Phân tích ảnh hưởng và ứng xử tương tác đa trường trên vật liệu bất đẳng hướng FEM

vii

MCăLC

GIY QUYT ĐNH GIAO Đ TÀI i
XÁC NHN CA CÁN B HNG DN ii
Lụ LCH KHOA HC iii
LI CAM KT iv
LI CM N v
TịM TT vi
MC LC vii
DANH MC BNG BIU ix
DANH MC S Đ VÀ HỊNH x
DANH CÁC CH VIT TT xi
CHNG 1: M ĐU 1
1.1 C s khoa hc vƠ thực tin 1
1.2 Mc tiêu vƠ nhim v nghiên cu 2
1.3 Đi tng vƠ phm vi nghiên cu 2
1.4 Phng pháp nghiên cu 2
1.5 Kt cu ca đ án tt nghip 3
CHNG 2: TNG QUAN 4
2.1 Tng quan v lĩnh vực nghiên cu 4
2.2 Tng quan v tình hình nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc 4
2.2.1 Tình hình nghiên cu ngoƠi nc 4
2.2.2 Tình hình nghiên cu trong nc 7
CHNG 3: C S Lụ THUYT 8
3.1 Gii thiu chung 8
3.1.1 Gii thiu v FEM 8
3.1.2 Gii thiu v vt liu composite 11
3.1.3 Gii thiu v piezoelectric 13
3.1.4 Gii thiu v multiphysics 14

3.2 Mi quan h ng sut bin dng 14
viii

3.3 Phát trin mi quan h kt cu cho tm laminate 17
3.4 Mi quan h kt cu vt liu áp đin 20
3.5 Phân tích phn t hu hn 21
3.5.1 Gii thiu 21
3.5.2 Nguyên lỦ bin bin phơn 22
3.5.3 Cách trình bƠi phn t hu hn s dng phn t đẳng tham s 23
3.5.4 Ma trn đ cng đƠn hi 28
3.5.5 Ma trn đ cng liên kt c đin 30
3.5.6 Ma trn đ cng đin 30
3.5.7 Ma trn khi lng 31
3.5.8 Vect lực phn t 32
3.5.9 Phng trình điu khin ca h 32
CHNG 4: KT QU VÀ THO LUN 35
4.1 Áp dng cho bƠi toán phơn tích tm composite 35
4.2 Kt qu phơn tích tĩnh 36
4.3 Kt qu phơn tích đng lực hc 38
CHNG 5 : KT LUN VÀ THO LUN 41
5.1 Kt lun 41
5.2 Kin ngh 41
TÀI LIU THAM KHO 43
PH LC 45

ix

DANHăMCăBNGăBIU

BNG TRANG

Bngă4.1: Thuc tính ca vt liu áp đin PZT G1195N piezoceramics và composite
graphiteậepoxy 36
Bngă4.2: Đ võng ca tm vƠ so sánh vi li gii tham kho 37

x

DANHăMCăSăĐăVĨăHỊNH
HÌNH TRANG
Hình 3.1: Li phn t hu hn 8
Hình 3.2: Phn t 1D 9
Hình 3.3: Phn t 2D 9
Hình 3.4: Phn t tam giác vƠ phn t t giác 10
Hình 3.5: Phn t t din 10
Hình 3.6: Phn t lc din 10
Hình 3.7: Phn t ngũ din 11
Hình 3.8: Tm c bn gm n lp vi mặt trên có dáng actuator vƠ mặt di dáng
sensor 15
Hình 3.9: Phép bin đi từ h ta đ đa phng sang h ta đ toƠn cc 16
Hình 3.10: Bin dng ca tm trong mặt ct XZ 17
Hình 3.11: Tng hp lực vƠ momen ca tm 18
Hình 3.12: Phn t t giác bn nút tùy Ủ trong h ta đ đ các vƠ phn t đẳng tham s
trong h ta đ tự nhiên 24
Hình 4.1: Mô hình ca tm composite vi ming dán áp đin 35
Hình 4.2: Mô hình ca bƠi báo tham kho 36
Hình 4.3: Đ th chuyn v ca tm 37
Hình 4.4: Đ th so sánh đ võng ca tm vi li gii tham kho 38
Hình 4.5: Mode dao đng ca tm vi tn s 51.85 Hz 38
Hình 4.6: Mode dao đng ca tm vi tn s 107.03 Hz 39
Hình 4.7: Mode dao đng ca tm vi tn s 171,7 Hz 39
Hình 4.8: Mode dao đng ca tm vi tn s 186,56 Hz 39

xi


DANHăSÁCHăCÁCăCHăVITăTT

KụăHIU ĐNăV
a Mt na chiu dƠi theo phng x m
A Din tích m
2

b Mt na chiu dƠi theo phng y m
C Hằng s đƠn hi N/m
2

C
s
Đin dung ca cm bin áp đin F

D Véc-t chuyn v đin C/m
2

e H s ng sut áp đin C/m
2

E Mô-đun đƠn hi N/m
2

f Lực N
h Chiu dƠy m
K Ma trn đ cng
M Ma trn khi lng
q Véc-t trng chuyn v
q
i
Trng chuyn v nút m
T Đng năng J
u Trng chuyn v theo phng x m
U Th năng J
v Trng chuyn v theo phng y m
V Th tích m
3

w Trng chuyn v theo phng z m
W Công J

Bin dng m/m

ng sut N/m

2

v
H s Poisson

Hằng s đin môi C/(Vm)

