vi MC LC QUYTăĐNH XÁC NHN CA CÁN B HNG DẪN LÝ LCH TRÍCH NGANG i LI CMăN ii LIăCAMăĐOAN iii TÓM TT iv ABSTRACT v MC LC vi CÁC HÌNH V TRONG LUNăVĔN x DANH MC KÝ HIU, CH VIT TT TRONG LUNăVĔN xii CHNGă1:ăM ĐU 1 1. ωơ s khoa học và thực tin 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ ca nghiên cu 3 γ. Đi tợng và phm vi nghiên cu 3 4. Phơng pháp nghiên cu 4 5. Kết cấu ca đồ án tt nghiệp 4 CHNGă2:ăTNG QUAN 5 1. Giới thiệu về vật liệu composite 5 2. Giới thiệu về vật liệu áp điện 11 3. Tình hình nghiên cu trong và ngoài nớc 16 3.1 Tình hình nghiên cu ngoài nớc 16 3.2 Tình hình nghiên cu trong nớc 21 CHNGă3: CăS LÝ THUYT 23 1 . Lý thuyết về tấm mng 23 2. Quan hệ ng suất và biến dng vật liệu composite 25 2.1 Quan hệ ng suất và biến dng trong một lớp vật liệu composite 25 2.2 Quan hệ ng suất và biến dng trong nhiều lớp vật liệu composite 29 2.2.1 Trng chuyn vị 30 vii 2.2.2 Trng biến dng 30 2.2.3 Trng ng Suất 31 2.2.4 Các Thành Phần Nội Lực 32 3. Những phơng trình cơ bn ca vật liệu áp điện. 34 3.1 Sự Phân Cực 34 3.2 Sự Ễp Điện 36 3.3Sự Ễp Điện Tuyến Tính 36 3.4Lớp Ễp Điện 38 3.4.1 Lớp Đơn Trong ng Suất Phẳng 39 3.4.2 Đa Lớp 41 4. Quan hệ ng suất biến dng ca tấm composite có lớp áp điện. 42 4.1 Momen Un 43 4.2 Độ Lệch ωa Tấm ωomposite Với Sự Kích Hot Ễp Điện 50 CHNGă4: KT QU VÀ THO LUN 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 CHNGă5 : KT LUN VÀ KIN NGH 69 1. Kết luận 69 2. Kiến nghị 70 TÀI LIU THAM KHO 72 PH LC 1 74 PH LC 2 84 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Sơ đồ minh họa cấu to composite. 5 Hình 2.2: Nhà bằng tng rơm và đất sét. 6 Hình 2.3: Cấu to ca vật liệu composite lớp. 7 Hình 2.4: Một s loi ct cấu to composite 8 Hình 2.5: Các loi chất liệu nền composite 8 Hình 2.6: a) composite ht, b) composite sợi, c) composite phiến, d) composite vy, e) composite đổ đầy. 9 Hình 2.7: Một s sn phẩm đợc chế to từ vật liệu composite. 10 Hình 2.8 : Hiện tợng áp điện 11 Hình 2.9: Sự biến dng ca tinh th áp điện. 12 Hình 2.10: Sự tơng tác cơ điện ca vật liệu áp điện. 12 Hình 2.11: Tinh th áp điện 13 Hình 2.12: Gm áp điện(trái) và polymer áp điện. 14 Hình 2.13: Phân loi vật liệu áp điện PZT, PVDF phổ biến. 15 Hình 2.14: Tấm dán actuator LaRω-MFω (trái) và giày có th tích điện năm 1996 (giữa) và cặp đeo có dây đai áp điện năm β007. 15 Hình 2.15: (a) Mô tơ áp điện tuyến tính N215 (b) Bệ áp điện khiều khin 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 đim ca elip với sự xác định vùng nt. 18 Hình 2.18: Sự định hớng vết nt. 18 Hình 2.19:Sữa chữa vết nt ca dầm với điều kiện biên tổng hợp 19 Hình 2.20: Độ dc ca dầm bị nt trớc và sau sữa chữa 20 Hình 2.21: Sự tăng cng 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 ca mặt trung hòa và đo hàm độ võng. 24 ix 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 ca lớp đơn. 39 Hình 3.8: phân tích nội lực ca tấm (Kirchoff). 42 Hình 3.9: Vật liệu đa lớp. 42 Hình 3.10: Momen un trên tấm composite lớp gây ra bi bộ kích hot 44 Hình 3.11: Sự phân b ng suất dọc theo độ dày ca tấm composite lớp 44 Hình 3.12 : ψộ kích hot áp điện đợc liên kết bề mặt trên tấm composite. 50 Hình 4.1: Mô hình miếng áp điện liên kết với tấm composite trên gi tựa đơn. 53 Hình 4.2 : ψa kích thớc khác nhau ca bộ kích hot áp điện PZT. 54 Hình 4.3: Mô t chuyn vị tấm composite có gắn miếng PZT ti tâm (center). 