Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí và Cơ kỹ thuật: Ứng dụng vật liệu áp điện trong đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án này tập trung vào nghiên cứu dầm FGM áp điện có vết nứt nhằm mục tiêu phát triển một phương pháp chẩn đoán vết nứt trong dầm FGM sử dụng vật liệu áp điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí và Cơ kỹ thuật: 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 CÔNG 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 CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TSKH. Nguyễn Tiến Khiêm 2. 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 là GS.TSKH. Nguyễn Tiến Khiêm và TS. Trần Thanh Hải đã tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án này. Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo và tập thể cán bộ, các nhà khoa học trong Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về những sự giúp đỡ đó. 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 đã tạo điều kiện, luôn quan tâm và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập và hoàn thiện luận án Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên ủng hộ tác giả trong thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Lưu Quỳnh Hường
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào 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..............................4 1.1. Sơ lược về vật liệu áp điện và ứng dụng .............................................................. 4 1.2. Ứng dụng vật liệu áp điện trong đời sống và kỹ thuật. ........................................ 5 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về vật liệu và kết cấu áp điện .................................... 7 1.4. Ứng dụng vật liệu áp điện trong chẩn đoán kỹ thuật công trình ........................ 10 1.5. Tổng quan về dao động và chẩn đoán đoán vết nứt trong dầm FGM ................ 15 1.6. Đặt vấn đề nghiên cứu........................................................................................ 16 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1..........................................................................................18 CHƯƠNG 2.DAO ĐỘNG CỦA DẦM FGM NGUYÊN VẸN CÓ MIẾNG ÁP ĐIỆN........................ .................................................................................................19 2.1. Mô hình dao động của dầm FGM nguyên vẹn có lớp áp điện ........................... 19 2.2. Mô hình độ cứng động của phần tử dầm FGM nguyên vẹn có lớp áp điện....... 24 2.3. Tần số dao động riêng của dầm FGM nguyên vẹn với miếng áp điện - Kết quả số…. ....................................................................................................................... 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2..........................................................................................45 CHƯƠNG 3.DAO ĐỘNG CỦA DẦM FGM BỊ NỨT CÓ LỚP ÁP ĐIỆN ............46 3.1. Dao động của dầm FGM bị nứt có lớp áp điện .................................................. 46 3.1.1 Mô hình vết nứt trong dầm FGM có lớp áp điện ...................................... 46 3.1.2 Nghiệm tổng quát cho dao động tự do của dầm FGM bị nứt có lớp áp điện…. ................................................................................................................ 48 3.2. Dao động của dầm đồng nhất bị nứt có lớp áp điện........................................... 50 3.2.1 Cơ sở lý thuyết dao động của dầm áp điện có vết nứt .............................. 50
