LUẬN VĂN Phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
LUẬN VĂN Phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện
TÓM TẮT
Phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện
Trong luận văn này, xác định chuyển vị của tấm composite lớp được gây ra bởi bộ kích hoạt áp điện, hiệu ứng kết hợp giữa thuộc tính cơ học và điện của vật liệu áp điện đã được đề cập cho những ứng dụng về điện thế của chúng như cảm biến và bộ kích hoạt. Trong luận văn này, hai bộ kích hoạt áp điện được dán đối xứng qua bề mặt liên kết của tấm composite phân lớp. Điện áp điện với cường độ giống nhau và dấu hiệu ngược nhau được kích hoạt vào hai bộ kích hoạt áp điện được dán trên tấm composite lớp, dẫn tới gây ra momen uốn trên tấm composite lớp. Momen uốn thu được từ thuyết phân lớp cổ điển và sự áp điện.. Phương pháp phân tích của chuyển vị uốn của tấm composite với liên kết tựa đơn phụ thuộc vào momen uốn được giải quyết bằng cách sử dụng thuyết tấm. Ảnh hưởng của kích thước và vị trí của bộ kích hoạt áp điện trên sự phản ứng của tấm composite lớp được trình bày thông qua phương pháp nghiên cứu tham số. Một mô hình kết hợp đơn giản thuyết lớp cổ điển và thuyết tấm được trình bày để dự báo dạng biến dạng của tấm hỗ trợ đơn. Đặc trưng điều khiển chuyển vị uốn của tấm được minh họa bằng cách phân bố bộ kích hoạt áp điện tại những vị trí khác nhau. Phương pháp mô phỏng tính toán làm tiền đề cho ứng dụng vào thực nghiệm và sản xuất trong thực tế.
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 a cross-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.
MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH.......................................................................................................................
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG 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
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU..................................................................................................... 1
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn ................................................................................ 1
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu............................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 4
5. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp............................................................................... 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN............................................................................................ 5
- Giới thiệu về vật liệu composite....................................................................... 5
- Giới thiệu về vật liệu áp điện.......................................................................... 11
- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước..................................................... 16
3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước............................................................. 16
3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................. 21
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................. 23
1 . Lý thuyết về tấm mỏng...................................................................................... 23
- Quan hệ ứng suất và biến dạng vật liệu composite....................................... 25
2.1 Quan hệ ứng suất và biến dạng trong một lớp vật liệu composite....... 25
2.2 Quan hệ ứng suất và biến dạng trong nhiều lớp vật liệu composite... 29
2.2.1 Trường chuyển vị.............................................................................. 30
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 cơ bản của vật liệu áp điện.......................................... 34
3.1 Sự Phân Cực................................................................................................. 34
3.2 Sự Áp Điện................................................................................................... 36
3.3 Sự Áp Điện Tuyến Tính............................................................................... 36
3.4 Lớp Áp Điện.................................................................................................. 38
3.4.1 Lớp Đơn Trong Ứng Suất Phẳng....................................................... 39
3.4.2 Đa Lớp.................................................................................................. 41
4. Quan hệ ứng suất biến dạng của tấm 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
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................ 53
1. Bài toán áp dụng 1............................................................................................ 54
1.1 Bài toán 1.................................................................................................... 54
1.2 Bài toán 2.................................................................................................... 60