59 Hình 4.4: Ba vị trí khác nhau ca bộ kích hot áp điện PZT 100x80 mm. 60 Hình 4.5: Mô t chuyn vị ca tấm composite có gắn miếng PZT 63 Hình 4.6: Mô t chuyn vị ca tấm composite có gắn miếng PZT 63 Hình 4.7: Sơ đồ biu thị chuyn vị đim ti tâm mặt cắt miếng PZT. 64 Hình 4.8: Tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b đều. 65 Hình 4.9a: Đồ thị độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b đều. 66 Hình 4.9b: Độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b 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 đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b đều 100N/m 2 và áp đặt  các mc điện thế khác nhau 67 Hình 4.12: Đồ thị độ võng theo đng OA ca tấm composite (0/-45/45/45/-45/0) khi chịu ti phân b đều 100N/m 2 và áp đặt  các mc điện thế khác nhau 67 x DANH SÁCH CÁC BNG Bng Trang Bng 1: Thuộc tính vật liệu composite (cacbon/epoxy) và PZT G 1195 53 Bng 2: So sánh chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi các miếng PZT với ba kích thớc khác nhau 59 Bng 3: Chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi bộ kích hot PZT ti ba vị trí khác nhau 64 Bng 4: Chuyn vị lớn nhất ca tấm composite đợc gây ra bi bộ kích hot PZT với các điện áp khác nhau 64 xi DANH MC CÁC KÝ HIU, CH VIT TT 1,2,3 Hệ trục chính ca lớp vật liệu x,y,z Hệtrục chung ca tấm vật liệu composite lớp u,v,w Các thành phần chuyn vị theo phơng x,y,z u 0 ,v 0 ,w 0 Các thành phần chuyn vị theo các phơng x,y,z ca mặt trung bình tấm  x ,  y , z Các thành phần chuyn vị góc quanh các trục x,y,z ɛ x ,ɛ y ,ɛ z Các thành phần biến dng dài theo các phơng x,y,z k x ,k y ,k z Các thành phần độ cong theo các trục x,y,z k xy ,k xz ,k yz Các thành phần độ cong trong các mặt phẳng xy, xz,yz  ,   ,   Các thành phần ng suất pháp trong hệ tọa độ x,y,z  ,   ,   Các thành phần ng suất tiếp trong hệ tọa độ x,y,z  1,  2 ,  3 Các thành phần ng suất pháp trong hệ trục tọa độ 1,2,3  12,  13 ,  23 Các thành phần ng suất tiếp trong hệ tọa độ 1,2,3  Góc phơng sợi ca lớp vật liệu h k Tọa độ bề mặt ca lớp vật liệu composite t Chiều dày ca tấm vật liệu composite. [C] Ma trận hằng s độ cng ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ 1,2,3 [ω’] Ma trận hằng s độ cng ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z [Q] Ma trận độ cng thu gọn ca lớp vật liệu compositetrong hệ tọa độ 1,2,3 [Q’] Ma trận độ cng thu gọn ca lớp vật liệu composite trong hệ tọa độ x,y,z [A],[B] Ma trận độ cng m rộng [D] Ma trận cng cho un C Điện dung trên tấm dẫn điện Q 1 Điện tích ràng buộc trên tấm dẫn điện Q 2 Điện tích tự do trên tấm dẫn điện E Điện trng đều ẞ Mật độ điện tích phân b trên tấm xii ɛ 0 Hằng s điện môi chân không ɛ r Hằng s điện môi tuyệt đi ca vật cách điện P Sự phân cực d32, d31 Hệ s dẫn np áp điện ca bộ kích hot g 31, g 33 Hệ s điện áp áp điện k 31 , k 33 , k p ,k t Hệ s liên kết điện cơ áp điện e 31 , e 32 Hệ s điện môi ca vật liệu áp điện c Ma trận độ cng ca vật liệu áp điện T x ng suất ca vật liệu áp điện theo phơng x T y ng suất ca vật liệu áp điện theo phơng y S x Biến dng ca vật liệu áp điện theo phơng x S y Biến dng ca vật liệu áp điện theo phơng y C E Đề cập tới độ cng khi điện trng là hằng s [d], [e], [g], [h] Ma trận hằng s áp điện [R T ], [R S ] K Ma trận chuyn đổi quan hệ đến ng suất, biến dng Φ Điện thế đợc áp vào bộ kích hot E pe Hệ s modun đàn hồi ca vật liệu áp điện V pe Hệ s poison ca vật liệu áp điện P mn Ti trọng hắng s W mn Hằng s chuyn vị 1 Chng1 M ĐU 1. Căs khoa học và thực tin Ngày nay với sự phát trin ca khoa học kỹ thuật là yếu