iv 3.2.2 Kết quả phân tích số .................................................................................. 58 3.3. Phân tích dao động của dầm FGM bị nứt có lớp áp điện ................................... 62 3.3.1 Thuật toán và chương trình tính toán ........................................................ 62 3.3.2 Kết quả số .................................................................................................. 63 CHƯƠNG 4.CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG DẦM FGM CÓ LỚP ÁP ĐIỆN 79 4.1. Bài toán chẩn đoán vết nứt trong dầm đàn hồi bằng tần số riêng ...................... 79 4.2. Cơ sở dữ liệu chẩn đoán vết nứt trong dầm FGM-áp điện ................................ 82 4.2.1 Cơ sở dữ liệu cho việc chẩn đoán vết nứt bằng đường đồng mức tần số .. 82 4.2.2 Cơ sở dữ liệu chẩn đoán vết nứt bằng đường đồng mức điện tích cảm biến dao động ............................................................................................................. 88 4.3. Kết quả thử nghiệm số ....................................................................................... 92 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4........................................................................................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 𝛽33 Hằng số điện môi của lớp áp điện (m/F)  a , b Độ lớn của vết nứt trong dầm đồng nhất bị nứt có lớp áp điện 1,  2 Độ lớn của vết nứt trong dầm FGM bị nứt có lớp áp điện ∈ Điện trường của lớp áp điện (C/m2) 𝜀𝑥 , 𝛾𝑥𝑧 , Là các thành phần biến dạng  Góc xoay của mặt cắt ngang (độ). 𝜅 Hệ số hiệu chỉnh hình học. 𝜆 Tham số tần số riêng 𝛱𝑏 , 𝛱𝑝 Tương ứng là năng lượng biến dạng của dầm và lớp áp điện. ρ Mật độ khối (kg/m3). 𝜎𝑥 , 𝜏 Là các thành phần ứng suất  Tần số dao động (rad/s) Ab  bxhb Diện tích mặt cắt ngang của dầm (m2). Ap  bxhp Diện tích mặt cắt ngang của lớp áp điện (m2) a Độ sâu vết nứt (m) b, hb Tương ứng là chiều rộng, chiều cao tiết diện dầm (m). 𝑝 𝐶11 Mô đun đàn hồi của lớp áp điện (GPa) CC Dầm ngàm hai đầu CF Dầm một đầu ngàm một đầu tự do Cof Hệ số tương quan. Cov Tiêu chuẩn tương quan. 𝐷 Độ dịch chuyển (mật độ điện tích) của lớp áp điện 𝑫𝑒 (𝜔) Ma trận độ cứng động của 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 cơ điện. FGM Kết cấu làm từ vật liệu có cơ lý tính biến thiên liên tục theo 1 hướng hoặc nhiều hướng. FRF Hàm đáp ứng tần số. G Mô đun trượt (GPa). ℎ13 Hằng số áp điện của lớp áp điện (V/m) ℎ0 Khoảng cách từ mặt phẳng giữa dầm đến mặt phẳng trung hòa (m). hp Chiều cao của lớp áp điện 𝐼𝑏 , 𝐼𝑝 Tương ứng là mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm và của lớp áp điện (m4) I ( ) Dòng điện (A). L Chiều dài dầm (m). M(x) Mô men uốn tại mặt cắt x MAPD Sai số tuyệt đối. MPC Điện tích cảm biến dao động N(x) Lực dọc trục tại mặt cắt x n Chỉ số phân bố vật liệu {𝑷𝑒 (𝜔)} Vectơ lực nút của một phần tử dầm PTHH Phần tử hữu hạn. PVDF Polime áp điện. PZT Gốm áp điện.
vii Q Điện tích cảm biến dao động của lớp áp điện RMSD Tiêu chuẩn trung bình bình phương. SS Dầm tựa đơn hai đầu 𝑇𝑏 , 𝑇𝑝 Tương ứng là động năng của dầm và của lớp áp điện. 𝑻𝑒 Ma trận định vị của phần tử e {𝑼𝑒 (𝜔)} Vectơ chuyển vị nút của một phần tử dầm 𝑢(𝑥, 𝑧, 𝑡) chuyển vị dọc trục của một điểm trong mặt cắt ngang tại x (m). 𝑢0 (𝑥, 𝑡) chuyển vị dọc trục của một điểm trên mặt phẳng trung hòa (m). V ( ) Điện áp (V) 𝑤(𝑥, 𝑧, 𝑡) chuyển vị ngang của một điểm trong mặt cắt ngang tại x (m). 𝑤0 (𝑥, 𝑡) chuyển vị ngang của một điểm trên mặt phẳng trung hòa (m). Y( ) Độ dẫn (S/cm). Z( ) Trở kháng (Ω).
