CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Sơ lược về hiện tượng áp điện và ứng dụng trong kỹ thuật Hiện tượng áp điện (piezoelectric phenomena) xảy ra trong loại vật chất có tính thuận - nghịch về cơ học và điện. Theo đó, khi áp đặt vào khối vật chất này một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, tức là có sự biến dạng xảy ra đối với khối vật chất và ngược lại, khi tác dụng một lực cơ học vào khối vật chất làm cho nó biến dạng thì trong khối vật chất đó xuất hiện dòng điện. Điều này tương tự như nguyên lý của máy biến đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học và từ năng lượng cơ học sang năng lượng điện.
Về bản chất, hiệu ứng thuận - nghịch của vật liệu áp điện đó là: sự xuất hiện các điện tích (và do đó làm xuất hiện điện trường) khi kết cấu áp điện bị biến dạng do tác động cơ học dẫn đến hiệu ứng thuận, còn hiệu ứng nghịch là hiện tượng khi kết cấu áp điện đặt trong điện trường bên ngoài thì nó xuất hiện biến dạng (Hình 1. a) Hiệu ứng áp điện thuận b) Hiệu ứng áp điện nghịch Hình 1. Hiện tượng hiệu ứng áp điện thuận và nghịch Với những tính chất đặc biệt như trên, ngày nay các chi tiết, kết cấu áp điện đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là trong các lĩnh vực kỹ thuật công nghệ cao như: các loại cảm biến luan an 6 (đo lực, áp suất, vận tốc, gia tốc), cảm biến siêu âm, cảm biến địa chấn, máy thu âm, v. Một thiết bị quan trọng trong nhóm các thiết bị áp điện là các máy phát siêu âm áp điện, chúng khác so với các kiểu máy phát ma sát từ và các loại máy khác là chúng đảm bảo phát siêu âm hiệu quả hơn với công suất và tần số được kiểm soát.
Siêu âm trong các máy phát này được tạo ra nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch. Lần đầu tiên hiệu ứng áp điện đã được ứng dụng thực tế trong máy phát siêu âm áp điện thạch anh của trạm kích hoạt thuỷ lực dùng để phát hiện ra các tầu ngầm trong chiến tranh Thế giới thứ nhất. Từ đó việc ứng dụng này đã sản sinh ra một loạt ứng dụng rộng rãi các phương pháp phát hiện những khuyết tật (tạp chất) trong các môi trường khác nhau. Máy phát hiện khuyết tật siêu âm được ứng dụng để nghiên cứu một phổ rộng rãi những vật liệu và kết cấu, bao gồm các ống và các đường ống khác nhau.
Ngoài ra, ứng dụng quan trọng của vật liệu áp điện còn phải kể đến là động cơ piezo cũng như áp dụng vật liệu áp điện để điều khiển dao động cơ học đối với các kết cấu như: tấm, vỏ, v. Thực tế cho thấy, vật liệu áp điện thông thường tồn tại dưới 2 dạng cơ bản, đó là: dạng khối ceramic (gốm) và dạng phiến mỏng (tấm, miếng mỏng), chúng đã và sẽ góp phần quan trọng vào cấu tạo các chi tiết, thiết bị và kết cấu quan trọng trong các lĩnh vực kỹ thuật như: hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, cơ điện tử, kỹ thuật hạt nhân, y học, v. từng bước góp phần đưa khoa học kỹ thuật phát triển lên một tầm cao mới. Tổng quan về kết cấu tấm composite áp điện Kết cấu tấm composite áp điện thường tồn tại dưới hai dạng, đó là: kết cấu tấm composite có các lớp áp điện, đây là loại kết cấu tấm được cấu tạo từ một số lớp composite liên kết bám dính tuyệt đối với một số lớp vật liệu áp điện; dạng thứ hai là kết cấu tấm composite, trong đó trên bề mặt tấm có luan an 7 gắn các miếng bằng vật liệu áp điện.
Để đơn giản, có thể gọi chung hai loại kết cấu này là tấm composite áp điện. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo và nhu cầu thực tiễn, ngoài kết cấu tấm composite áp điện dạng trơn (Hình 1.2), hiện nay còn có kết cấu tấm composite áp điện có các biện pháp gia cường (Hình 1. Khi tạo thành kết cấu tổng thể, các lớp hoặc các miếng vật liệu áp điện đóng vai trò kích thích (actuator) và vai trò cảm biến (sensor), chúng có tác dụng “điều khiển” ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các loại tải trọng cơ học, trong đó có sự can thiệp của con người. a, Tấm composite có lớp áp điện b, Tấm composite gắn miếng áp điện Hình 1.
Kết cấu tấm composite áp điện dạng trơn luan an 8 a) Tấm CPS áp điện có gân gia cường a) Tấm CPS áp điện lượn sóng Hình 1. Kết cấu tấm composite áp điện có biện pháp gia cường Để phục vụ cho việc chọn mô hình tải trọng khí động tác dụng lên tấm, tiếp sau đây tác giả trình bày một số mô hình lực khí động thường dùng để tính toán kết cấu. Các mô hình lực khí động sử dụng tính toán kết cấu 1. Mô hình lực khí động thực nghiệm Ứng dụng khí động lực học rất phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố.