Véc-t chuyn v nút m

Đin th V
xii

f
Tn s Hz

Khi lng riêng ca vt liu kg/m
3


-[1]-

CHNGă1: MăĐU
1.1 Căs khoa hc và thực tin
Vi sự phát trin nhanh chóng ca khoa hc vt liu vƠ công ngh, nhiu vt
liu đa chc năng mi đc to ra vƠ áp dng cho kỹ thut công nghip vƠ các lĩnh
vực khác nhau
Nhiu mô hình ng dng  hin ti vƠ cũng nh tng lai trên th gii cũng
nh ti vit nam đu ph thuc vƠo vic gii quyt đng thi nhiu hin tng vt
lý khác nhau trong cùng 1 mô hình bài toán.
Do tm quan trng ca sự tng tác gia mt s trng vt lỦ trong mt

mô hình bƠi toán, sự quan tơm trong vic mô phng bƠi toán đa trng bằng
phng pháp s đang phát trin cho vic thit k chính xác các cu trúc thực t
khác nhau. Mô phng s thun li nh lƠ đòi hi v c thi gian vƠ chi phí tính
toán ít hn so vi thí nghim. Do đó, mô phng bƠi toán đa trng bằng phng
pháp phn t hu hn hu ích đ ci thin thit k ca đ chính xác cao.
Mc đích ca lun án nƠy lƠ phát trin mt phng pháp s phơn tích nh
hng vƠ ng x tng tác đa trng trên vt liu bt đẳng hng bằng FEM. Các
mc tiêu có th đc chia thƠnh hai nhim v chính:
 Xơy dựng mô hình toán tng tác c-đin cho bƠi toán tm bằng vic
phát trin phn t đẳng tham s 4 nút vi 5 bc t do c hc ( 3 tnh
tin, 2 góc xoay) cho mi nút vƠ đin th ∅ lƠ bc tự do thêm vƠo trên
mi phn t.
 Dựa trên lỦ thuyt bin dng ct bc nht đ tính toán các ma trn đ
cng liên kt c-đin.
 Tin hƠnh gii quyt bƠi toán v sự tng tác đin-c cho tm
composite có dán lp mng vt liu piezoelectric bằng phng pháp
phn t hu hn s dng ngôn ng tính toán Matlab.
Vi mc đích mong mun đóng góp vƠo sự tin b ca khoa hc công ngh
vƠ tính toán phơn tích các mô hình toán thực t mt cách chc chn hn, tôi thực
hin đ tƠi: “ PhơnătíchănhăhngăvƠăngăxătngătácăđaătrngătrênăvtăliuă
btăđẳngăhngăbằngăFEM ” vi mong mun:

-[2]-

- Rút ngn thi gian phân tích, tính toán, gim thi gian thực nghim.
- Từ mô hình tính toán phơn tích đó lƠm c s lý thuyt đ tính toán nhng bài
toán ng dng trong thực t.
1.2 McătiêuăvƠănhimăv nghiênăcu
Mc tiêu vƠ nhim v ca đ tƠi lƠ : dựa trên c s lỦ thuyt s tính toán đ
gii quyt vn đ: ắphơn tích nh hng vƠ ng x tng tác đa trng trên vt liu

bt đẳng hng bằng FEM”.
Xây dựng mô hình toán tng tác c-đin cho bƠi toán tm bằng vic phát
trin phn t đẳng tham s 4 nút vi 5 bc t do c hc ( 3 tnh tin, 2góc xoay) cho
mi nút vƠ đin th lƠ bc tự do thêm vƠo trên mi phn t.
Dựa trên lỦ thuyt bin dng ct bc nht và nguyên lý Hamilton đ tính toán
các ma trn đ cng liên kt c-đin.
Tin hƠnh gii quyt bƠi toán v sự tng tác đin-c cho tm composite có
dán lp mng vt liu piezoelectric bằng phng pháp phn t hu hn s dng
công c tính toán Matlab vƠ so sánh đánh giá sai s so vi li gii tham kho.
1.3 Điătng và phm vi nghiên cu
Đi tng nghiên cu ca đ tƠi lƠ: Phơn tích nh hng vƠ ng x tng tác
đa trng trên vt liu bt đẳng hng bằng FEM.
Phm vi nghiên cu: Đ tƠi dừng li  vic xơy dựng c s lỦ thuyt cho
tng tác c-đin, phơn tích nh hng vƠ ng x tng tác đa trng ( c-điên)
trên tm vt liu bt đẳng hng (composite) bằng FEM s dng phn t đẳng tham
s t giác Q4.
1.4 Phngăphápănghiênăcu
- Nghiên cu phơn tích lỦ thuyt: Thu thp tƠi liu trong vƠ ngoƠi nc có
liên quan đn ni dung nghiên cu đ phơn tích, tính toán.
- Tin hƠnh tính toán, phơn tích xơy dựng mô hình lỦ thuyt, lp trình vƠ
phơn tích kt qu v tng tác, ng x ca mô hình bƠi toán c th.