t quyết định cho sự ra đi ca các thành tựu khoa học. Và những thành tựu này th hiện rõ trên mọi lĩnh vực nói chung và trong ngành cơ học nói riêng. Trong đó sự xuất hiện các loi vật liệu mới với công nghệ cao đư và đang mang li nhiều hiệu qu 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 đư đợc con ngi sáng to và sử dụng từ rất lâu. Nhẹ -chắc- bền- không gỉ, chịu đợc các yếu t tác động ca môi trng , đó là những u đim ch yếu ca vật liệu composite. Sự ra đi ca vật liệu composite là cuộc cách mng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thông và ngày càng đợc ng 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 đợc sử dụng rộng rãi trong đi sng hàng ngày. Mặc dù, composite là loi vật liệu đư có từ lâu nhng các ngành khoa học về vật liệu này li vô cùng non trẻ. Khoa học vật liệu composite mới đợc hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên ca nó trong công nghệ tên lửa  Mỹ vào những năm 1950 ca thế kỷ XX. ωho đến nay, ngành khoa học này đư phát trin vợt bậc không chỉ  Mỹ, Nga mà còn  các nớc công nghiệp nh Anh, Pháp, Đc, Nhật Bn,… Nhng vấn đề cần đặt ra là làm thế nào đ xác định chính xác vị trí ca các vết nt và phân tích ng xử cơ học ca chi tiết, kết cấu tấm composite lớp nhằm dự báo kh năng làm việc hiện ti ca kết cấu đ có những gii pháp ngăn ngừa các h hng có th xy ra khi mà vật liệu composite có rất nhiều đim khác biệt so với vật liệu kim loi: nhẹ, độ bền riêng và modun riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tt và cũng là loi vật liệu có tính dị hớng rất cao. Hơn nữa, độ bền và tuổi thọ ca các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phơng pháp gia công, ti 2 trọng tác dụng, môi trng làm việc và đặc biệt vào cấp độ chính xác ca mô hình tính toán và thiết kế. Tất c những điều trên cho thấy cần phi có những mô hình cơ học xác thực, những phơng pháp tính toán hiệu qu, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ng xử cơ học cũng nh độ bền ca các kết cấu tấm composite lớp khi chịu tác dụng ca ti trọng và môi trng. Trong những thập niên gần đây các nhà khoa học không ngừng nghiên cu đ đa ra các phơng pháp đ gii quyết một cách chính xác các vấn đề về ng xử cơ học trên vật liệu composite lớp: M.W. Hyer đưPhân tích ng suất trong vật liệu composite ct sợi, Tans.Cphân tíchsự tập trung ng suất trong composite lớp.L.banks and D.shearman” Lý thuyết đàn hồi cho vật liệu không đẳng hớng”. Levinson.M “ ωơ học thuyết đơn gin trong kết cấu tấm đàn hồi”. Thiết bị áp điện (piezoelectic actuator) là thích hợp với kỹ thuật kết cấu với những ng dụng đ điều khin hình dng, gim dao động và tiếng ồn. Cấu trúc thông minh đợc tích hợp với bộ kích hot có kh năng đáp ng với sự thay đổi môi trng và điều khin chuyn động ca cấu trúc. Gm áp điện là vật liệu thông dụng nhất sử dụng trong cấu trúc thông minh và có th có sẵn trên bề mặt cấu trúc đ quan sát trực tuyến hệ thng, hoặc đợc gắn vào trong cấu trúc mà không có sự thay đổi đáng k độ cng cấu trúc hệ thng. Tuy nhiên việc tính toán các ng xử trên vật liệu compsite lớp cũng gặp nhiều khó khăn vì ng suất và biến dng trong tấm composite lớp không những phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu đặc trng hình học và môi trng làm việc ca kết cấu. Thêm vào đó, phân b ng suất trong vật liệu composite lớp phc tp hơn nhiều so với vật liệu đẳng hớng.Việc phân tích ng suất biến dng đòi hi ngi phân tích phi nằm vững lý thuyết về ng suất, biến dng và các định luật quan hệ biến dng- ng suất. Nói một cách tổng quát, phơng pháp sử dụng thng đa đến việc đo biến dng đ từ đó suy ra ng suất. Những mi quan hệ ng suất- biến dng đư to thành ch đề ca các lý thuyết về đàn hồi và chy dẻo. Một mô hình tồn ti hai bộ kích hot áp điện đợc dán đi xng trên bề mặt ca tấm composite lớp phụ thuộc vào điện áp. Đi tợng ca nghiên cu là đ phát 3 trin biu thc phân tích ng xử ca tấm mng đợc kích thích bằng cách dán những bộ kích hot áp điện.  