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Các hiệu ứng áp điện ..................................................................................4 Hình 1. 2. Các ứng dụng của vật liệu áp điện trong đời sống .....................................6 Hình 2. 1. Phần tử dầm FGM có lớp áp điện ............................................................19 Hình 2. 2. Các lực và chuyển vị nút của phần tử dầm ..............................................25 Hình 2. 3. Mô hình dầm FGM có miếng áp điện ......................................................26 Hình 2.4 a. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết tại các đầu dầm SS khi chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ..............................................................................35 Hình 2.4 b. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết ở giữa dầm SS với chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ....................................................................................36 Hình 2.4 c. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết suốt chiều dài của dầm SS khi chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ...............................................................37 Hình 2.5 a. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết tại đầu ngàm của dầm CC khi chỉ số gradient của vật liệu.thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ...............................................................38 Hình 2.5 b. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết ở giữa dầm CC với chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ....................................................................................39 Hình 2.5 c. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày tương đối của miếng áp điện được liên kết suốt chiều dài của dầm CC khi chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ...............................................................40 Hình 2.6 a. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày của miếng áp điện được liên kết với đầu ngàm của dầm công xôn CF khi chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ...............................................................41 Hình 2.6 b. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày của miếng áp điện được liên kết ở đầu tự do của dầm công-xôn CF khi chỉ số gradient của vật liệu thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ......................................................................42 Hình 2.6 c. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày của miếng áp điện được liên kết ở giữa dầm công-xôn CF khi chỉ số gradient của vật liệu.thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10). ....................................................................................43
ix Hình 2.6 d. Sự biến đổi của hai tần số chuẩn hóa đầu tiên theo độ dày của miếng áp điện được liên kết với trên suốt chiều dài của dầm công-xôn CF khi chỉ số gradient của vật liệu.thay đổi (n = 0.2 -0.5-1.0-2.0-5.0-10)....................................................44 Hình 3. 1. Dầm FGM với vết nứt mở và mô hình của hai lò xo tương đương .........47 Hình 3. 2. Dầm có lớp áp điện ..................................................................................51 Hình 3. 3. Sự thay đổi của tần số riêng thứ nhất dầm công-xôn theo vị trí và độ sâu vết nứt ........................................................................................................................60 Hình 3. 4. Sự thay đổi của tần số riêng thứ hai dầm công-xôn theo vị trí và độ sâu vết nứt ........................................................................................................................60 Hình 3. 5. Sự thay đổi của điện tích cảm biến dao động dạng riêng thứ nhất trong lớp áp điện theo vị trí và độ sâu vết nứt, dầm công-xôn ...........................................61 Hình 3. 6. Sự thay đổi của điện tích cảm biến dao động dạng riêng thứ hai trong lớp áp điện theo vị trí và độ sâu vết nứt, dầm công-xôn .................................................61 Hình 3. 7. Sơ đồ thuật toán-chương trình tính toán các đặc trưng cơ điện của dầm FGM áp điện có vết nứt ............................................................................................63 Hình 3. 