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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội –2021 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 hồn thành luận án Trong q 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, ln quan tâm động viên suốt q 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 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án Lưu Quỳnh Hường iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG xi MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược vật liệu áp điện ứng dụng 1.2 Ứng dụng vật liệu áp điện đời sống kỹ thuật 1.3 Tổng quan nghiên cứu vật liệu kết cấu áp điện 1.4 Ứng dụng vật liệu áp điện chẩn đốn kỹ thuật cơng trình 10 1.5 Tổng quan dao động chẩn đoán đoán vết nứt dầm FGM 15 1.6 Đặt vấn đề nghiên cứu 16 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18 CHƯƠNG 2.DAO ĐỘNG CỦA DẦM FGM NGUYÊN VẸN CÓ MIẾNG ÁP ĐIỆN 19 2.1 Mơ hình dao động dầm FGM nguyên vẹn có lớp áp điện 19 2.2 Mơ hình độ cứng động phần tử dầm FGM nguyên vẹn có lớp áp điện 24 2.3 Tần số dao động riêng dầm FGM nguyên vẹn với miếng áp điện - Kết số… 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 CHƯƠNG 3.DAO ĐỘNG CỦA DẦM FGM BỊ NỨT CÓ LỚP ÁP ĐIỆN 46 3.1 Dao động dầm FGM bị nứt có lớp áp điện 46 3.1.1 Mơ hình vết nứt dầm FGM có lớp áp điện 46 3.1.2 Nghiệm tổng quát cho dao động tự dầm FGM bị nứt có lớp áp điện… 48 3.2 Dao động dầm đồng bị nứt có lớp áp điện 50 3.2.1 Cơ sở lý thuyết dao động dầm áp điện có vết nứt 50 iv 3.2.2 Kết phân tích số 58 3.3 Phân tích dao động dầm FGM bị nứt có lớp áp điện 62 3.3.1 Thuật tốn chương trình tính toán 62 3.3.2 Kết số 63 CHƯƠNG 4.CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG DẦM FGM CÓ LỚP ÁP ĐIỆN 79 4.1 Bài toán chẩn đoán vết nứt dầm đàn hồi tần số riêng 79 4.2 Cơ sở liệu chẩn đoán vết nứt dầm FGM-áp điện 82 4.2.1 Cơ sở liệu cho việc chẩn đoán vết nứt đường đồng mức tần số 82 4.2.2 Cơ sở liệu chẩn đốn vết nứt đường đồng mức điện tích cảm biến dao động 88 4.3 Kết thử nghiệm số 92 KẾT LUẬN CHƯƠNG 100 KẾT LUẬN CHUNG 101 DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN .102 TÀI LIỆU THAM KHẢO .103 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝑝 Hằng số điện môi lớp áp điện (m/F) 𝛽33  a , b Độ lớn vết nứt dầm đồng bị nứt có lớp áp điện 1,  Độ lớn vết nứt dầm FGM bị nứt có lớp áp điện ∈ Điện trường lớp áp điện (C/m2)  Góc xoay mặt cắt ngang (độ) 𝜅 Hệ số hiệu chỉnh hình học 𝜀𝑥 , 𝛾𝑥𝑧 , Là thành phần biến dạng 𝜆 Tham số tần số riêng ρ Mật độ khối (kg/m3) 𝛱𝑏 , 𝛱𝑝 Tương ứng lượng biến dạng dầm lớp áp điện Là thành phần ứng suất 𝜎𝑥 , 𝜏  Tần số dao động (rad/s) Ab  bxhb Diện tích mặt cắt ngang dầm (m2) Ap  bxhp Diện tích mặt cắt ngang lớp áp điện (m2) a Độ sâu vết nứt (m) b, hb Tương ứng chiều rộng, chiều cao tiết diện dầm (m) 𝑝 Mô đun đàn hồi lớp áp điện (GPa) 𝐶11 CC Dầm ngàm hai đầu CF Dầm đầu ngàm đầu tự Cof Hệ số tương quan Cov Tiêu chuẩn tương quan 𝐷 Độ dịch chuyển (mật độ điện tích) lớp áp điện 𝑫𝑒 (𝜔) Ma trận độ cứng động phần tử dầm FGM Timoshenko vi DSM Phương pháp độ cứng động lực E Mô đun đàn hồi (MPa) e Vị trí vết nứt (m) EMI Phương pháp trở kháng điện FGM Kết cấu làm