Việt Nam, hớng nghiên cu về ng xử cơ học( mô phng s cũng nh thực nghiệm) ca kết cấu composite áp điện còn mới mẻ và còn rất ít kết qu đợc công b. xuất phát từ thực tế đó, đề tài: “Phân Tích ng Xử ωơ Học Ca Tấm Composite Với Bộ Kích Hot Tinh Th Ễp Điện” đợc nghiên cu trong luận văn này, với mong mun đóng góp vào việc xây dựng và phát trin lĩnh vực nghiên cu các vấn đề cơ học ng dụng trên tấm composite  Việt Nam. 2. Mc tiêu và nhim v nghiên cu Mục tiêu ca đề tài là dựa trên cơ s lý thuyết tấm, lý thuyết composite lớp, vật liệu áp điện đ gii quyết vấn đề :”Phân tích ng xử cơ học ca tấm composite với bộ kích hot bằng tinh th áp điện”. Làm thuật toán đ gii quyết bài toán chuyn vị cho tấm nhằm điều khin chính xác, điều khin hình dng cho những chi tiết dng tấm đ từ đó làm cơ s , tiền đề cho quá trình thực nghiệm, ng dụng vào sn xuất. Nhiệm vụ ca đề tài là thiết lập các hệ thc tấm biến dng, chuyn vị, ng suất. Sau đó, viết chơng trình tính toán các đi lợng trên thông qua phơng pháp chuỗi lợng giác kép-phơng pháp ca Navie đ phân tích đánh giá các ng xử cơ học ca tấm composie lớp ct sợi khi chịu tác động ca bộ kích hot áp điện bằng cách kho sát hai bộ kích hot áp điện dán trên bề mặt ca tấm composite . Điện thế với độ lớn ging nhau và ngợc dấu nhau đợc áp dụng cho hai bộ kích hot áp điện đi xng. Với các gi thiết cơ bn về biến dng ca tấm mng, luận văn góp phần xây dựng đợc các hệ thc quan hệ ng suất – biến dng cho phân t tấm composite có dán miếng áp điện. 3. Đốiătng và phm vi nghiên cu Đi tợng nghiên cu ca đề tài là: “phân tích ng xử cơ học ca tấm composite với bộ kích hot bằng tinh th áp điện”. Mô hình bài toán và bài toán thực tế gồm tấm composite lớp đợc dán hai lớp hoặc miếng áp điện lên trên bề mặt [...]... polyvinylidene fluoride (PVDF) thì g m áp điện là lo i vật liệu có độ giòn cao và có tính cơ điện t t so với các polyme áp điện khác Phần này phân lo i các lo i vật liệu áp điện Vật liệu áp điện đ ợc phân thành các lo i sau: vật liệu có m ng tinh th đơn, g m áp điện, polyme áp điện, composite áp điện, tấm m ng áp điện  V t li u có m ng tinh th đ n Vật liệu có m ng tinh th đơn bao gồm th ch anh, liti... Xác định các quan hệ cơ b n c a vật liệu dị h ớng - Vấn đề th hai: Nghiên c u ng xử đàn hồi c a vật liệu dị h ớng đ từ đó tìm ra các ng xử cơ học trong tấm vật liệu composite với bộ kích ho t tinh th áp điện 5 K t c u c a lu năvĕnătốt nghi p Đề tài phân tích ng xử cơ học c a tấm composite với bộ kích ho t bằng tinh th áp điện gồm có 5 ch ơng và phần phụ lục - ωh ơng 1: M đầu - ωh ơng 2: Tổng quan -... a tấm đ dự đoán chuy n vị c a tấm composite lớp với điện thế đ ợc kích vào hai b n cực c a lớp áp điện và đ điều khi n đ ợc chuy n vị c a tấm composite d ới tác dụng c a lực tác dụng ngoài Phát tri n bi u th c phân tích ng xử c a tấm m ng đ ợc kích thích bằng cách dán những bộ kích ho t áp điện Ph m vi nghiên c u: Sử dụng ph ơng pháp c a Navie trong việc gi i quyết các vấn đề về xác định