8. Sự thay đổi của ba tần số riêng đầu tiên theo vị trí và độ sâu vết nứt .....66 Hình 3. 9. Sự phụ thuộc của ba tần số riêng đầu tiên vào vị trí vết nứt và chỉ số phân bố vật liệu n. ..............................................................................................................68 Hình 3. 10. Sự phụ thuộc của ba tần số riêng đầu tiên vào vị trí vết nứt và chiều dày lớp áp điện. ................................................................................................................69 Hình 3. 11. Năm dạng riêng đầu tiên của dầm FGM không bị nứt và không có lớp áp điện (A1 – dạng dao động dọc trục thứ nhất; B1-B4 - Bốn dạng dao dộng uốn đầu tiên) .....................................................................................................................70 Hình 3. 12. Năm dạng riêng đầu tiên của dầm FGM bị nứt và có lớp áp điện (A1 – dạng dao động dọc trục thứ nhất; B1-B4 - Bốn dạng dao dộng uốn đầu tiên) .........71 Hình 3. 13. Sự phụ thuộc của điện tích cảm biến dao động 3 dạng riêng đầu tiên vào vị trí vết nứt và độ sâu vết nứt...................................................................................73 Hình 3. 14. Sự phụ thuộc của điện tích cảm biến dao động 3 dạng dao động riêng đầu tiên vào vị trí vết nứt và chỉ số phân bố vật liệu n. ............................................74 Hình 3. 15. Sự phụ thuộc của điện tích cảm biến dao động 3 dạng dao động riêng đầu tiên vào vị trí vết nứt và chiều dày lớp áp điện. .................................................76 Hình 4. 1. Ba tần số đầu của dầm tựa đơn phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt....84
x Hình 4. 2. Ba tần số đầu của dầm ngàm hai đầu phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt..............................................................................................................................86 Hình 4. 3. Ba tần số đầu của dầm công xôn phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt .87 Hình 4. 4. Điện tích cảm biến dao động của ba dạng riêng đầu tiên của dầm tựa đơn phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt .......................................................................89 Hình 4. 5. Điện tích cảm biến dao động của ba dạng riêng đầu tiên của dầm ngàm hai đầu phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt ..........................................................90 Hình 4. 6. Điện tích cảm biến dao động của ba dạng riêng đầu tiên của dầm công xôn phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt ................................................................92 Hình 4. 7. Kết quả chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp đường đồng mức tần số cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) và dầm công xôn (c) với vết nứt tại giữa dầm có độ sâu 30%. ..........................................................................................................94 Hình 4. 8. Kết quả chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp đường đồng mức tần số cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) và dầm công xôn (c) với vết nứt tại vị trí e = L/3 có độ sâu 30%. ..............................................................................................96 Hình 4. 9. Kết quả chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp đường đồng mức điện tích cảm biến dao động cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) và dầm công xôn (c) với vết nứt tại giữa dầm có độ sâu 30%. .........................................................................97 Hình 4. 10. Kết quả chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp đường đồng mức điện tích cảm biến dao động cho dầm tựa đơn (a), ngàm hai đầu (b) và dầm công xôn (c) với vết nứt tại vị trí e = L/3 có độ sâu 30%. ....................................................................99
