وبلاگ

تحقیقات گسترده با هدف ساخت یک ماده مصنوعی مقاوم در برابر دماهای بالا و شوک های حرارتی جهت استفاده در بدنه فضاپیماها و نیروگاه های هسته ای به شناخت FGM منجر گردیده است. پیش بینی می گردد با توجه به ویژگی های منحصر به فرد این ماده، کاربردهای صنعتی آن در سال های آتی توسعه یابد. مواد FGM از نظر زیر ساختاری ناهمگن بوده به طوری که خواص مکانیکی به طور ملایم و پیوسته از یک سطح تا سطح دیگر ماده تغییر می کند. نوع رایج این مواد سرامیک – فلز می باشد. در این حالت یک سطح از جسم سرامیک بوده و سطح مقابل فلز می باشد و خواص مکانیکی در ضخامت جسم از سرامیک به فلز در تغییر است.
ضمنا عبارت سیستم سازه هوشمند به انواع وسیعی از مواد فعال و سیستم های سازه ای غیرفعال نسبت داده می شود. به عنوان مثال، یک سیستم متشکل از یک کامپوزیت (تیر، ورق، پوسته و یا هر شکل بنیادی دیگری) با قطعه های پیزوالکتریک تعبیه شده یا چسبانده شده بر روی سطوح سازه و یا حتی لایه هایی از مواد فعال در یک سیستم چند لایه می باشد.
در توسعه سیستم های سازه های هوشمند، مواد پیزوالکتریک به عنوان حسگر و عملگر برای کنترل و نظارت خودکار پاسخ های سازه ای استفاده شده است. استفاده از سیستم های حسگر و عملگر پیزوالکتریک برای کنترل ارتعاشات به صورت یک ابزار مهم و مفید در طراحی سیستم ها و سازه های هوشمند درآمده است. حسگر پیزوالکتریک توانایی پاسخ به ارتعاشات و ایجاد ولتاژ با توجه به اثر مستقیم پیزوالکتریک را دارد. این ولتاژ پردازش شده توسط یک بهره کنترلی تقویت شده و سپس به عملگر اعمال می گردد. عملگر به نوبه خود با بهره گرفتن از اثر معکوس پیزوالکتریک نیروی کنترلی ایجاد می نماید و اگر نیروی کنترلی مناسب باشد، ارتعاش سازه به صورت مناسبی کنترل می شود.
در گذشته نه چندان دور، مطالعات بر روی سازه های هوشمند با حسگر و عملگر پیزوالکتریک اکثرا بر روی روش های تحلیلی تکیه داشته اند. این رهیافت ها را فقط می توان بر روی سازه های ساده مانند تیرها و صفحات با تکیه گاه ساده، به کار برده می شود و برای سازه های پیچیده قابل استفاده نبوده است. بنابراین احتیاج به تحلیل المان محدود بیش از پیش جلوه نموده است.

در این رساله سعی بر شده است که با بهره گرفتن از تئوری تغییر شکل مرتبه اول (FSDT) به تحلیل کنترل ارتعاشات صفحه FGM مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک در محیط حرارتی پرداخته شود که معادلات حاکم براساس اصل همیلتون و روش المان محدود به دست آورده می شوند. برای تحلیل در حوزه زمان معادلات حرکت برای صفحات FGM از روش نیومارک استفاده می گردد و همچنین جهت کنترل ارتعاشات از یک کنترل تناسبی منفی سرعت در تعامل با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک استفاده می شود.