từ vật liệu có lý tính biến thiên liên tục theo hướng nhiều hướng FRF Hàm đáp ứng tần số G Mô đun trượt (GPa) ℎ13 Hằng số áp điện lớp áp điện (V/m) ℎ0 Khoảng cách từ mặt phẳng dầm đến mặt phẳng trung hòa (m) hp Chiều cao lớp áp điện 𝐼𝑏 , 𝐼𝑝 Tương ứng mơ men qn tính mặt cắt ngang dầm I ( ) Dòng điện (A) L Chiều dài dầm (m) M(x) Mô men uốn mặt cắt x MAPD Sai số tuyệt đối MPC Điện tích cảm biến dao động N(x) Lực dọc trục mặt cắt x n Chỉ số phân bố vật liệu {𝑷𝑒 (𝜔)} Vectơ lực nút phần tử dầm PTHH Phần tử hữu hạn PVDF Polime áp điện PZT Gốm áp điện lớp áp điện (m4) vii Q Điện tích cảm biến dao động lớp áp điện RMSD Tiêu chuẩn trung bình bình phương SS Dầm tựa đơn hai đầu 𝑇𝑏 , 𝑇𝑝 Tương ứng động dầm lớp áp điện 𝑻𝑒 Ma trận định vị phần tử e {𝑼𝑒 (𝜔)} Vectơ chuyển vị nút phần tử dầm 𝑢0 (𝑥, 𝑡) chuyển vị dọc trục điểm mặt phẳng trung hòa (m) 𝑢(𝑥, 𝑧, 𝑡) chuyển vị dọc trục điểm mặt cắt ngang x (m) V ( ) Điện áp (V) 𝑤(𝑥, 𝑧, 𝑡) chuyển vị ngang điểm mặt cắt ngang x (m) 𝑤0 (𝑥, 𝑡) chuyển vị ngang điểm mặt phẳng trung hòa (m) Y( ) Độ dẫn (S/cm) Z( ) Trở kháng (Ω) viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Các hiệu ứng áp điện Hình Các ứng dụng vật liệu áp điện đời sống .6 Hình Phần tử dầm FGM có lớp áp điện 19 Hình 2 Các lực chuyển vị nút phần tử dầm 25 Hình Mơ hình dầm FGM có miếng áp điện 26 Hình 2.4 a Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết đầu dầm SS số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 35 Hình 2.4 b Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết dầm SS với số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 36 Hình 2.4 c Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết suốt chiều dài dầm SS số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 37 Hình 2.5 a Sự biến đổi hai tần số chuẩn theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết đầu ngàm dầm CC số gradient vật liệu.thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 38 Hình 2.5 b Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết dầm CC với số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 39 Hình 2.5 c Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày tương đối miếng áp điện liên kết suốt chiều dài dầm CC số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 40 Hình 2.6 a Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày miếng áp điện liên kết với đầu ngàm dầm công xôn CF số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 41 Hình 2.6 b Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày miếng áp điện liên kết đầu tự dầm công-xôn CF số gradient vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 42 Hình 2.6 c Sự biến đổi hai tần số chuẩn hóa theo độ dày miếng áp điện liên kết dầm công-xôn CF số gradient vật liệu.thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10) 43 ... lược vật liệu áp điện ứng dụng 1.2 Ứng dụng vật liệu áp điện đời sống kỹ thuật 1.3 Tổng quan nghiên cứu vật liệu kết cấu áp điện 1.4 Ứng dụng vật liệu áp điện chẩn đốn kỹ thuật. .. 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. .. 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 đoán kỹ thuật cơng trình nói chung tổng quan đầy đủ công bố Winston