1.3 Bài toán 3.................................................................................................... 61
2. Bài toán áp dụng 2............................................................................................ 65
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................... 69
1. Kết luận.............................................................................................................. 69
2. Kiến nghị............................................................................................................ 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 72
PHỤ LỤC 1............................................................................................ 74
PHỤ LỤC 2............................................................................................ 84
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình Trang
Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu tạo composite................................................................. 5
Hình 2.2: Nhà bằng tường rơm và đất sét........................................................................ 6
Hình 2.3: Cấu tạo của vật liệu composite lớp................................................................. 7
Hình 2.4: Một số loại cốt cấu tạo composite.................................................................. 8
Hình 2.5: Các loại chất liệu nền composite.................................................................... 8
Hình 2.6: a) composite hạt, b) composite sợi, c) composite phiến, d) composite vảy, e) composite đổ đầy................................................................................................................................................ 9
Hình 2.7: Một số sản phẩm được chế tạo từ vật liệu composite................................ 10
Hình 2.8 : Hiện tượng áp điện......................................................................................... 11
Hình 2.9: Sự biến dạng của tinh thể áp điện................................................................. 12
Hình 2.10: Sự tương tác cơ điện của vật liệu áp điện.................................................. 12
Hình 2.11: Tinh thể áp điện............................................................................................ 13
Hình 2.12: Gốm áp điện(trái) và polymer áp điện....................................................... 14
Hình 2.13: Phân loại vật liệu áp điện PZT, PVDF phổ biến....................................... 15
Hình 2.14: Tấm dán actuator LaRC-MFC (trái) và giày có thể tích điện năm 1996 (giữa) và cặp đeo có dây đai áp điện năm 2007....................................................................................................... 15
Hình 2.15: (a) Mô tơ áp điện tuyến tính N215 (b) Bệ áp điện khiều khiển vị trí theo chiều dài nanomet.............................................................................................................................................. 16
Hình 2.16: Sữa chữa dầm bị phân lớp thông qua miếng áp điện (PZT).................... 17
Hình 2.17: Địa điểm của elip với sự xác định vùng nứt.............................................. 18
Hình 2.18: Sự định hướng vết nứt.................................................................................. 18
Hình 2.19: Sữa chữa vết nứt của dầm với điều kiện biên tổng hợp........................... 19
Hình 2.20: Độ dốc của dầm bị nứt trước và sau sữa chữa.......................................... 20
Hình 2.21: Sự tăng cường cho dầm bằng sử dụng vật liệu áp điện............................ 20
Hình 3.1: Các thành phần nội lực (Kirchoff)............................................................... 23
Hình 3.2: Quan hệ giữa các góc xoay của mặt trung hòa và đạo hàm độ võng....... 24
Hình 3.3: composite lệch trục......................................................................................... 25
Hình 3.4: Hệ trục tọa độ vật liệu (1,2,3) và hệ qui chiếu chung(x,y,z).................... 29
Hình 3.5: Sự phân cực điện tích..................................................................................... 35
Hình 3.6: Mô hình tấm composite liên kết với miếng áp điện .................................. 38
Hình 3.7: Lớp và hệ trục tọa độ của lớp đơn................................................................ 39
Hình 3.8: phân tích nội lực của tấm (Kirchoff)............................................................ 42
Hình 3.9: Vật liệu đa lớp................................................................................................. 42
Hình 3.10: Momen uốn trên tấm composite lớp gây ra bởi bộ kích hoạt................ 44
Hình 3.11: Sự phân bố ứng suất dọc theo độ dày của tấm composite lớp................ 44
Hình 3.12 : Bộ kích hoạt áp điện được liên kết bề mặt trên tấm composite............ 50
Hình 4.1: Mô hình miếng áp điện liên kết với tấm composite trên gối tựa đơn...... 53
Hình 4.2 : Ba kích thước khác nhau của bộ kích hoạt áp điện PZT.......................... 54
Hình 4.3: Mô tả chuyển vị tấm composite có gắn miếng PZT tại tâm (center)....... 59