-[3]-

1.5 Kt cu caăđ án tt nghip
Đ tƠi ắ Phơn tích nh hng ng x tng tác đa trng trên vt liu bt
đẳng hng bằng FEM” gm có 5 chng vƠ phn ph lc.
- Chng 1: M đu
- Chng 2: Tng quan
- Chng 3: C s lỦ thuyt
- Chng 4: Kt qu vƠ tho lun
- Chng 5: Kt lun vƠ kin ngh
- Ph lc



-[4]-

CHNGă2: TNGăQUAN

2.1 Tngăquanăvă lƿnhăvựcănghiênăcu
Ngày nay, vt liu bt đẳng hng đc s dng rt rng ri từ nhng kin
trúc xơy dựng to ln nh cu đng, nhƠ cao tng, nhng phng tin di
chuyn nh phi c, tƠu thy, ô tô đn nhng vt gia dng bình thng. Nhng
chic du thuyn hin đi, thơn tƠu lƠm từ tm composite si thy tinh. Cánh ca
các máy bay hng nhẹ vƠ thm chí ca các chin đu c cũng lƠm từ tm
composite si carbon.
Nh chúng ta đƣ bit các chi tit dng tm thì có chiu dƠy nh do đó khi
chu tác dng ca các ngoi lực thì chúng s bin dng, nu lƠ ti tun hoƠn
hoặc có chu kỳ thì s gơy ra rung đng hoặc dao đng lƠm nh hng đn kt
cu ca tm composite vƠ nu thi gian tác dng lơu dƠi thì chi tit s b phá
hy gơy tác đng không tt đn h thng. Vic ngăn chặn các dao đng tn ti
bên trong tm composite s giúp cho chúng không b rung đng vƠ giúp cho h
thng thêm vng chc không b phá hy. Đ trit tiêu hoặc lƠm gim các dao

đng sut hin không mng mun nƠy ngi ta đƣ dán các tm cm bin áp đin
lên tm composite cn kho sát sau đó thu nhơn các tín hiu từ các tm dán này
vƠ kích nhng xung đin tng ng đ kh vƠ lƠm gim các bin dng vƠ dao
đng ca chúng.
VƠo nhng thp niên gn đơy ngi ta đƣ dƠo sơu nghiên cu vƠo các vt
liu thông minh đặc bit lƠ vt liu áp đin. Đơy lƠ vt liu mang nhiu tính cht
quý báu mà  các vt liu thông thng không có, vt liu nƠy s phát ra mt
ngui đin khi có mt ng sut c hc tác đng vƠo nó vƠ ngc li khi có dòng
đin tác đng vƠo nó thì nó s sinh ra chuyn v tng ng vi hiu đin th đƣ
đặt vƠo. Ngi ta đƣ ng dng tính cht nƠy đ điu khin chuyn v ca các chi
tit chu bin dng vƠ rung đng trong c khí vƠ xy dựng.
2.2 TngăquanăvătìnhăhìnhănghiênăcuătrongăvƠăngoƠiănc
2.2.1 TìnhăhìnhănghiênăcuăngoƠiănc
Tình hình nghiên cu v sự tng tác đa trng trên th gii hin nay đang
phát trin rt mnh. Đặc bit lƠ  mt s nc phát trin nh : Đc, Nht, Mỹ,ầ

-[5]-

Nghiên cu v tm vƠ tm gp lƠ các lĩnh vực nghiên cu thú v có nh
hng mnh mẻ ca c hc liên tc. Thực nghim v dao đng tm đc thực hin
bi Chladni vƠo năm 1802. Sau sự khi đu ca ông Chladni đƣ có nhiu nhƠ
nghiên cu tip tc cng vic nghiên cu ca ông vi các chi tit dng tm vƠ hp.
Hiu ng áp đin ln đu tiên đc đ cp bi nhƠ khoán vt hc ngi Pháp
René Just Haüy vƠo năm 1817. Chng minh đu tiên cho hiu ng áp đin thun
vƠo năm 1880 bi anh em nhƠ Pierre Curie and Jacques Curie. H đƣ chng minh
hiu ng nƠy bằng cách s dng các tinh th tua-ma-lin, thch anh, tô-pa vƠ mui
Rochelle. Tuy nhiên anh em nhƠ Curies đƣ không tiên đoán đc hiu ng áp đin
nghch. Hiu ng áp đin nghch đc suy lun toán hc từ nguyên lỦ nhit đng
hc bi Gabriel Lippmann vƠo năm 1881. VƠi thp niên tip sau, đƣ có nhiu
nghiên cu nhằm khám phá vƠ đnh nghĩa các cu trúc tinh th v hin tng áp