xi DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1. Tham số tần số của dầm tựa đơn hai đầu (SS) phụ thuộc vào chiều dày của miếng vá áp điện giữa dầm ứng với các độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 khác nhau và n=2 .....27 Bảng 2. 2. Tham số tần số của dầm CC ứng với các độ dày khác nhau của miếng áp điện ở giữa dầm theo tỷ lệ độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 khác nhau và chỉ số gradient n = 2. ....28 Bảng 2. 3. Tham số tần số của dầm CF đối với các độ dày khác nhau của miếng áp điện ở giữa theo tỷ lệ độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 khác nhau và chỉ số gradient n = 2. ............28 Bảng 2. 4. Tham số tần số của dầm SS với miếng áp điện gắn ở giữa dầm có độ dày khác nhau , các chỉ số gradient (n) khác nhau và tỷ số độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10.........29 Bảng 2. 5. Tham số tần số của dầm CC với miếng áp điện gắn ở giữa dầm có độ dày khác nhau , các chỉ số gradient (n) khác nhau và tỷ lệ độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10. ........29 Bảng 2. 6. Tham số tần số của dầm CF đối với độ dày khác nhau của miếng áp điện ở giữa dầm trong trường hợp các chỉ số gradient khác nhau (n) và độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10 ..............................................................................................................30 Bảng 2. 7. Tham số tần số của dầm SS với miếng áp điện ở giữa dầm có độ dày và chiều dài thay đổi; n=2; 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10. ......................................................................31 Bảng 2. 8. Tham số tần số của dầm CC với miếng áp điện ở giữa dầm có độ dày và chiều dài thay đổi; n=2; 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10. ......................................................................32 Bảng 2. 9. Tham số tần số của dầm CF với miếng áp điện ở giữa dầm có độ dày và chiều dài thay đổi; n=2; 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10. ......................................................................33 Bảng 3. 1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp áp điện đến tần số dầm tựa đơn hai đầu nguyên vẹn ................................................................................................................59 Bảng 3. 2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp áp điện đến tần số của dầm ngàm hai đầu nguyên vẹn ................................................................................................................59 Bảng 3. 3. Ảnh hưởng của chiều dày lớp áp điện đến tần số của dầm công xôn nguyên vẹn .............................................................................................................................59 Bảng 3. 4. Tham số tần số 𝜆 = 𝜔(𝐿2/ℎ)𝜌𝑏/𝐸𝑏 của dầm - SS phụ thuộc vào độ dày của lớp áp điện và tỷ số độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 với chỉ số gradien vật liệu n = 2. ............64 Bảng 3. 5. Tham số tần số 𝜆 = 𝜔(𝐿2/ℎ)𝜌𝑏/𝐸𝑏 của dầm - SS với độ dày khác nhau của lớp áp điện và chỉ số gradient vật liệu (n) và tỷ số độ mảnh 𝐿𝑏/ℎ𝑏 = 10. .......65 Bảng 4. 1. Kết quả chẩn đoán vết nứt trong dầm FGM bằng phương pháp đường đồng mức .......................................................................................................................... 100
1 MỞ ĐẦU Đánh giá trạng thái kỹ thuật các công trình hay có thể gọi là kiểm tra sức khỏe công trình (Structural Health Monitoring), trong đó cốt lõi là việc dò tìm, phát hiện các khuyết tật, hỏng hóc được gọi là Chẩn đoán hư hỏng kết cấu (Structural Damage Detection), là một việc rất quan trọng trong quá trình khai thác sử dụng. Trước hết nó đảm bảo an toàn cho các công trình quan trọng như các lò phản ứng hạt nhân hay các máy bay dân dụng, ... và sau đó nó cho phép ta sửa chữa phục hồi để nâng cao tuổi thọ của công trình. Trong các việc dò tìm khuyết tật, cho đến nay, phương pháp thử nghiệm động (Dynamic Testing Method) tỏ ra có hiệu quả nhất. Nội dung của nó bao gồm các công việc: Tạo kích động (Actuator); Đo đạc đáp ứng (Response) và cuối cùng là xử lý phân tích số liệu về tải trọng và đáp ứng để chẩn đoán các khuyết tật, hư hỏng tiềm ẩn bên trong công trình. Các công việc gia tải cũng như đo đạc đáp ứng thường vẫn được tiến hành thông qua việc gá lắp các thiết bị thí nghiệm vào phía ngoài công trình. Ý tưởng tự động hóa các công việc thí nghiệm nảy sinh khi các vật liệu được gọi là thông minh (smart) ra đời. Vật liệu có khả năng tạo ra tác động cơ học nhờ nguồn điện và tạo ra điện khi chịu tác dụng cơ học được gọi là vật liệu áp điện (piezoelectric material). Như vậy, nếu ghép nối vật liệu áp điện như một bộ phận của kết cấu, làm việc cùng kết cấu