Hình 4.4: Ba vị trí khác nhau của bộ kích hoạt áp điện PZT 100x80 mm............... 60
Hình 4.5: Mô tả chuyển vị của tấm composite có gắn miếng PZT............................ 63
Hình 4.6: Mô tả chuyển vị của tấm composite có gắn miếng PZT............................ 63
Hình 4.7: Sơ đồ biểu thị chuyển vị điểm tại tâm mặt cắt miếng PZT........................ 64
Hình 4.8: Tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu tải phân bố đều................. 65
Hình 4.9a: Đồ thị độ võng theo đường OA của tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu tải phân bố đều....................................................................................................................................... 66
Hình 4.9b: Độ võng theo đường OA của tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu tải phân bố đều[FEM)........................................................................................................................... 66
Hình 4.10: Vị trí dán miếng PZT trên tấm composite (0/-45/45/45/-45/0).............. 67
Hình 4.11: Độ võng theo đường OA của tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu tải phân bố đều 100N/m2 và áp đặt ở các mức điện thế khác nhau....................................................... 67
Hình 4.12: Đồ thị độ võng theo đường OA của tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu tải phân bố đều 100N/m2 và áp đặt ở các mức điện thế khác nhau................................................ 67
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng Trang
Bảng 1: Thuộc tính vật liệu composite (cacbon/epoxy) và PZT G 1195................. 53
Bảng 2: So sánh chuyển vị lớn nhất của tấm composite được gây ra bởi các miếng PZT với ba kích thước khác nhau........................................................................................................................... 59
Bảng 3: Chuyển vị lớn nhất của tấm composite được gây ra bởi bộ kích hoạt
PZT tại ba vị trí khác nhau............................................................................................. 64
Bảng 4: Chuyển vị lớn nhất của tấm composite được gây ra bởi bộ kích hoạt
PZT với các điện áp khác nhau...................................................................................... 64
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
1,2,3 Hệ trục chính của lớp vật liệu
x,y,z Hệtrục chung của tấm vật liệu composite lớp
u,v,w Các thành phần chuyển vị theo phương x,y,z
u0,v0,w0 Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z của mặt trung bình tấm
ψx, ψy,ψz Các thành phần chuyển vị góc quanh các trục x,y,z
ɛx,ɛy,ɛz Các thành phần biến dạng dài theo các phương x,y,z
kx,ky,kz Các thành phần độ cong theo các trục x,y,z
kxy,kxz,kyz Các thành phần độ cong trong các mặt phẳng xy, xz,yz
Các thành phần ứng suất pháp trong hệ tọa độ x,y,z
Các thành phần ứng suất tiếp trong hệ tọa độ x,y,z
Các thành phần ứng suất pháp trong hệ trục tọa độ 1,2,3
Các thành phần ứng suất tiếp trong hệ tọa độ 1,2,3
Góc phương sợi của lớp vật liệu
hk Tọa độ bề mặt của lớp vật liệu composite
t Chiều dày của tấm vật liệu composite.
[C] Ma trận hằng số độ cứng của lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ 1,2,3
[C’] Ma trận hằng số độ cứng của lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z
[Q] Ma trận độ cứng thu gọn của lớp vật liệu compositetrong hệ tọa độ 1,2,3
[Q’] Ma trận độ cứng thu gọn của lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z
[A],[B] Ma trận độ cứng mở rộng
[D] Ma trận cứng cho uốn
C Điện dung trên tấm dẫn điện
Q1 Điện tích ràng buộc trên tấm dẫn điện
Q2 Điện tích tự do trên tấm dẫn điện
E Điện trường đều
ẞ Mật độ điện tích phân bố trên tấm
ɛ0 Hằng số điện môi chân không
ɛr Hằng số điện môi tuyệt đối của vật cách điện
P Sự phân cực
d32, d31 Hệ số dẫn nạp áp điện của bộ kích hoạt
g31, g33 Hệ số điện áp áp điện
k31, k33, kp,kt Hệ số liên kết điện cơ áp điện
e31, e32 Hệ số điện môi của vật liệu áp điện
c Ma trận độ cứng của vật liệu áp điện
Tx Ứng suất của vật liệu áp điện theo phương x
Ty Ứng suất của vật liệu áp điện theo phương y
Sx Biến dạng của vật liệu áp điện theo phương x
Sy Biến dạng của vật liệu áp điện theo phương y
CE Đề cập tới độ cứng khi điện trường là hằng số
[d], [e], [g], [h] Ma trận hằng số áp điện
[RT], [RS]K Ma trận chuyển đổi quan hệ đến ứng suất, biến dạng
Φ Điện thế được áp vào bộ kích hoạt
Epe Hệ số modun đàn hồi của vật liệu áp điện
Vpe Hệ số poison của vật liệu áp điện
Pmn Tải trọng hắng số
Wmn Hằng số chuyển vị
Chương 1
MỞ ĐẦU
- Cơ sở khoa học và thực tiễn
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật là yếu tố quyết định cho sự ra đời của các thành tựu khoa học. Và những thành tựu này thể hiện rõ trên mọi lĩnh vực nói chung và trong ngành cơ học nói riêng. Trong đó sự xuất hiện các loại vật liệu mới với công nghệ cao đã và đang mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và nâng cao tuổi thọ làm việc cho các máy móc nói chung và các chi tiết cơ khí nói riêng.