đin. Đnh cao ca quá trình nghiên cu lƠ vƠo năm 1910 vi sự xut bn cun sách
Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik, cun sách nói v 20 loi tinh th tự
nhiên có kh năng áp đin vƠ ông ta đƣ đnh nghĩa mt cách chặt chẻ các hng s áp
đin mƠ s dng trong vic thí nghiêm phơn tích kéo nén. ng dng đu tiên lƠ thit
b phát hin tƠu ngm đc phát trin trong chin tranh th gii th 2.  pháp ,Paul
Langevin vƠ đng nghip phát trin thit b phát hin tƠu ngm vƠo năm 1917. Vic
s dng hiu ng áp đin đ phát hin tƠu ngm lƠ mt dự án thƠnh công. Nó nơm
cao tm qua trng ca các thit b áp đin. Sau chin tranh th gi th hai, các vt
liu áp đin mi vƠ ng dng ca nó dn đc kham phá vƠ phát trin.
Crawley and de Luis đa ra các li ích ca các thit b áp đin trong các cu
trúc thông minh bằng vic phát trin mô hình mô t ng s đng hc vƠ tĩnh ca h
thng.
Code phn t hu hn đc phát trin bi Ha et al. có th x lỦ các hi tip
c hc ca các kt cu si chu lực, tm đa lp, vt liu composite cha các vt liu
áp đin di tác dng ca ti trng tĩnh vƠ đng.
Lin et al. đa ra mô hình phn t hu hn cho vic điu khin đ võng ca
tm đc mô hình thƠnh phn t tm đẳng tham s vi các b kích áp đin dựa trên
lỦ thuyt bin dng ct bc mt. Chúng đc th hin thông qua mt vƠi ví d, mô

-[6]-

hình nƠy đa ra đ chính xác vƠ tính toán các h s bin dng ca các trng thái
khác nhau ca b kích đc gián vƠo các cu trúc chu các trng thái kích thích
khác nhau.
Chen et al. đƣ nghiên cu v điu khin vƠ trit tiêu dao đng bằng phng
pháp s ca các cu trúc thông minh vi các phn t tm áp đin phơn tích phn t
không gian vƠ phn t hu hn.
Bent đƣ gii thiu vt liu composite cha các si ch đng cho b kích và
cm bin ca cu trúc kt hp vi các si PZT thƠnh các ma trn to ra kh năng
tích hp cao vƠ các vt liu b kích bt đẳng hng vi các đin cực đan vƠo nhau.

Liu et al. gii thiu công thc phn t hu hn dựa trên lỦ thuyt tm nhiu
lp c đin đ dự đoán hi tip tĩnh vƠ đng ca các kt cu tm composite di các
điu kin ti trng đin vƠ c hc. Các cm bin vƠ b kích áp đin đc tích hp
vƠo cu trúc nh lƠ mt phn ca vòng lặp kính s dng thut toán điu khin dựa
trên hi tip vn tc ơm. Trên thực t thì nó lƠm tăng tính gim chn ca cu trúc.
Khi lng vƠ đ cng ca các lp áp đin cũng đc đa vƠo tính toán. Vic
nghiên cu thông s cũng cho thy sự nh hng khi thay đi phng ca các si
ct, ni đặt b kích vƠ cm bin hi tip trên tm.
Gn đơy, He et al. đƣ nghiên cu v điu khin dao đng ch đng vi các
b kích áp đin đc gn vƠo kt cu, các b kích nƠy đc lƠm từ vt liu mi
đc gi lƠ vt liu theo chc năng(FGM)
Chee et al. đƣ gii thiu thut toán có tên lƠ Buildup, mt phng pháp xp
xp hng trong vic ti u hóa phng ca các tm gián áp đin cho vic điu
khin dng tĩnh ca các cu trúc thông minh. Công thc phn t hu hn cho kt
cu dựa trên trng chuyn v bc cao kt hp vi kh năng đƠn hi tuyn tính ca
các lp nƠy.
Marinkovic and Ulrich đƣ mô t phng trình tng quát ca kt cu tm đa
lp vi các tm áp đin đc gián dựa trên lỦ thuyt v tm FSDT(Mindlin-
Reissner) vƠ lỦ thuyt tuyn tính ca vt liu áp đin( sự bin đi tuyn tính ca
trng đin trên chiu dƠy ca lp áp đin), nó bao gm phng trình tng quát v
ti trng kích hot ca vt liu áp đin vƠ tính hiu đu ra ca cm bin dựa trên