với hai mục đích tạo ra kích động cơ học và đo đạc phản ứng cơ học chính là ý tưởng để thực hiện việc tự động hóa quá trình thử nghiệm động nêu trên. Bài toán và phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu đồng nhất (homogeneous) đã được nghiên cứu khá nhiều và được trình bày trong các tài liệu Cawley và Adams [1]; Fan và Qiao [2]; Hou và Xia [3]; Pandey và Samman [4]; Salawu [5]; Khiem và Lien [6]. Nhưng việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu composite [7] Montalvão và cộng sự. , trong đó kết cấu làm từ vật liệu có cơ lý tính biến thiên liên tục theo một hoặc nhiều hướng (gọi là kết cấu FGM) còn là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu. Luận án này tập trung vào nghiên cứu dầm FGM áp điện có vết nứt nhằm mục tiêu phát triển một phương pháp chẩn đoán vết nứt trong dầm FGM sử dụng vật liệu áp điện. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu chính là dầm có cơ lý tính biến thiên liên tục theo chiều dày và theo quy luật hàm lũy thừa, có vết nứt được mô tả bằng một
2 cặp lò xo dọc trục và lò xo xoắn với độ cứng được tính từ độ sâu vết nứt, được gắn một lớp áp điện như một cảm biến liên tục phân bố dọc theo chiều dài dầm (gọi tắt là dầm FGM áp điện có vết nứt). Như vậy phạm vi nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn trong khuôn khổ kết cấu khung, dầm thường gặp trong thực tế xây dựng công trình. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là giải tích, mặc dù mô hình độ cứng động mang trong mình một nửa là mô hình số nhưng vẫn có thể gọi là mô hình giải tích mở rộng, được minh họa bằng các kết quả số được tính toán trong môi trường MATLAB. Bố cục luận án như sau: Luận án được trình bày trong 4 Chương, trong đó: Chương 1 trình bày tổng quan các nghiên cứu đã công bố về vấn đề liên quan đến luận án. Cụ thể, sau khi giới thiệu sơ qua về vật liệu áp điện đã trình bày tổng quan về việc ứng dụng vật liệu để cảm nhận và điều khiển kết cấu, để chẩn đoán kỹ thuật công trình. Tiếp theo đã trình bày tổng quan về việc phân tích và chẩn đoán hư hỏng kết cấu làm từ vật liệu có cơ lý tính biến thiên liên tục (FGM) và từ đó đặt vấn đề nghiên cứu trong luận án. Chương 2 trình bày việc xây dựng mô hình độ cứng động cho dầm FGM áp điện, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình và các phương trình cơ bản cho phân tố dầm FGM có lớp áp điện. Sau đó tìm hàm dạng dao động tổng quát cho phân tố dầm FGM có lớp điện làm công cụ cơ bản để xây dựng ma trận độ cứng động cho một phần tử dầm FGM có lớp áp điện. Sử dụng mô hình độ cứng động đã được thiết lập để xây dựng mô hình dao động của dầm có miếng áp điện như một dầm bậc để nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước, vị trí lắp đặt miếng áp điện đến tần số riêng của dầm FGM nguyên vẹn. Chương 3 trình bày mô hình kết cấu dầm FGM có vết nứt được gắn một lớp áp điện sử dụng mô hình lò xo tương đương để mô tả vết nứt và kết quả tính toán các đặc trưng cơ, điện của dầm FGM áp điện có vết nứt làm cơ sở để chẩn đoán vết nứt bằng các đặc trưng áp điện; Chương 4 trình bày phương pháp đường đồng mức áp điện và kết quả ứng dụng để chẩn đoán vết nứt trong dầm FGM. Tài liệu tham khảo bao gồm 92 tài liệu đã được trích dẫn trong luận án.
3 Kết quả nghiên cứu luận án đã được công bố trong 4 công trình khoa học, trong đó 02 bài báo quốc tế ISI, 01 bài đăng trên tạp chí Cơ học Việt Nam và 01 bài đăng trong tuyển tập hội nghị cơ học toàn quốc. Đóng góp mới của luận án có thể tóm lược như sau: Một là đã xây dựng được mô hình độ cứng động của dầm FGM có lớp áp điện và sử dụng để tính toán dao động của dầm FGM có gắn các miếng áp điện được mô hình như một dầm bậc; Hai là đã xây dựng được mô hình dầm FGM có vết nứt và được gắn một lớp áp điện và áp dụng để tính toán phân tích các đặc trưng cơ, điện của các kết cấu dầm nêu trên phụ thuộc vào vị trí và độ sâu vết nứt và các tham số vật liệu; Ba là đã áp dụng phương pháp đường đồng mức áp điện (đường đồng mức của một đặc trưng gọi là điện tích cảm biến dao động) để chẩn doán vết nứt trong dầm áp điện. Kết quả nghiên cứu luận án đã được công bố trong 5 công trình khoa học, trong đó 02 bài báo quốc tế ISI, 01 bài đăng trên tạp chí Cơ học Việt Nam và 01 bài đăng trong tuyển tập hội nghị cơ học toàn quốc, 01 bài đăng trong tuyển tập hội nghị cơ học vật rắn.