Vật liệu composite là vật liệu đã được con người sáng tạo và sử dụng từ rất lâu. Nhẹ -chắc- bền- không gỉ, chịu được các yếu tố tác động của môi trường , đó là những ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thông và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.
Mặc dù, composite là loại vật liệu đã có từ lâu nhưng các ngành khoa học về vật liệu này lại vô cùng non trẻ. Khoa học vật liệu composite mới được hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên của nó trong công nghệ tên lửa ở Mỹ vào những năm 1950 của thế kỷ XX. Cho đến nay, ngành khoa học này đã phát triển vượt bậc không chỉ ở Mỹ, Nga mà còn ở các nước công nghiệp như Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản,…
Nhưng vấn đề cần đặt ra là làm thế nào để xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử cơ học của chi tiết, kết cấu tấm composite lớp nhằm dự báo khả năng làm việc hiện tại của kết cấu để có những giải pháp ngăn ngừa các hư hỏng có thể xảy ra khi mà vật liệu composite có rất nhiều điểm khác biệt so với vật liệu kim loại: nhẹ, độ bền riêng và modun riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt và cũng là loại vật liệu có tính dị hướng rất cao. Hơn nữa, độ bền và tuổi thọ của các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và đặc biệt vào cấp độ chính xác của mô hình tính toán và thiết kế.
Tất cả những điều trên cho thấy cần phải có những mô hình cơ học xác thực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu tấm composite lớp khi chịu tác dụng của tải trọng và môi trường. Trong những thập niên gần đây các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để đưa ra các phương pháp để giải quyết một cách chính xác các vấn đề về ứng xử cơ học trên vật liệu composite lớp: M.W. Hyer đã Phân tích ứng suất trong vật liệu composite cốt sợi, Tans.C phân tích sự tập trung ứng suất trong composite lớp. L.banks and D.shearman” Lý thuyết đàn hồi cho vật liệu không đẳng hướng”. Levinson.M “ Cơ học thuyết đơn giản trong kết cấu tấm đàn hồi”.
Thiết bị áp điện (piezoelectic actuator) là thích hợp với kỹ thuật kết cấu với những ứng dụng để điều khiển hình dạng, giảm dao động và tiếng ồn. Cấu trúc thông minh được tích hợp với bộ kích hoạt có khả năng đáp ứng với sự thay đổi môi trường và điều khiển chuyển động của cấu trúc. Gốm áp điện là vật liệu thông dụng nhất sử dụng trong cấu trúc thông minh và có thể có sẵn trên bề mặt cấu trúc để quan sát trực tuyến hệ thống, hoặc được gắn vào trong cấu trúc mà không có sự thay đổi đáng kể độ cứng cấu trúc hệ thống.
Tuy nhiên việc tính toán các ứng xử trên vật liệu compsite lớp cũng gặp nhiều khó khăn vì ứng suất và biến dạng trong tấm composite lớp không những phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu đặc trưng hình học và môi trường làm việc của kết cấu. Thêm vào đó, phân bố ứng suất trong vật liệu composite lớp phức tạp hơn nhiều so với vật liệu đẳng hướng. Việc phân tích ứng suất biến dạng đòi hỏi người phân tích phải nằm vững lý thuyết về ứng suất, biến dạng và các định luật quan hệ biến dạng- ứng suất. Nói một cách tổng quát, phương pháp sử dụng thường đưa đến việc đo biến dạng để từ đó suy ra ứng suất. Những mối quan hệ ứng suất- biến dạng đã tạo thành chủ đề của các lý thuyết về đàn hồi và chảy dẻo.
Một mô hình tồn tại hai bộ kích hoạt áp điện được dán đối xứng trên bề mặt của tấm composite lớp phụ thuộc vào điện áp. Đối tượng của nghiên cứu là để phát triển biểu thức phân tích ứng xử của tấm mỏng được kích thích bằng cách dán những bộ kích hoạt áp điện.
Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về ứng xử cơ học( mô phỏng số cũng như thực nghiệm) của kết cấu composite áp điện còn mới mẻ và còn rất ít kết quả được công bố. xuất phát từ thực tế đó, đề tài: “Phân Tích Ứng Xử Cơ Học Của Tấm Composite Với Bộ Kích Hoạt Tinh Thể Áp Điện” được nghiên cứu trong luận văn này, với mong muốn đóng góp vào việc xây dựng và phát triển lĩnh vực nghiên cứu các vấn đề cơ học ứng dụng trên tấm composite ở Việt Nam.
- Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là dựa trên cơ sở lý thuyết tấm, lý thuyết composite lớp, vật liệu áp điện để giải quyết vấn đề :”Phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện”. Làm thuật toán để giải quyết bài toán chuyển vị cho tấm nhằm điều khiển chính xác, điều khiển hình dạng cho những chi tiết dạng tấm để từ đó làm cơ sở , tiền đề cho quá trình thực nghiệm, ứng dụng vào sản xuất.
Nhiệm vụ của đề tài là thiết lập các hệ thức tấm biến dạng, chuyển vị, ứng suất. Sau đó, viết chương trình tính toán các đại lượng trên thông qua phương pháp chuỗi lượng giác kép-phương pháp của Navie để phân tích đánh giá các ứng xử cơ học của tấm composie lớp cốt sợi khi chịu tác động của bộ kích hoạt áp điện bằng cách khảo sát hai bộ kích hoạt áp điện dán trên bề mặt của tấm composite . Điện thế với độ lớn giống nhau và ngược dấu nhau được áp dụng cho hai bộ kích hoạt áp điện đối xứng.
Với các giả thiết cơ bản về biến dạng của tấm mỏng, luận văn góp phần xây dựng được các hệ thức quan hệ ứng suất – biến dạng cho phân tố tấm composite có dán miếng áp điện.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: “phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện”. Mô hình bài toán và bài toán thực tế gồm tấm composite lớp được dán hai lớp hoặc miếng áp điện lên trên bề mặt của tấm để dự đoán chuyển vị của tấm composite lớp với điện thế được kích vào hai bản cực của lớp áp điện và để điều khiển được chuyển vị của tấm composite dưới tác dụng của lực tác dụng ngoài. Phát triển biểu thức phân tích ứng xử của tấm mỏng được kích thích bằng cách dán những bộ kích hoạt áp điện.
Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng phương pháp của Navie trong việc giải quyết các vấn đề về xác định các ứng xử cơ học trong vật liệu composite còn rất mới mẻ, đồng thời cũng là những lĩnh vực rộng lớn. Do vậy, giới hạn của đề tài chỉ thực hiện trên các chi tiết điển hình và trong khuôn khổ cơ học đàn hồi tuyến tính.
- Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu, phân tích lý thuyết dựa trên việc tham khảo, tìm kiếm các bài báo và các tài liệu trong nước và quốc tế có liên quan đến vật liệu composite và vật liệu áp điện . Với việc giải quyết hai vấn đề chính:
- Vấn đềthứ nhất: Xác định các quan hệ cơ bản của vật liệu dị hướng.
- Vấn đề thứ hai: Nghiên cứu ứng xử đàn hồi của vật liệu dị hướng để từ đó tìm ra các ứng xử cơ học trong tấm vật liệu composite với bộ kích hoạt tinh thể áp điện.
- Kết cấu của luận văn tốt nghiệp
Đề tài “phân tích ứng xử cơ học của tấm composite với bộ kích hoạt bằng tinh thể áp điện” gồm có 5 chương và phần phụ lục.
- Chương 1: Mở đầu
- Chương 2: Tổng quan
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
- Chương 4: Kết quả và thảo luận
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục 1
- Phụ lục 2
Chương 2
TỔNG QUAN
1. Giới thiệu về vật liệu composite
1.1 Khái niệm:
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hổn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục.
Pha liên tục gọi là nền (matrice). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reenforce).
Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu tạo composite.