Nghiên cứu để đưa ra được mô hình lực khí động phù hợp với tất cả các điều kiện là điều hết sức khó khăn, đến nay tùy vào các điều kiện cụ thể, một số mô hình lực khí động được sử dụng để tính toán kết cấu, cụ thể: 1. Mô hình lực khí động tuyến tính theo hàm Theodorsen [35],[36]: Với mô hình này, lực nâng và mô men xoắn phân bố dọc theo chiều dài của kết cấu được xác định bởi: 2 h B B Bh hl a U B C k 2 2 U 4U 4U 4U (1.1) 2 h B B2 B m 2 a U 2B C k 2 U 4U 32U 4U B trong đó: k - tần số dẫn xuất; C k F k jG k - hàm Theodorsen U được xác định bằng thực nghiệm, lh - lực nâng phân bố, m - mô men xoắn phân bố, a- khối lượng riêng của không khí, U- vận tốc dòng khí, B - luan an 9 chiều rộng của mặt cắt ngang kết cấu, h - chuyển vị thẳng đứng của mặt cắt ngang, - góc xoay của mặt cắt ngang quanh trục kết cấu so với hướng dòng khí, - tần số dao động của kết cấu. Mô hình lực khí động tuyến tính Scanlan [35],[36],[92]: 1 2 * h * B hl a U B 1 kH k kH 2 k k 2 H*3 k 2 U U (1.2) m 1 U 2 B2 kA* k h kA* k B k 2 A* k 2 a 1 2 3 U U , với: H *i , A *i i 1 3 - các hệ số dẫn xuất, được xác định bằng thực nghiệm U trong ống thổi, chúng phụ thuộc vào dạng mặt cắt kết cấu và tỉ số. Mô hình lực khí động thực nghiệm phi tuyến Mô hình lực khí động thực nghiệm phi tuyến được trình bày trong như trong các tài liệu [35],[36]: 1 2 B h h 2h lh a U B H1 2 H 2 H3 2 U U B (1.3) m 1 U 2B2 A B A B A A h 2 2 2 8 a 1 2 2 3 4 2 U h U U , trong đó: H*i , A*j i 1 3, j 1 4 - các hệ số khí động, chúng được xác định bằng thực nghiệm.
Mô hình lực khí động theo lý thuyết Piston 1. Mô hình lực khí động theo lý thuyết Piston tuyến tính [35]: 2 2 a U w x, y, t 1 M 2 w x, y, t pa x, y, t 2 , (1.4) M 2 1 x U M 1 t trong đó: p a - lực khí động trên một đơn vị diện tích (áp suất khí động), U - vận tốc dòng khí chưa bị nhiễu động, M - số Mach, w - chuyển vị dài theo phương z (độ võng). Mô hình lực khí động theo lý thuyết Piston phi tuyến [36]: Trong trường hợp này, tỷ số giữa áp suất khí động tác dụng lên mặt ngoài của vật thể và áp suất tĩnh của dòng khí chưa bị nhiễu động được xác định theo biểu thức: 2 p 1 vn 1 1 (1.5) p 2 a với: vn - vận tốc của vật theo phương pháp tuyến với bề mặt, được xác định: w x, y, t w x, y, t vn U (1.6) x t - tỷ số nhiệt dung của chất khí (chỉ số mũ đoạn nhiệt). Mô hình lực khí động theo lý thuyết tuyến tính dòng có thế [35]: Theo lý thuyết này, dòng có thế và không nhớt cho bởi biểu thức: 2 2 1 2 U air 0.7) a t x Từ phương trình (1.7) cho ta đại lượng air theo điều kiện của bề mặt.
Đối với trường hợp tấm phẳng, ta có: 2 air U w (1.8) z z 0 t x trong đó: air - hàm thế vận tốc, a - vận tốc âm thanh, U- vận tốc dòng khí, w - chuyển vị của dòng khí theo phương pháp tuyến (phương trục z). Theo đó, mối quan hệ giữa áp suất và hàm thế vận như sau: 2 p k U air , (1.9) t x với: p - độ chênh áp suất khí động, phụ thuộc chuyển dịch của vật thể. Mỗi mô hình lực khí động thường phù hợp với những điều kiện nhất định, trong đó có thể thấy: - Mô hình lực khí động thực nghiệm Theodorsen và mô hình lực khí luan an 11 động thực nghiệm Scanlan phù hợp tính toán các công trình có mặt cắt ngang chịu tác dụng của lực khí động, trong đó vận tốc dòng khí dưới âm (M <1). - Đối với mô hình lực khí động theo lý thuyết dòng bị biến dạng phù hợp với dòng cận âm hoặc dòng vượt âm có M 2 .