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Sơ lược về vật liệu áp điện và ứng dụng Hiệu ứng áp điện (piezoelectric) đã được phát hiện bởi Pierre và Jacques Curie năm 1880, nhưng gần đây nó mới được sử dụng rộng rãi cả trong đời sống và kỹ thuật. Có hai loại vật liệu áp điện sử dụng rộng rãi là gốm áp điện (ceramics) và polyme áp điện (polymers). Gốm áp điện nổi tiếng là Lead Zirconate Titanate (PZT), nó có thể phục hồi biến dạng 0,1% và được sử dụng rộng rãi làm bộ kích động (actuator) và cảm biến (sensor) trong một dải tần số khá rộng. Polyme áp điện được sử dụng chủ yếu như một cảm biến, nổi tiếng nhất là Polyvinylidene Fluoride (PVDF), được nghiên cứu đầu tiên bởi Kawai (cuối thập kỷ 60) và có sẵn trên thị trường vào đầu thập kỷ 80. Hiệu ứng áp điện, có thể được xem như là sự chuyển đổi năng lượng điện và năng lượng cơ học, bao gồm: Hiệu ứng áp điện thuận là thuộc tính của vật liệu xuất hiện điện tích (electric charge) trên bề mặt dưới tác dụng của áp lực cơ học và tỷ lệ với ngoại lực tác dụng. Tác động áp điện thuận được sử dụng rộng rãi trong thiết kế đầu dò (transducer) như đầu đo gia tốc, vận tốc và chuyển vị. a) Hiệu ứng áp điện thuận. b) Hiệu ứng áp điện ngược. Hình 1. 1. Các hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện ngược là hiện tượng vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng nếu nó được cấp một nguồn điện (điện áp). Hiệu ứng này của vật liệu áp điện được sử dụng trong thiết kế bộ kích hoạt (actuator).
5 Nếu hiểu vật liệu thông minh là loại vật liệu có khả năng tự cảm nhận, tự điều chỉnh để thích nghi với kích động bên ngoài, thì vật liệu áp điện có thể coi là một loại vật liệu thông minh. Rõ ràng là vật liệu áp điện có thể cảm nhận được tác động bên ngoài như một cảm biến đồng thời nó cũng có khả năng thay đổi trạng thái bên trong của mình để thích ứng với tác động bên ngoài. 1.2. Ứng dụng vật liệu áp điện trong đời sống và kỹ thuật. Đầu tiên các ứng dụng xuất hiện trong chiến tranh thế giới thứ nhất với sonar trong đó thạch anh áp điện được sử dụng để tạo ra sóng siêu âm (P. Langevin) và làm cảm biến. Trong thế kỷ 20, việc sử dụng thạch anh để kiểm soát tần số cộng hưởng của dao động được đề xuất bởi một nhà vật lý người Mỹ: W. G. Cady. Đó là trong giai đoạn sau chiến tranh thế giới thứ nhất, hầu hết các ứng dụng áp điện mà chúng ta đã quen thuộc (micro, gia tốc kế, đầu dò siêu âm, uốn cong, ...) đã được hình thành. Sự phát triển của điện tử, đặc biệt trong chiến tranh thế giới thứ hai, và phát hiện gốm sứ điện gia tăng việc sử dụng vật liệu áp điện. Ứng dụng trong y tế - phá máu đông. Máy dò tìm đàn cá ở biển.
