by piezoelectric actuator-sensor, Structural Control and Health Monitoring, 2007, 14 (6), 931-943 [68] Y.Y Lim and C.K Soh, Electro-Mechanical Impedance – Based Incipient Crack Monitoring and Critical Crack Identification of Beam Structures, Research in Nondestructive Evaluation, 2014, 25 (2), 82-98 [69] D Wang, H Song, H Zhu, Electromechanical Impedance Analysis on Piezoelectric Smart Beam with Crack Based on Spectral Element Method, Mathematical Problems in Engineering, 2015, 2015 (4), 1-13 [70] T Wang, B Tan, M Lu, Z Zhang and G Lu, Piezoelectric ElectroMechanical Impedance (EMI) Based Structural Crack Monitoring, Applied Sciences, 2020, 10 (13), 14pp [71] K.K.-H Tseng and A.S.K Naidu, Non-parametric damage detection and characterization using smart piezoelectric material, Smart Materials and Structures, 2002, 11 (3), 317-329, [72] Y Hu and X Zhang, Parametric vibration and stability of a functionally graded plate, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2011, 39 (3), 367377 109 [73] X.F Li, A unified approach for analyzing static and dynamic behaviors of functionally graded Timoshenko and Euler-Bernoulli beams, Journal of Sound Vibration, 2008, 318 (4-5), 1210-1229 [74] L.O Larbi, A Kaci, M S A Houari, and A Tounsi, An efficient shear deformation beam theory based on neutral surface position for bending and free vibration of functionally graded beams, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2013, 41 (4), 421-433 [75] S.A Sina, H.M Navazi and H Haddadpour, An analytical method for free vibration analysis of functionally graded beams, Materials and Design, 2009, v 30 (3), 741-747 [76] H Su and J.R Banerjee, Development of dynamic stiffness method for free vibration of functionally graded Timoshenko beam, Computers & Structures,, 2015, 147, 107-116 [77] X Wang, X Liang, and C Jin, Accurate dynamic analysis of functionally graded beams under a moving point load, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2017, 45 (1), 76-91 [78] A.C Okafor, K Chandrashekhara, Y Jiang, Delamination prediction in composite beams with built-in piezoelectric devices using modal analysis and neural network, Smart Materials and Structures, 1996, (3), 338-347 [79] J Yang, Y Chen, Free vibration and buckling analyses of functionally graded beams with edge cracks, Composite Structure, 2008, 83 (1), 48-60 [80] S.D Akbas, Free Vibration Characteristics of Edge Cracked Functionally Graded Beams by Using Finite Element Method, International Journal of Engineering Trends and Technology, 2013, (10), 4590-4597 [81] K Aydin, Free vibration of functionally graded beams with arbitrary number of surface cracks, European Journal of Mechanics A/Solid, 2013, 42, 112-124 [82] N.T Khiem, N.N Huyen and N.T Long, Vibration of cracked Timoshenko beam made of functionally graded material, Shock & Vibration, Aircraft/Aerospace, Energy Harvesting, Acoustics & Optics, 2017, (15), 133143, [83] T.V Lien, N.T Duc, N.T Khiem, Free and forced vibration analysis of multiple cracked FGM multispan continuous beams using the dynamic stiffness method, Latin American Journal of Solids and Structures, 2017, 14 (9), 17521766 110 [84] Z.G Yu, F.L Chu, Identification of crack in functionally graded material beams using the p-version of finite element method, Journal of Sound and Vibration, 2009, 325 (1-2), 69-84, [85] A Banerjee, B Panigrahi and G Pohit, Crack modelling and detection in Timoshenko FGM beam under transverse vibration using frequency contour and response surface model with GA, Nondestructive Testing and Evaluation, 2016, 31 (2), 142-164 [86] N.T Khiem, N.N Huyen, A method for crack identification in functionally graded Timoshenko beam, Nondestructive Testing and Evaluation, 2017, 32 (3), 319-341 [87] M.K Khorramabadi, A.R Nezamabadi, Stability of functionally graded beams with piezoelectric layers based on the first order shear deformation theory," International Journal of Electrical and Computer Engineering, 2020, (11), 1641-1644 [88] Y.S Li, W.J Feng, Z.Y Cai, Bending and free vibration of functionally graded piezoelectric beam based on modified strain gradient, Composite Structures, 2014, 115, 41-50, [89] N N Huyen, N T Khiem, Uncoupled Vibrations in Functionally Graded Timoshenko Beams, Journal of Science and Technology, 2016, 54 (6), 785-796 [90] N.T Khiem, T.V Lien, V.T.A Ninh, Natural Frequencies of Multistep Functionally Graded Beam with Cracks, Iranian Journal Science and Technology Trans Mech Eng, 2019, 43 (1), 881-916 [91] A Chakraborty, S Gopalakrishnan, A spectrally formulated finite element for wave propagation analysis in functionally graded beams, International Journal of Solids and Structures, 2003, 40 (10), 2421-2448 [92] N T Khiem, T V Lien, A simplified method for natural frequency analysis of multiple cracked beam, Journal of Sound and Vibration, 2001, 245 (4), 737751 ... Hiệu ứng áp điện thuận b) Hiệu ứng áp điện ngược Hình 1 Các hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện ngược tượng vật liệu áp điện bị biến dạng cấp nguồn điện (điện áp) Hiệu ứng vật liệu áp điện sử dụng. .. ứng yêu cầu nêu áp dụng luận án 1.4 Ứng dụng vật liệu áp điện chẩn đốn kỹ thuật cơng trình Việc ứng dụng vật liệu áp điện chẩn đốn kỹ thuật cơng trình nói chung tổng quan đầy đủ công bố Winston... lược vật liệu áp điện ứng dụng Hiệu ứng áp điện (piezoelectric) phát Pierre Jacques Curie năm 1880, gần sử dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật Có hai loại vật liệu áp điện sử dụng rộng rãi gốm áp điện