-[7]-

kiên kt đin-c hc. Sau đó thƠnh lp cng thc phn t hu hn ca kt cu s
dng phn t t giác có s bc tự do lƠ (5n+n
e
) trong đó 5 lƠ bc tự do c hc gm 2
quay vƠ 3 tnh tin cho mi nút n
e

lƠ đin th ca các lp áp đin.
Zhang and Shen đƣ gii thiu công thc gii tích v điu khin dao đng
kt cu ca tm nhiu lp cha từ 1-3 lp composite có s chu lực lƠm từ vt liu
áp đin đc gn thêm các đin cực đan vƠo nhau vƠ các lp comnposite thẳng
đng. Phng trình vi phơn tng quát ca dao đng dc theo trc ca dm vƠ theo
phng ngang dựa trên lỦ thuyt tm mng.
2.2.2 Tình hình nghiênăcuătrongănc
Hin nay ti Vit Nam, vic nghiên cu v sự tng tác đa trng vn cha
phát trin mnh.
Trong bƠi báo ca P Phung-Van, T Nguyen-Thoi,T Le-Dinh3 và H Nguyen-
Xuan đƣ phơn tích dao đng tự do vƠ dao đng tĩnh vƠ điu khin đng hc tm
composite đc tích hp b kích vƠ cm bin bằng phng pháp lƠm mn hóa hóc
ct không liên tc dự trên các ô c bn(CS-FEM-DSG3). Trong các tm composite
có gn tm tinh th áp đin nƠy, coi đin th lƠ hƠm tuyn tính theo chiu dƠy ca
mi lp. Thut toán điu khin hi tip ca chuyn v vƠ vn tc đc s dng đ
điu khin hi tip đng hc vƠ bin dng tĩnh ca tm thông qua vic điu khin
vòng lp kính vi các cm bin vƠ b kích áp đin đc phơn b trên tm. Đ chính
xác vƠ tin cy ca phng pháp đa ra đc kim tra thông qua vic so sánh vi li
gii phng pháp s.
Các bƠi báo cáo v tng tác đa trng ca PGS. TS Nguyn HoƠi Sn
Seminar khoa hc đnh kỳ ca nhóm TínhătoánăCaoăcpătrongăKhoaăhcăvƠăKă
thut (GACES) thuc Khoa Xơy dựng vƠ C hc ng dng, trng Đi hc S
phm Kỹ thut TP.HCM.

-[8]-

CHNGă3:ăCă SăLụăTHUYT
3.1. Giiăthiuăchung
3.1.1. Gii thiu v FEM
a. Các bcătinăhƠnhăphngăphápăphnătăhuăhnă(FEM)

+ Li lc hóa min bài toán thành mt s hựu hng các min con liên kt vi
nhau ti đim nút.
- Xây dựng li phn t hu hn.
- Xây dựng h ta đ đa phng vƠ tn cc
- Xây dựng s nút và s phn t.
- Tính cht hình hc cho phn t (ta đ nút, tit din mặt ct ngang,
ng x vt liu,ầ ).

Hình3.1: Li phn t hu hn

+ Xây dựng ma trơn đ cng và vecto ti cho từng phn t
-
công thc bin phân từ các phng trình vi phơn chính tc trên phn
t.
- Chn hàm xp x nghim trên phn t.
- Xác đnh hàm dng theo bc tự do ti các nút ca phn t.
- Thit lp ma trn vƠ vect ti phn t.
+ Lp ghép các phng trình phn t đ thu đc h phng trình toƠn cc
- Xây dựng điu kin liên tc gia các biên phn t vi các bin c s
(quan h gia bc tự do đa phng vƠ bc tự do toàn cc, thit lp
quan h kt ni gia các phn t, thit lp bng mã hóa).
- Xây dựng điu kin cân bằng gia các bin th cp (quan h tng h
gia các thành phn lực).


-[9]-

- Lp ghép ma trn vƠ vect ti phn t vào h toàn cc.
+ Kh các điu kin biên
- Xác đnh bc tự do ràng buc v chuyn v (bin s cp)

- Xác đnh giá tr bc tự do ràng buc.
+ Gii h phng trình
- Dùng các phng pháp trực tip và lặp trong phng pháp s .
- Tính chuyn v (bin s cp) vƠ các đi lng dn sut (bin th cp)
+ Phơn tích vƠ đánh giá kt qu
- Đánh giá sai s và tc đ hi t bài toán.
- Phân tích tính n đnh và chi phí tính toán.
b. CácădngăphnătătrongăFEM
BƠi toán 1D: áp dng cho loxo, dƠn, dm ng
Hình 3.2: Phn t 1D

BƠi toán 2D: áp dng cho bƠi toán mƠng, tm, vầ
Hình 3.3: Phn t 2D

S dng các kiu phn t lƠ: phn t tam giác tuyn tính (T3), phn t t giác tuyn
tính (Q4)

-[10]-

Hình 3.4: Phn t tam giác vƠ phn t t giác

BƠi toán 3D: phơn tích v nhit đ, ng sut , bin dng, vn tc dòng
chyầ
S dng các kiu phn t lƠ:
+ Khi t din:

