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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH Q 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 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH Q 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH Q 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 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hoàng Đức Vinh Ngày 20, tháng 08, năm sinh: 1988 Quê quán: Quảng Trị Giới tính: Nam Nơi sinh: Vũng Tàu Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa 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: 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, Sơ 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 đóng nắp chai dầu gió nhị thiên đường Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 08/01/2012, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: KS HỒ VIẾT BÌNH III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2012 – 2014 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Học viên IV CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: Nguyen Khanh Binh, Hoang Duc Vinh, Nguyen Hoai Son, Phan Ha Nhut, “Mechanical Behavior of composite laminates excited by the bonded piezoelectric actuators” i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii 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 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nƣớc cơng bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung học vật rắn 2.1.1 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất 2.1.2 Nghuyên lý cực tiểu hóa toàn phần 2.2 Giới thiệu chung lý thuyết 10 2.2.1 Lý thuyết Kirchoff 10 2.2.1.1 Phần tử Kirchoff chịu uốn 13 2.2.2 Phần tử 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 nút 28 2.2.3.4 Tích phân số 28 2.2.3.5 Tính ứng suất 33 2.3 Giới thiệu chung lý thuyết vật liệu áp điện 34 vi 2.3.1 Giới thiệu chung 34 2.3.2 Lịch sử phát triển 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 vật liệu áp điện 42 2.3.7 Thành lập phương trình vật liệu áp điện 44 2.3.7.1 Các hệ số áp điện 51 2.3.7.2 Tương tác đa trường vật liệu áp điện 54 2.4 Lý thuyết chung điều khiển 56 2.4.1 Lịch sử phát triển 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 hệ thống 59 2.4.4.2 Phương trình trạng thái mơ tả hệ thống 60 CHƢƠNG 3: THÀNH LẬP CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN 63 3.1 Mơ hình tốn 63 3.2 Thành lập công thức vật liệu áp điện 67 3.3 Thành lập ma trận phần tử hữu hạn 69 3.3.1 Giới thiệu 69 3.3.2 Công thức lượng 69 3.3.3 Nguyên lý biến phân .69 3.3.4 Chuyển đổi ma trận chiệu tọa độ địa phương tồn cục 73 3.4 Phân tích tĩnh mơ hình 74 vii 3.5 Phân tích động học điều khiển 75 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 77 4.1 Áp dụng toán điều khiển chủ động thép 77 4.2 Kết phân tích tĩnh 78 4.3 Kết 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 Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nƣớc cơng bố 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, thép sử dụng rộng rải cơng trình xây dựng cầu đường, nhà xưởng công nghiệp nghành cơng nghiệp đóng tàu Thép có đặc tính học dẻo, dể uốn, dể dập cán định hình [5] Tùy thuộc vào chiều dày chúng mà có ứng dụng cụ thể khác nhau, ví dụ thép có chiều dày lớn sử dụng lĩnh vực xây dựng cầu đường nghành cộng nghiệp đóng tàu cịn thép có chiều dày nhỏ dùng làm mặt bề mặt áp bên ngồi máy móc sản phẩm dân dụng Như biết chi tiết dạng có chiều dày nhỏ chịu tác dụng ngoại lực chúng biến dạng, tải tuần hồn có chu kỳ gây rung động dao động làm ảnh hưởng đến kết cấu thép thời gian tác dụng lâu dài chi tiết bị mỏi bị