1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Những vật liệu đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm trước công nguyên, con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh sau khi phơi nắng, và điển hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập. Người Hy Lạp cổ cũng biết lấy mật ong trộn với đất đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. và ở Việt Nam, ông cha ta ngày xưa đã truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vào vách nhà, khi khô tạo được lớp vật liệu cứng, mát vào mùa hè và ấm vào mùa đông…
Mặc dù composite là loại vật liệu đã có từ rất lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và thuật ngữ vật liệu mới ngày nay đồng nghĩa với vật liệu composite.
Hình 2.2: Nhà bằng tường rơm và đất sét.
Ngày nay trên thế giới vật liệu composite được sử dụng rộng rải từ các kiến trúc xây dựng như cầu đường, nhà cao tầng, các phương tiện di chuyển như phi cơ, tàu thủy,ô tô đến những vật gia dụng bình thường như bàn ghế, bồn tắm, sàn nhà…. Những chiếc du thuyền hiện đại có thân tàu làm từ composite sợi thủy tinh, cánh của các máy bay hạng nhẹ và thậm chí của các chiến đấu cơ là composite sợi carbon.
Ở Việt Nam để sản xuất các loại vật liệu composite sợi thủy tinh FRP (Fiberglass Reinforced Polymer) thì có thể sản xuất ít nhiều các loại nhựa nền, còn sợi thuỷ tinh làm cốt sợi gia cường thì hoàn toàn phải nhập khẩu. Có thể khẳng định, thực tế trong cả nước cho đến nay vẫn chưa có nhà máy nào sản xuất được các loại vật liệu này. Cả nước chỉ có nhà máy xi măng trắng Thái Bình, công suất 25.000 tấn/năm.Vật liệu composite nhựa cốt sợi thuỷ tinh (Fiberglass Reinforced Plastic - FRP) mới được đưa vào sử dụng không lâu nhưng đã nhanh chóng được chấp nhận. Điển hình là các dự án đã sử dụng ống FRP như Nhà máy nước Dung Quất (30.000 m3/ ngày), Nhà máy nước khu công nghiệp Phối A (20.000 m3/ ngày), đặc biệt là đường ống cấp nước dài trên 80 km từ hồ Sông Đà về Hà Nội (600.000 m3/ ngày),… tất cả các dự án này đều sử dụng sản phẩm của Công ty Cổ phần Ống sợi thuỷ tinh Vinaconex (Viglafico). Chính vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo các loại vật liệu tiên tiến, đặc biệt là vật liệu composite sợi thủy tinh là một yêu cầu cần thiết.
1.3 Thành phần và cấu tạo vật liệu composite
Nhìn chung mỗi vật liệu composite được tạo thành gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục được gọi là vật liệu nền (vật liệu kết dính) làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn gọi là cốt của composite phải thõa mãn được những đòi hỏi về khai thác và về công nghệ. Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng, độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, độ bền ăn mòn trong môi trường axit, kiềm. Còn đòi hỏi về công nghệ là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra những thành phần cốt và những vật liệu composite trên cơ sở sử dụng những cốt này.
Vật liệu composite thường gồm nhiều lớp, các lớp được dính lại với nhau để tạo thành tấm, trong một lớp có thể gồm nhiều sợi ngắn và sợi dài xếp song song với nhau. Trong vật liệu composite, thành phần chịu lực chính là cốt, nền có nhiệm vụ liên kết, bảo vệ và truyền tải trọng cơ học cho cốt.
Hình 2.3: Cấu tạo của vật liệu composite lớp.
Thành phần cốt của composite gồm có 9 loại thường dùng là các sợi ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết ( được xoắn gồm nhiều loại sợi với nhau): sợi thủy tinh, sợi cacbon hoặc sợi kim loại, mỗi loại sợi có tính năng ưu điểm, khuyết điểm và hiệu quả riêng. Độ bền của vật liệu composite phụ thuộc vào hình thức sắp xếp sợi và số lượng sợi được sử dụng. Sợi được gộp thành tao sợi , mỗi tao sợi có khoảng 100 sợi, những tạo sợi này được gộp lại thành nhiều lọn. Nếu những lọn này được se lại người ta gọi là chỉ sợi, những lọn này tạo ra sự tăng cường độ bền theo một chiều. Nếu muốn tăng cường độ bền theo hai chiều người ta sẽ dùng chỉ sợi dệt thành vải. Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60 - 65% thể tích vật liệu composite. Theo tính toán, nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên giữa chúng sẽ nảy sinh tuơng tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu.