6 Điện thoại thông minh Giao thông vận tải Động cơ áp điện. Đầu dò khí cháy cacbua hydro. Hình 1. 2. Các ứng dụng của vật liệu áp điện trong đời sống Ứng dụng quan trọng hiện nay trong kĩ thuật của vật liệu áp điện là dùng làm động cơ áp điện. Thí dụ như các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ và siêu nhỏ, chế tạo các loại robot mô phỏng sinh học có thể bay đập cánh như côn trùng, các chi tiết cấy ghép, robot phẫu thuật và cơ nhân tạo trong y học, trong các thiết bị điện tử thông dụng và trong nghiên cứu vũ trụ. PZT có rất nhiều đặc tính áp điện phù hợp để sử dụng trong các bộ chuyển đổi xung điện cũng như trong các lĩnh vực khác đặc biệt là bởi hệ số ghép cặp cơ điện lớn và hằng số điện môi cao (hằng số áp điện lên đến 700 pC/N). Do đó, PZT đã trở thành vật liệu chiếm ưu thế hoàn toàn trong ngành tổng hợp áp điện suốt 40 năm qua. Trong các kĩ thuật chụp ảnh tiên tiến như kính hiển vi nguyên tử lực, người ta sử dụng hiệu ứng áp điện để điều khiển chính xác khoảng cách từ đầu dò đến mẫu.
7 Các đầu dò (transducer) là một dạng thiết bị chuyển đổi xung điện, sử dụng cả hai hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Xung điện được chuyển thành rung động cơ học di chuyển ra ngoài và rung động quay lại sẽ được chuyển trở lại thành tín hiệu điện. Các bộ chuyển đổi xung điện này hoạt động ở tần số cực kì cao, trên 20.000 Hz, được gọi là bộ chuyển đổi siêu âm. Ở tần số cao như vậy thì thiết bị này sẽ có khả năng chụp ảnh vật thể ở độ phân giải cao (ảnh siêu âm) được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật ảnh y tế, kiểm tra không phá hủy, siêu âm ngầm dưới nước, dò tìm cá và siêu âm dò quét ngành điện tử, y tế…. Do có sự chuyển đổi năng lượng cơ điện của vật liệu áp điện, ngày nay người ta đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế sử dụng vật liệu áp điện để thu thập năng lượng cơ học dư thừa, thậm chí là có hại, trong môi trường xung quanh. Những vấn đề cơ bản của việc thu thập năng lượng áp điện đã được trình bày trong cuốn sách của A. Erturk và D.J. Inman xuất bản năm 2011 bởi Wiley and Sons Ltd [8]. Năng lượng dư thừa trong môi trường thường là động năng của các phương tiện giao thông vận tải [9]; năng lượng gió [10]; năng lượng sóng biển [11], … Những nghiên cứu và ứng dụng theo hướng này đang được quan tâm nhiều cùng với nền sản xuất công nghiệp của vật liệu áp điện dạng polyme và gốm. 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về vật liệu và kết cấu áp điện Mặc dù hiệu ứng áp điện đã được hai anh em nhà Curie tìm ra từ 1880, nhưng sau đó một thế kỷ, hiệu ứng này mới được đưa vào ứng dụng để chế tạo cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator) phục vụ việc điều khiển các hệ liên tục [12]. Các cảm biến và bộ kích hoạt áp điện này không phải là rời rạc mà là các đầu dò phân bố và được gắn với kết cấu như một bộ phận cấu thành của kết cấu. Những hệ liên tục được gắn các đầu dò áp điện được coi là các kết cấu thông minh (intelligent) bởi vì chúng vừa có khả năng cảm nhận các tác động bên ngoài vừa có khả năng tự biến đổi để thích nghi với các tác động đó. Crawley và cộng sự [13, 14] đã phát triển lý thuyết về bộ kích hoạt áp điện (piezoelectric actuator) như một bộ phận của kết cấu thông minh và khẳng định rằng bộ kích hoạt áp điện liên tục như vậy hoàn toàn có khả năng kích hoạt trạng thái dao động cộng hưởng bình ổn của một kết cấu dầm. Sau đó, một lý thuyết về cảm biến và bộ kích hoạt dao động (modal sensor and actuator) đã được xây dựng bởi Lee và