phá hủy gây tác động không tốt đến hệ thống Việc ngăn chặn dao động tồn bên thép giúp cho chúng không bị rung động giúp cho hệ thống thêm vứng không bị phá hủy Để triệt tiêu làm giảm dao động suất không mọng muốn người ta dán cảm biến áp điện lên thép cần khảo sát sau thu nhận tín hiệu từ dán kích xung điện tương ứng để khử làm giảm biến dạng dao động chúng Để điều khiển biến dạng dao động có nhiều cách khác 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 hệ thống khơng u cầu nguồn lượng bên ngồi để làm việc, làm giảm lượng dao động HVTH: Hoàng Đức Vinh -[1]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồi Sơn thơng qua cấu học khác như: cấu ma sát trượt, lò xo, nhíp, giảm chấn … Nếu tinh thể áp đện dán lên cấu trúc tín hiệu nhiễu chuyển đổi thành lượng điện mà bị triệt tiêu chuyển đổi thông qua bo mạch trước hệ thống học quay lại trạng thái ban đầu Các lực điều khiển hệ thống điều khiển bị động sử dụng từ chuyển động kết cấu Do hệ số tiêu tán lượng lớn nên kỹ thuật điều khiển bị động thông thường sử dụng ngành kỹ thuật xây dựng Tuy nhiên nói kỹ thuật điều khiển bị động bị giới hạn ứng dụng ngành hàng không ô tô khối lượng thể tích chúng ảnh hưởng đến tần số dao động chung hệ thống Điều khiển hệ thống chủ động xem lĩnh vực có nhiều ý nghĩa thử thách nghiên cứu kết cấu kỹ thuật năm gần [5] Điều khiển dao động chủ động xem công nghệ mà làm cho dao động cấu trúc giảm xuống điều khiển dao động thông qua việc đặt lực kế, cảm biến kích vào kết cấu cần khảo sát chỗ thích hợp để triệt tiêu biên độ dao động Vào thập niên gần người ta đào sâu nghiên cứu vào vật liệu thông minh đặc biệt vật liệu áp điện Đây vật liệu mang nhiều tính chất quý báu mà vật liệu thông thường không có, vật liệu phát nguồi điện có ứng suất học tác động vào ngược lại có dịng điện tác động vào sinh chuyển vị tượng ứng với hiệu điện đặt vào Người ta ứng dụng tính chất để điều khiển chuyển vị chi tiết chịu biến dạng rung động khí xậy dựng 1.1.2 Các nghiên cứu nƣớc Nghiên cứu đơn nhiều lớp lĩnh vực nghiên cứu thú vị có ảnh hưởng mạnh mẻ tới ngành học liên tục Thực nghiệm dao động thực Chladni vào năm 1802 [8] Sau khởi đầu ơng Chladni có nhiều nhà nghiên cứu tiếp tục cộng việc nghiên cứu ông với chi tiết dạng hộp HVTH: Hoàng Đức Vinh -[2]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn PHỤ LỤC Code phần tử hữu hạn %plate ap dien 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 NX= 3;%so phan tu theo truc x NY=3; %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)]; XX=inline(XX); t=0; X=[]; for i=1:4 X=[X;XX(exy(i,1),exy(i,2))]; 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)]'; Es=2*10^9;vs=0.3;Ds=Es/(1-vs^2)*[1 vs 0;vs 0;0 (1-vs)/2]; Ea=69*10^9;va=0.3;Da=Ea/(1-va^2)*[1 va 0;va 0;0 (1-va)/2]; Ep=207*10^9;vp=0.29;Dp=Ep/(1-vp^2)*[1 vp 0;vp 0;0 (1-vp)/2]; es=[0 0 ;0 0 ;0.046 0.046 ]; ea=[0 0 ;0 0 ;-12.5 -12.5 ]; HVTH: Hoàng Đức Vinh -[92]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn 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; rhos=1780;rhoa=7700;rhop=7870; h1=ha*(hp/2+ha/2)^2+ha^3/12; h2=hp^3/12; h3=hs*(hp/2+hs/2)^2+hs^3/12; Ha=[ha 0;0 h1 0;0 h1]; Hp=[hp 0;0 h2 0;0 h2]; Hs=[hs 0;0 h3 0;0 h3]; % N=P*X^-1 % dien the dat vao actuator la vol phi=[0 0]; % luc phan bo F la dieu F=100; %tao luoi vuong24x16 IEL=1; %chia luoi tu giac 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 % dieu kien bien -%1 la goi don la cung HVTH: Hoàng Đức Vinh -[93]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn %[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; % 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