Hình 3.5: phn t t din

+ Khi 6 mặt:

Hình 3.6: Phn t lc din

-[11]-


+ Khi 5 mặt:

Hình 3.7: Phn t ng din

c. Các uăđimăcaăFEM
+ Tính toán d dƠng đi tng vt th có dng hình hc phc tp, suy bin
mnh, vt liu hn hp vƠ điu kin biên phc hp.
+ Có kh năng phơn tích các bƠi toán tuyn tính, phi tuyn, trng thái dừng,
không dừng, phơn tích mode, đng lực hcầ
+ Gii quyt hu ht các bƠi toán khoa hc vƠ kỹ thut: c hc vt rn, c hc
lu cht, c hc tng tác nhiu pha, truyn nhit, c sinh hc, trng đin
từ, ơm hc,ầ
+ FEM kt hp vi CAD cũng nh nhiu phn mm thit k h thng.
+ Gim chi phí th vƠ thit k li rút ngn thi gian ch to
+ Nhn dng ậ chnh lỦ trong thit k sn phm trc khi gia công.
+ Ti u hóa qui trình thit k sn phm. phát hin nhng vn đ trong thit k
trc khi có sự tranh chp.
+ H tr cho kỹ s thit k có nhiu thi gian đa ra quyt đnh đúng.

3.1.2. Giiăthiuăvăpiezoelectric
NgƠy nay, composite hin din từ nhng kin trúc xơy dựng to ln nh cu
đng, nhƠ cao tng, nhng phng tin di chuyn nh phi c, tƠu thy, ô tô đn
nhng vt gia dng bình thng. Nhng chic du thuyn hin đi có thơn tƠu lƠm từ

-[12]-

composite si thy tinh. Cánh ca các máy bay hng nhẹ vƠ thm chí ca các chin
đu c lƠ composite si carbon.
NgƠy nay các vt liu mi nh si thy tinh; composite; bông thy tinh (cách
ơm, cách nhit, chng cháy); cáp quang; s cách đin cao th; gm kỹ thut (chu
nhit, chu mƠi mòn cao, gm cách đin, gm sinh hc ) có nhu cu s dng trong
nc ngƠy mt tăng, nhng hu ht chúng ta vn phi nhp ngoi.
 Vit Nam đ sn xut các loi vt liu composit si thy tinh FRP
(Fiberglass Reinforced Polymer) thì có th sn xut ít nhiu các loi nhựa nn, còn
si thuỷ tinh lƠm ct si gia cng thì hoƠn toƠn phi nhp khu. Có th khẳng
đnh, thực t trong c nc cho đn nay vn cha có nhƠ máy nƠo sn xut đc các
loi vt liu nƠy. C nc ch có nhƠ máy xi măng trng Thái Bình, công sut
25.000 tn/năm.
 Vit Nam, nhựa ct si thuỷ tinh (Fiberglass Reinforced Plastic - FRP)
mi đc đa vƠo không lơu nhng đƣ nhanh chóng đc chp nhn. Có th dn ra
mt s ví d v các dự án đƣ s dng ng FRP nhu NhƠ máy nc Dung Qut
(30.000 m3/ ngƠy), NhƠ máy nc khu công nghip Phi A (20.000 m3/ ngƠy), đặc
bit lƠ đng ng cp nc dƠi trên 80 km từ h Sông ĐƠ v HƠ Ni (600.000 m3/
ngƠy),ầ tt c các dự án nƠy đu s dng sn phm ca Công ty C phn ng si
thuỷ tinh Vinaconex (Viglafico). BƠi vit di đơy đ cp lch s ng dng vƠ trin
vng s dng loi vt liu nƠy trong các nhƠ máy nhit đin.
Chính vì vy vic nghiên cu vƠ ch to các loi vt liu tiên tin, đặc bit lƠ
vt liu composite si thy tinh lƠ mt yêu cu cn thit.
Nhìn chung, mi vt liu composite gm mt hay nhiu pha gián đon đc
phân b trong mt pha liên tc duy nht. (Pha là mt loi vt liu thành phn nằm
trong cu trúc ca vt liu composite.)
Pha liên tc gi là vt liu nn (matrix), thng làm nhim v liên kt các
pha gián đon li.
Pha gián đon đc gi là ct hay vt liu tăng cng (reinforcement) đc
trn vào pha nn lƠm tăng c tính, tính kt dính, chng mòn,

