Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Điều Khiển Chủ Động Tấm Thép Với Tinh Thể Áp Điện

• Tác giả: Hoàng Đức Vinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Phân Tích Điều Khiển Chủ Động Tấm Thép Với Tinh Thể Áp Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Lịch sử phát triển và hình thành
• 2.3. Phân loại vật liệu áp điện
• 2.4. Vật liệu có mạng tinh thể đơn
• 2.5. Màng áp điện mỏng
• 2.6. Cảm biến áp điện
• 2.7. Bộ kích áp điện
• 2.8. Ứng dụng của vật liệu áp điện
• 2.9. Thành lập các phương trình cơ bản của vật liệu áp điện
• 2.10. Các hệ số áp điện
• 2.11. Tương tác đa trường của vật liệu áp điện
• 2.12. Lý thuyết chung về điều khiển
• 2.13. Lịch sử phát triển và hình thành
• 2.14. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình
• 2.15. Phân loại hệ thống điều khiển tự động
• 2.16. Các phương pháp mô tả động học hệ thống điều khiển tự động
• 2.17. Hàm truyền đạt của hệ thống
• 2.18. Phương trình trạng thái mô tả hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: THÀNH LẬP CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.1. Mô hình và bài toán
• 3.2. Thành lập công thức của vật liệu áp điện
• 3.3. Thành lập các ma trận của phần tử hữu hạn
• 3.4. Công thức năng lượng
• 3.5. Nguyên lý biến phân
• 3.6. Chuyển đổi ma trận trong chiệu tọa độ địa phương và toàn cục
• 3.7. Phân tích tĩnh mô hình
• 3.8. Phân tích động học và điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Áp dụng bài toán điều khiển chủ động tấm thép
• 4.2. Kết quả phân tích tĩnh
• 4.3. Kết quả phân tích động lực học
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu về phân tích điều khiển tấm thép với tinh thể áp điện đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Tấm thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và công nghiệp, với các đặc tính cơ học như độ dẻo và khả năng uốn. Tuy nhiên, khi chịu tác động của ngoại lực, tấm thép có thể bị biến dạng và gây ra rung động. Việc kiểm soát các dao động này là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và độ bền của cấu trúc. Các phương pháp điều khiển như điều khiển chủ động và điều khiển bị động đã được nghiên cứu để giảm thiểu các dao động này. Đặc biệt, việc sử dụng vật liệu áp điện cho phép chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại, mở ra nhiều ứng dụng trong việc điều khiển và giảm thiểu dao động.

1.1. Tính chất và ứng dụng của tấm thép

Tấm thép có nhiều ứng dụng trong xây dựng cầu đường và công nghiệp đóng tàu. Tùy thuộc vào độ dày, tấm thép có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Các tấm dày thường được sử dụng trong các công trình lớn, trong khi các tấm mỏng thường được dùng cho các sản phẩm dân dụng. Việc kiểm soát dao động trong tấm thép là rất quan trọng, vì các dao động này có thể dẫn đến hư hỏng và giảm tuổi thọ của cấu trúc. Do đó, việc áp dụng các công nghệ mới như cảm biến áp điện để theo dõi và điều khiển dao động là rất cần thiết.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ học vật rắn là nền tảng cho việc nghiên cứu phân tích điều khiển tấm thép. Nguyên lý Hamilton được sử dụng để thiết lập các phương trình năng lượng cho vật liệu áp điện. Các phương trình này cho phép mô hình hóa hành vi của tấm thép dưới tác động của các lực bên ngoài. Lý thuyết tấm Kirchhoff được áp dụng để phân tích tĩnh và động học của tấm thép. Việc sử dụng phần tử hữu hạn trong MATLAB giúp thực hiện các phân tích phức tạp, cho phép mô phỏng và dự đoán hành vi của tấm thép khi có sự tác động của các yếu tố bên ngoài.

2.1. Nguyên lý Hamilton và lý thuyết tấm

Nguyên lý Hamilton là một công cụ mạnh mẽ trong cơ học để thiết lập các phương trình chuyển động. Trong nghiên cứu này, nguyên lý này được áp dụng để phát triển các phương trình năng lượng cho vật liệu áp điện. Lý thuyết tấm Kirchhoff cung cấp một khung lý thuyết để phân tích các tấm mỏng, cho phép tính toán ứng suất và biến dạng. Việc kết hợp giữa lý thuyết tấm và nguyên lý Hamilton giúp tạo ra một mô hình chính xác cho việc phân tích tĩnh và động học của tấm thép.

III. Phân tích kết quả

Kết quả phân tích cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến áp điện có thể giảm thiểu đáng kể dao động của tấm thép. Các mô phỏng cho thấy rằng khi áp dụng lực kích thích từ các bộ kích, tấm thép có thể được điều khiển để giảm biên độ dao động. Kết quả này được so sánh với các phương pháp phân tích khác và cho thấy tính hiệu quả của phương pháp điều khiển chủ động. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển hồi tiếp giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, đảm bảo rằng tấm thép duy trì được độ ổn định trong suốt quá trình hoạt động.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Việc áp dụng cảm biến áp điện trong các cấu trúc tấm thép không chỉ giúp giảm thiểu dao động mà còn nâng cao độ bền và tuổi thọ của các công trình. Các ứng dụng trong ngành xây dựng, hàng không và ô tô cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này. Việc phát triển các hệ thống điều khiển chủ động có thể giúp cải thiện hiệu suất và an toàn cho các cấu trúc kỹ thuật, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.