فصل اول: کلیات
1-1- هدف
مواد FGM، مواد مرکب چند وظیفه ای هستند که به طور میکروسکوپی غیرهمگن بوده و خواص آنها به طور پیوسته و آرام از یک سطح (معمولا سرامیک) تا سطح دیگر (معمولا فلز) تغییر می نماید. بدین ترتیب مواد FGM خواص گوناگون جورنشدنی از جمله مقاومت در مقابل حرارت، سایش و اکسیداسیون سرامیکی را با چقرمگی، استحکام و قابلیت ماشین کاری فلزات درهم می آمیزند. این در حالیست که این مواد خطر تورق ناشی از عدم تطابق خواص مکانیکی در فصل مشترک مواد مرکب به ویژه در دماهای بالا را نیز مرتفع می سازند. لذا مواد FGM مزیت تاب آوردن در شرایط محیطی با دمای بالا ضمن نگهداشتن یکپارچه ساختاری خودشان را دارا هستند. در آستانه قرن 21، ورود به نسل جدید سیستم سازه ها و مواد هوشمندی که کوپلینگ مگنتو – الکترو – ترمو – مکانیکی، هوشمندی هدفمند، یکپارچگی و کوچک سازی را ترکیب می کنند پیش روست. کنترل، جداسازی و فرونشاندن ارتعاش، قابلیت های حسگری، مانیتورینگ و خوداصلاحی و نیز انجام اقدام اصلاحی شماری چند از بکارگیری تکنولوژیکی این مواد است. مواد پیزوالکتریک، مگنتو استریکتیو، آلیاژهای حافظه دار و سیالات الکترو رئولوژیکال در کناره سازه ها، سازه های هوشمند را خلق می نمایند. مواد پیزوالکتریک این توانایی را دارند که هنگام قرار گرفتن تحت یک کرنش مکانیکی، میدان الکتریکی تولید کنند و اگر پیزوالکتریک تحت میرایی الکتریکی قرار گیرند، در واقع تحت تنش قرار گرفته اند.
2-1- پیشینه تحقیق
در مورد کنترل ارتعاشات سازه هایی که از لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک استفاده شده است، تحقیقات بسیاری صورت گرفته است که برخی از این تحقیقات به شرح زیر می باشند.
Hwang و Park به ارائه فرمول بندی المان محدود برای کنترل ارتعاشات صفحات چندلایه با حسگر و عملگر پیزوالکتریک پرداختند. با بهره گرفتن از تئوری کلاسیک صفحات، معادلات حرکت توسط اصل همیلتون را به دست آوردند.
Lam و همکارانش مدل المان محدود را براساس تئوری کلاسیک صفحات برای کنترل فعال ارتعاشات صفحات مرکب که مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک بودند، توسعه دادند.
Liu و همکارانش فرمول بندی المان محدود را برای مدل دینامیکی صفحات مرکب با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک ارائه نمودند و همچنین براساس تئوری کلاسیک صفحات و اصل همیلتون این فرمول بندی صورت گرفته است. برای کنترل فعال ارتعاشات از یک کنترلر منفی سرعت استفاده شده است که با اثر مستقیم و معکوس پیزوالکتریک در یک حلقه بسته کوپل می باشد. Moita و همکارانش به بررسی مدل المان محدود برای کنترل فعال پوسته و صفحه مرکب تحت ارتعاشات اجباری براساس تئوری مرتبه بالا تغییر شکل، پرداخته اند.
بررسی کنترل ارتعاشات صفحات مرکب با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک با فرمول بندی المان محدود براساس تئوری مرتبه اول تغییر شکل را Heidary و Eslami انجام دادند. ضمنا اثر محیط دمایی بر کنترل ارتعاشات صفحات مرکب نیز گزارش شده است.
حال در مورد بررسی ارتعاشات صفحات FGM که مجهز به لایه های پیزوالکتریک می باشند نیز اخیرا تحقیقاتی صورت گرتفه که به شرح برخی از آنها در زیر پرداخته می شود.
He و همکارانش فرمول بندی المان محدود براساس تئوری کلاسیک صفحات را برای کنترل ارتعاشات صفحات FGM مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک را ارائه کردند. خواص صفحات FGM به طور توابع مدرج در راستای ضخامت هستند که با توزیع کسر حجمی قانون توانی، متناسب می باشند. به بررسی رفتارهای استاتیکی و دینامیکی صفحات مذکور پرداخته شده است. همچنین فرکانس های طبیعی برای شرایط تکیه گاعی مختلف نیز گزارش گردیده است.
Shen و Huang به تحلیل غیرخطی ارتعاشات صفحات FGM با لایه های پیزوالکتریک چسبانده شده به سطح سازه در محیط حرارتی پرداخته اند. از تئوری مرتبه بالای تغییر شکل صفحات استفاده شده است. اثر تغییرات دما، ولتاژ کنترلی و تغییرات جزء حجمی مواد تشکیل دهنده FGM، بر روی ارتعاشات غیرخطی بیان گردیده است.