-[13]-

3.1.3. Giiăthiuăvăpiezoelectric
Áp đin đc phát hin vƠo năm 1880 bi Jacques và Pierre Curie khi
nghiên cu cách to ra áp lực đin tích trong tinh th ( chẳng hn nh thch anh vƠ
tourmaline ) . S dng trong tƠu ngm sonar trong Chin tranh th gii th nht to
ra li ích phát trin mnh trong các thit b áp đin. Hiu ng áp đin trực tip bao
gm các kh năng ca vt liu tinh th nht đnh (ví d nh gm s ) đ to ra mt
đin tích trong tỷ l ca mt lực lng áp dng bên ngoƠi . Hiu ng áp đin trực
tip đƣ đc s dng rng rƣi trong thit k b chuyn đi ( gia tc, lực lng vƠ áp
sut đu dò , ) . Theo hiu ng áp đin nghch đo, mt đin trng gơy ra mt bin
dng ca vt liu áp đin . Hiu ng áp đin ngc đƣ đc áp dng trong các b
dn thit k (tc lƠ đng c áp đin ) . Vic s dng các vt liu áp đin nh thit b
truyn đng vƠ cm bin cho ting n vƠ rung đng kim soát đƣ đc chng minh
rng rƣi trong vƠi năm qua (ví d nh Forward, 1981; Crawley & de Luis , 1987).
Có nói chung hai loi vt liu áp đin đc s dng trong kim soát đ rung : gm
s vƠ polyme . Các piezoceramic đc bit đn nh lƠ chì zirconate titanate ( PZT )
, nó có mt dòng phc hi 0,1% vƠ đc s dng rng rƣi nh lƠ thit b truyn
đng vƠ cm bin cho mt lot các tn s , bao gm c các ng dng siêu ơm vƠ rt
thích hp cho đ chính xác cao lƠ tt. Piezopolymers ch yu đc s dng nh
cm bin vƠ đc bit đn nh các Polyvinylidene Fluoride (PVDF) . Các PVDF
ln đu tiên đc nghiên cu bi Kawai (cui nhng năm 60 ) vƠ đƣ đc thực hin
thng mi có sẵn trong đu nhng năm 80.
Nhngăuăđimăcaăđngăcăápăđin
+ Thi gian đáp ng nhanh.
+ Đ chính xác cao.
+ B hƣm vng chc vƠ không có sai lch
+ Kích thc nh

+ Điu chnh chính xác hn
+ Đn gin (chi tit it hn)
Nhcăđim
+ Tng đi mc

-[14]-

ngăădng
+ Micropositioning stages
+ Kim soát quá trình sn xut
+ điu chnh cáp quang
+ Máy nh tự đng ly nét
+ Thit b kim tra bán dn
+  đĩa máy tính
+ Đnh v robot
+ X lỦ Dc phm
3.1.4. Giiăthiuăvămultiphysics
Multiphysics lƠ nhng vn đ liên quan đn hai hay nhiu phng trình mô
t các hin tng vt lỦ khác nhau đc liên kt vi nhau thông qua các phng
trình nh lƠ:
+ Tng tác c-nhit
+ Tng tác c-đin
+ Tng tác c-đin từ

3.2. Miăquanăhăngăsutăbinădng
Chúng ta hƣy xét chung v tm mng có chiu dƠy „h‟ đc biu din trong
hình 3.1[1]. Tm mng bao gm s lp mng đn hng, trong đó mi lp có th lƠ
vt liu khác nhau hay lƠ chiu dƠy khác nhau vƠ cũng có th lƠ s trong các lp
mng có hng góc (


) khác nhau.  đơy xét tm mng đc liên kt vi b kích
hot vƠ cm bin.

-[15]-


Hình 3.8: Tm c bn gm n lp vi mặt trên có dáng actuator vƠ mặt di dáng
sensor [1]
Quan h ng sut-bin dng trong nguyên tc phi trí vt liu [1] (xét trong
h ta đ chính ca vt liu) cho mt lp theo phng thẳng đng ca vt liu, do
đó ng sut ca tm lƠ:

xx
11 12
12 22
66
44
55
xx
0 0 0
0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
xx
yy yy
xy xy
yz yz
zz
QQ

QQ
Q
Q
Q














   


   

   

   

   





(3.1)
Trong đó mođun đƠn hi Q
ij
là hằng s kỹ thut đc đnh nghĩa bỡi:

1
11
12 21
1
E
Q
vv




2
22
12 21
1
E
Q
vv




21 1 12 2

12
12 21 12 21
11
v E v E
Q
v v v v




66 12 44 23 55 31
;;Q G Q G Q G  

(3.2)

Trong đó: E lƠ modul đƠn hi vt liu

-[16]-

v là h s poisson
1,2,3 là biu din theo các trc X, Y, Z.
Các phn t chuyn ca ma trơn đ cng từ h ta đ đa phng sang h ta
đ toƠn cc lƠ:

 
 
 
 
   
 

4 2 2 4
11 11 12 66 22
2 2 4 4
12 11 22 66 12
4 2 2 4
22 11 12 66 22
33
16 11 12 66 12 22 66
3
26 11 12 66
os 2 2 sin os sin
4 sin os sin os
sin 2 2 sin os os
2 sin os 2 sin os
2 sin os
Q Q c Q Q c Q
Q Q Q Q c Q c
Q Q Q Q c Q c
Q Q Q Q c Q Q Q c
Q Q Q Q c
   
   
   
   


   

    


   

     

  
 
 
 