Hình 2.4: Một số loại cốt cấu tạo composite
Chất liệu nền giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc chế tạo ra vật liệu composite. Vì vậy nên phải đảm bảo được cho vật liệu composite làm việc trong những điều kiện khai thác khác nhau, đảm bảo được sự đồng đều trong quá trình làm việc, hiệu quả giữa các thành phần cốt với các dạng đặt tải khác nhau, bền vững khi chịu tải trượt, hoặc chịu tải ở những hướng lệch với hướng của các dầm cốt hoặc chịu tải tuần hoàn. Bản thân vật liệu nền sẽ xác định vật liệu composite mới tạo ra chịu được đến nhiệt độ nào và cũng quyết định khả năng chịu đựng các tác động môi trường, hóa học. Và một phần tính chất cơ học vật lý và những đặc tính khác của vật liệu nói chung. Chính vì vậy vật liệu nền có vai trò quan trọng như vậy, nên ngoài cách phân loại như cấu trúc người ta còn gọi composite theo vật liệu nền: vật liệu composite nền polyme, vật liệu composite nền kim loại, vật liệu composite nền cacbon, vật liệu composite nền gốm…
Hình 2.5: Các loại chất liệu nền composite
a) Nền kim loại b) Nền cacbon
1.4 Phân loại vật liệu composite
1.4.1 Phân loại theo hình dạng
Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy,composite phiến.
Hình 2.6: a) composite hạt, b) composite sợi, c) composite phiến, d) composite vảy, e) composite đổ đầy.
1.4.2 Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần
- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại.
- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.
- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm.
1.5 Các ứng dụng của vật liệu composite
Vật liệu composite đã có một lịch sử ứng dụng khá lâu và ngày nay loại vật liệu này được sử dụng hầu hết trong tất cả các lĩnh vực:
- Trong xây dựng: người ta chủ yếu dùng composite nền hữu cơ như ống dẫn dầu khí, tấm lợp, pannel vách ngăn, kênh thoát hóa chất, lớp phủ van công trình thủy lợi, gốm đệm mố cầu,…
- Trong chế tạo máy: sử dụng composite polyme để chế tạo thanh truyền và piston, khớp nối, đĩa phanh máy bay concord, khuôn đúc áp lực, các chi tiết chịu lực, chịu ma sát, sản xuất khung xe oto, vỏ tàu, thuyền du lịch, thuyền đánh cá,… composite sợi gốm, sợi cacbon được dùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao; trục đệm cánh quạt tuabin, máy biến nước biển thành nước ngọt….
........................................
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- Kết Luận
Với đề tài “ Phân Tích Ứng Xử Cơ Học Của Tấm Composite Với Bộ Kích Hoạt Bằng Tinh Thể Áp Điện”. Tác giả đã làm thuật toán để giải quyết bài toán chuyển vị cho tấm nhằm điều khiển chính xác, điều khiển hình dạng cho những chi tiết dạng tấm để từ đó làm cơ sở , tiền đề cho quá trình thực nghiệm, ứng dụng vào sản xuất.
Tác giả đã thực hiện được:
Với các giả thiết cơ bản về biến dạng của tấm mỏng, luận văn góp phần xây dựng được các hệ thức quan hệ ứng suất – biến dạng cho phân tố tấm composite.
Đã sử dụng phương pháp số, phương pháp chuối lượng giác kép Navie, hàm bậc thang đơn vị để giải quyết bài toán tính chuyển vị, ứng suất của tấm composite nhiều lớp chịu sự tác động của bộ kích hoạt áp điện PZT với các trường hợp biến đổi điện áp, độ dày, diện tích bề mặt tiếp xúc, cùng với sự thay đổi vị trí của bộ kích hoạt áp điện PZT của bộ kích hoạt áp điện được dán trên bề mặt tấm composite và với trường hợp sắp xếp phương sợi khác nhau của tấm composite.