các ng xử. .. liệu áp điện nh là tinh th c a khoáng tua-ma-lin,đ ng mía,hoàng ngọc,thách anh, và mu i Rochelle Các tinh th c a các chất này đư t o ra điện tích bề mặt khi chịu các lực cơ học, nên tinh th áp điện có hai hiệu ng là hiệu ng áp điện thuận và hiệu ng áp điện nghịch Hiệu ng áp điện thuận đ ợc định nghĩa nh sự phân cực điện s n xuất b i sự biến d ng cơ học trong tinh th thuộc lớp nhất định Hiệu ng áp điện. .. nghịch là khi 1 tinh th bị biến d ng khi có sự phân cực điện bằng 1 l ợng tỷ lệ với tr ng điện (hình 2.9, hình 2.10) 11 Hình 2.9: Sự biến d ng c a tinh th áp điện Hình 2.10: Sự t ơng tác cơ điện c a vật liệu áp điện Hội đồng khoa học th i bấy gi đư đặt tên c a hiện t ợng này là áp điện đ nhấn m nh ý nghĩa c a quá trình ng sử này Trong tiếng Hy l p thì từ áp ” có nghĩa là “nhấn” Do đó áp điện là vật... a vùng phân lớp với ng suất cắt là không liên tục 16 Hình 2.16: Sữa chữa dầm bị phân lớp thông qua miếng áp điện (PZT) Wang và Quek đư trình bày ph ơng pháp sửa chữa sự phân lớp c a dầm thông qua miếng áp điện đ lo i b ng suất cắt không liên tục t i hai đầu c a vùng phân lớp, nhằm cân bằng với lực dọc trục gây ra trong dầm bị phân lớp khi u n bằng cách t o ra ph n lực thông qua miếng áp điện với độ... n(CS-FEM-DSG3) Trong các tấm composite có gắn tấm tinh th áp điện này, coi điện thế là hàm tuyến tính theo chiều dày c a mỗi lớp Thuật toán điều khi n hồi tiếp c a chuy n vị và vận t c đ ợc sử dụng đ điều khi n hồi tiếp động học và biến d ng tĩnh c a tấm thông qua việc điều khi n 21 vòng lập kính với các c m biến và bộ kích áp điện đ ợc phân b trên tấm Độ chính xác và tin cậy c a ph ơng pháp đ a ra đ ợc ki... cách phân lo i nh cấu trúc ng i ta còn gọi composite theo vật liệu nền: vật liệu composite nền polyme, vật liệu composite nền kim lo i, vật liệu composite nền cacbon, vật liệu composite nền g m… Hình 2.5: Các lo i chất liệu nền composite a) Nền kim lo i b) Nền cacbon 1.4 Phân lo i v t li u composite 8 1.4.1 Phân lo i theo hình d ng Composite sợi, composite v y, composite h t, composite điền đầy ,composite. .. cấu t o từ tấm áp điện m ng PVDF Khi đeo cặp (hình β.14, ph i) này thông qua việc đi bộ làm co giưn dây đeo sinh ra dòng điện Dòng điện này đ ợc tích l i trong pin và đ ợc dụng đ x c pin cho thiết bị iPod 15 Hình 2.15: (a) Mô tơ áp điện tuyến tính Nβ15 (b) ψệ áp điện khiều khi n vị trí theo chiều dài nanomet uăđi m c a lo i v t li u áp điên(ăc m bi n, b kích ho t): - Cấu trúc đơn gi n, - Kích th ớc... có th vĩnh cửu là do kỹ thuật xử lý gồm có kéo giàn và sự ghép lớp c a các lớp phân cực với nhau t o thành kh i Những lo i polymer áp đi n này th ng đ ợc sử dụng làm microphone và các ng dụng trong siêu âm hình 2.12 Hình 2.12: Polymer áp điện  Composite áp đi n ωomposite áp điện là sự kết hợp c a g m áp điện và polymer áp điện là vật liệu mang tính h a hẹn trong l ơng lai do nó kết hợp thuộc tính c . ng xử cơ học trong tấm vật liệu composite với bộ kích hot tinh th áp điện. 5. Kt cu ca lunăvĕnătốt nghip Đề tài phân tích ng xử cơ học ca tấm composite với bộ kích hot bằng tinh. cho phân t tấm composite có dán miếng áp điện. 3. Đốiătng và phm vi nghiên cu Đi tợng nghiên cu ca đề tài là: phân tích ng xử cơ học ca tấm composite với bộ kích hot bằng tinh. trên tấm dẫn điện Q 1 Điện tích ràng buộc trên tấm dẫn điện Q 2 Điện tích tự do trên tấm dẫn điện E Điện trng đều ẞ Mật độ điện tích phân b trên tấm xii ɛ 0 Hằng s điện môi chân