3
12 22 66
2 2 4 4
66 11 22 12 66 66
2 sin os
2 sin os sin os
Q Q Q c
Q Q Q Q Q c Q c

   
  

     

(3.3)

Trong đó: θ lƠ hng si ca mi lp composite trong h to đ toƠn cc

Hình 3.9: Phép bin đi từ h ta đ đa phng sang h ta đ toƠn cc [3]

Do đó quan h ng sut bin dng trong h trc toƠn cc có th đc vit li
là:

xx
11 12 16
12 22 26
16 26 66
44 45
45 55
xx
00
00
00
0 0 0
0 0 0
xx
yy yy
xy xy
yz yz
zz
global
global
Q Q Q
Q Q Q
Q Q Q
QQ
QQ









  






  




  

  

   

   


   


   






(3.4)

-[17]-

3.3. Phátătrinămiăquanăhăktăcuăchoătmălaminate

Hình 3.10: Bin dng ca tm trong mặt ct XZ [1]

Trong đó u, v, w lƠ các chuyn v theo phng X, Y, Z tng ng vƠ ψ
y
, ψ
x

lƠ góc quay quanh trc X vƠ Y.
Các thành phn chuyn v u, v, w ti bt kỳ đim có ta đ (x, y) có th đc
vit li theo chyn v ca mặt trung hòa u
0
, v
0
, w
0
vƠ các góc xoay ψ
x
, ψ
y
.

0
0
0
ww
x
y
u u z
v v z






(3.5)
Góc xoay do bin dng ct đc đnh nghĩa lƠ:
w
xx
x


  


w
yy
y


  



(3.6)
Trong đó
x

,
y

lƠ góc xoay tng hay lƠ góc xoay ct ngang
Cho nên quan h ng sut bin dng đc vit li nh bên di:

0
0
x x x
x
x x x
u
zz
xx

  

   


0
0
y
yy yy yy

v
zz
yy

  


   



-[18]-

0
00
y
x
xy xy xy
uv
z zk
x y y x





  
     

   



0
w
yz y
y





0
w
zx x
x





(3.7)
Trong đó:
xx

,
yy

lƠ các bin dng dc theo phng X, Y

xy


yz

zx

lƠ góc xoay do bin dng ct gơy ra trong nhng
mặt XY, YZ, ZX tng ng, ti mặt trung hòa góc xoay bằng 0.
xx

yy

xy

là bán kính cong
Bơy gi, chúng ta xét tm có mt lp vƠ có khong cách ti mặt trung hòa lƠ
z, quan h ng sut- bin dng trng h ta đ toƠn cc đc vit li nh sau:
x
0
x
x
11 12 16
x
0
12 22 26
0
16 26 66
0
44 45
45 55
0

x
00
00
00
0 0 0
0
0 0 0
0
yy
xy
yz
z
x
x
x
yy
yy
xy
xy
yz
z
Q Q Q
Q Q Q
Q Q Q z
QQ
QQ



















  











  








     

  

     

     


     


     




 














(3.8)

Hình 3.11: Tng hp lực vƠ momen ca tm [1]

-[19]-


Đ tính nh hng tích lũy trên mi lp ca tm bằng cách ly tích phơn
tng hp ng sut trên toƠn b b dƠy ca tm tính từ mặt trung hòa. Khi đó hp lực
đc tính lƠ:
1
xx
/2
1
/2
k
k
x x x
z
h
n
y yy yy
k
hz
xy xy xy

k
N
N dz dz
N





     
     

     
     
     



(3.9)


Tng Momen đc tính lƠ:
1
xx
/2
1
/2
k
k
x x x

z
h
n
y yy yy
k
hz
xy xy xy
k
M
M zdz zdz
M





     
     

     
     
     



(3.10)

Từ giá tr ca ng sut ta tính đc:
11
11 12 16 x x

21 22 26
1
16 26 66
kk
kk
x x x
zz
n
y yy yy
k
zz
xy xy xy
k
N Q Q Q
N Q Q Q dz zdz
N Q Q Q






  
     


     

  


       

       
  


     




(3.11)

11
11 12 16 x x
2
21 22 26
1
16 26 66
kk
kk
x x x
zz
n
y yy yy
k
zz
xy xy xy
k
M Q Q Q

M Q Q Q zdz z dz
M Q Q Q






  
     


     

  

       

       
  


     




(3.12)

vì bin dng vƠ đ cong ca mặc trung hòa không phi lƠ đặc trng ca z, vì

th chúng ta có th ly tng hp chúng li vi nhau:
0
11 12 16 11 12 16
0
12 22 26 12 22 26
0
16 26 66 16 26 66
0
11 12 16 11 12 16
0
12 22 26 12 22 26
0
16 26 66 16 26 66
x xx
y yy
z xy
x xx
y yy
z xy
A A A B B B
N
A A A B B B
N
A A A B B B
N
B B B D D D
M
B B B D D D
M
B B B D D D

M


















  


   

  

  

  

















(3.13)