Vật liệu áp điện thường được sử dụng bộ kích hoạt biến dạng và điều khiển hình dạng của cấu trúc thông minh, khi chúng kết hợp và phản ứng nhanh. Trong nghiên cứu này, hai bộ kích hoạt áp điện được gắn với bề mặt đối xứng nhau trên tấm composite phân lớp. điện áp áp điện với cường độ gióng nhau nhưng ngược chiều nhau được áp vào hai miếng kích hoạt áp điện, với kết quả là gây ra momen uốn trên tấm. Mô hình tiêu chuẩn được suy ra bằng cách sử dụng thuyết đàn hồi để mô tả sự tương tác giữa bộ kích hoạt và tấm composite. Cùng với thuyết tấm cổ điển, chuyển vị của tấm hỗ trợ đơn phụ thuộc vào momen uốn đạt được. Ảnh hưởng của kích thước và vị trí của bộ kích hoạt qua ứng xử của tấm composite được miêu tả thông qua phương pháp nghiên cứu tham số. Sự sử dụng thuyết tấm và thuyết phân lớp, hình dạng được làm biến dạng của tấm phân lớp có thể được phân tích dự đoán.
Trong bài toán uốn tĩnh ta có vị trí gắn miếng áp điện ở giữa tấm composite sẽ cho kết quả chuyển vị lớn nhất khi 4 cạnh tấm composite được đặt trên gối tựa đơn.
Tăng diện tích miếng gắn áp điện sẽ làm thay đổi nhiều hơn độ võng của tấm composite so với việc tăng độ dày của miếng áp điện có cùng thể tích.
Góc sợi của lớp composite ảnh hưởng đến độ võng của kết cấu tấm composite, Khi áp đặt cùng mức điện thế trên miếng áp điện gắn trên tấm composite.
Các Kết Quả Đạt Được:
Mô hình hóa vật liệu composite lớp bao gồm hai bộ kích hoạt áp diện được dán đối xứng qua tấm composite lớp phụ thuộc điện áp.
Xác định được momen uốn trên tấm composite được sinh ra khi đặt điện thế vào bộ kích hoạt áp điện bằng cách kết hợp thuyết tấm composite lớp và hiệu ứng áp điện.
Xác định được chuyển vị của tấm composite với bộ kích hoạt áp điện trên gối tựa đơn 4 cạnh bằng cách sử dụng hàm bậc thang đơn vị, cùng với thuyết tấm cổ điển, phương trình vi phân tấm composite, và phương pháp chuỗi lượng giác kép Navie.
Phương pháp tính cho phép tính một loạt bài toán kết cấu hình chữ nhật chịu uốn khi đặt bộ kích hoạt áp điện bất kỳ ở vị trí nào trên tấm composite.
Điều khiển được độ võng mong muốn của tấm composite bằng cách áp đặt mức điện thế phù hợp vào các miếng áp điện gắn lên tấm, hoặc tăng độ dày của bộ kích hoạt áp điện.
- Kiến nghị
Cơ học về vật liệu composite là một lĩnh vực rộng lớn và rất khó khăn trong việc giải quyết vấn đề vì tính chất suy biến của nó. Trong giới hạn đề tài, tác giả chỉ giải quyết trên vài mô hình cụ thể và đơn giản trong phạm vi cơ học đàn hồi tuyến tính, nên đề tài vẫn chưa nghiên cứu đầy đủ, cần tiếp tục nghiên cứu theo các hướng sau:
- Sử dụng lý thuyết tấm bậc cao hay lý thuyết lớp liên tiếp trong tính toán tĩnh các kết cấu tấm/ vỏ composite dày có gắn những lớp hay miếng áp điện.
- Nghiên cứu ứng xử cơ học của của các kết cấu tấm/vỏ composite áp điện có tính đến các tương tác cơ – điện – từ trường – nhiệt độ v.v.
- Tính toán tối ưu điều khiển hình dáng, dao động, triệt tiêu dao động của tấm/vỏ composite có gắn miếng áp điện.
- Nghiên cứu thực nghiệm quy mô hơn về tĩnh và động, về điều khiển kết cấu tấm composite có gắn miếng áp điện.
