بخشی از مقاله
چکیده
کنترل ارتعاشات سازه های هوافضا - مانند هواپیماها و موشکها - و همچنین سازه هایی که در معرض جریانهای سیال قرار دارند - مانند توربین های بادی، زیردریایی ها و دکل های حفاری دریایی - ، همواره یکی از چالشهای طراحی این نوع سازه ها است.
هدف این مقاله، کنترل ارتعاشات یک سازه یکسر درگیر - مانند بال یک هواپیما، پره یک توربین بادی یا دم ثابت یک بالگرد - و پایدارسازی رفتار ارتعاشی آن به کمک حسگرها و عملگرهای پیزوالکتریک است. عدم کنترل فعال این ارتعاشات که عمدتا توسط نیروهای آیرودینامیک تولید می شوند، می تواند منجر به تخریب یا کاهش عمر این نوع سازه ها شود. برای این منظور، از مدل تیر یکسر درگیر اویلر- برنولی به همراه لایه های پیزوالکتریک استفاده خواهیم کرد
مقدمه
عمر یک سازه مهندسی در هر صنعتی بعنوان فاکتور اساسی در حفظ و نگهداری تجهیزات به حساب میآید. حال این سازه میتواند بصورت یک تیر، ورق، پوسته، پانل و یا خرپا باشد. عمر سازههای مهندسی در اثر نوسانات ارتعاشی مورد تضعیف قرار میگیرد و یا میتواند طراحی صورتگرفته برای سیستم مکانیکی از مسیر پیشبرد اهداف طراحان، دور سازد.
در این پژوهش یک تیر یکسرگیردار که منطبق بر تئوری تیموشنکو مدلسازی و تحت نیروی عرضی خارجی دچار اغتشاش شده، شبیهسازی میشود. کنترل فعال ارتعاشاتی بعنوان یک مساله حائز اهمیت در سازهها به حساب میآید و باعث تبدیل شدن یک سازه به سازه ای هوشمند که بطور خودکار و اتومات به کنترل در برابر اغتشاشات خارجی در میآید. در کنترل ارتعاشات هدف کاهش پاسخ ارتعاشی سیستم میباشد و در بسیاری از مواقع تاثیر بسزایی در پایداری و عملکرد سیستم خواهدداشت. یک سازه هوشمند را میتوان بصورت حلقهی کنترلی شکل زیر نمایش داد.
شکل :1 بلوک دیاگرام یک تیر هوشمند
تیرها جزء محیط های پیوسته به حساب می آیند و دارای بی نهایت درجه آزادی می باشد. هدف اصلی از تحلیل تیرها بدست آوردن تابع خیز می باشد. بنابراین بعد از بدست آوردن تابع خیز توابعی همچون شیب- نیروی برش، و لنگر خمشی به سادگی بدست می آیند. در چند دهه اخیر ترکیب تیریکسرگیردار و پیزوالکتریک در علم نوپای 1 MEMS/NEMS استفاده چشمگیری به ویژه در زمینه بیولوژیکی داشتهاست.
عملکرد سنسورهای دارای میکروتیریکسرگیردار به صورت ارتعاشاتی می-باشد و با اندازهگیری تغییرات فرکانس طبیعی میکروتیر میتوان تغییرات پارامتر مورد نظر - مانند جرم نانوذرات، اندازه مولکول-ها، غلظت سیالات و ... - را اندازه گرفت.
برای این کار وسیله نیازمند یک سیستم تحریک و یک سیستم اندازهگیری است و در این بین استفاده از یک لایه پیزوالکتریکی بر روی میکروتیر اهمیت ویژهای دارد. زیرا با استفاده از آن میتوان تیر را با اعمال جریان الکتریکی متناوب تحریک کرد - اثر عکس پیزوالکتریک - و همزمان با اندازهگیری جریان الکتریکی القایی پیزوالکتریک، فرکانس طبیعی سیستم را اندازهگیری - اثر مستقیم پیزوالکتریک - کرد. روش پیزوالکتریک نسبت به روشهای دیگر مانند روش لیزری و خازنی مقرونبهصرفهتر و سادهتر میباشد.
در سال Shin 2005 و همکاران ، از میکروتیر پیزوالکتریکی به عنوان سنسور گاز و به منظور شناسایی مولکول های گازی محیط، مانند ترکیبات آلی فرار 2 - &29 - استفاده کردند. تحریک میکرو تیر به وسیله لایه PZT صورت می گرفت. فرکانس طبیعی سیستم در محدوده 17-19 kHz بود. سطح میکروتیر با PMMA پوشش داده شده است. تغییرات فرکانس طبیعی با آنالیز سیگنال های خروجی از پیزوالکتریک محاسبه میگردد.
میزان حساسیت این بیوسنسور معادل 34/1 Hz/ng گزارش شد که نسبت به سایر بیوسنسورها از حساسیت بالایی برخوردار است. در شکل زیر تغییرات اولین فرکانس طبیعی میکروتیر برای ذرات حدود 2 الی 15 نانوگرم مس نشان داده شده است.
Zhu و همکاران در سال 2008 نشان دادند تغییرات فرکانس طبیعی میکروتیر در محیطهای با میزان رطوبت مختلف، به دلیل بوجود آمدن تغییرات در مدول یانگ پیزوالکتریک است و میزان تغییرات فرکانس طبیعی با این روش 300 برابر تغییرات حاصل از اعمال بار است. با استفاده از این نتیجه بیوسنسوری برای سنجش رطوبت هوا طراحی کردند
Capobianco و همکاران [3] در سال 2012 بیوسنسورهایی طراحی کردند که دارای میکروتیرهایی به طول 700-1250 µm ، عرض µm 480-850 و ضخامت 8 µm بودند و از آنها به منظور شناسایی میزان غلظت ویریون 3و نوکلئوکپسید 4در محلول ها استفاده کردند. در چند دهه اخیر تحقیقات عملی و نظری فراوانی برای بهبود کنترل ارتعاشاتی سیستمهای پیوسته صورت گرفتهاست. M.Ebrahimnejad و همکاران از پیزوالکتریک برای میرا نمودن ارتعاشی یک سازه خرپا روش جایابی مکانی قطبها و کنترلر LQR استفاده نمودند. آنها در این پژوهش بهترین مکان را برای نصب حسگر و عملگر پیزوالکتریک شناسایی نمودند
J.Arushankar.[6] و همکاران با استفاده از کنترلر مودلغزشی سعی در کنترل یک تیر هوشمند - تیر همراه با عملگر و حسگر پیزوالکتریک - در اثر تحریکات و اغتشاشات خارجی داشتند که این تیر یک مدلی از پیکره هواپیما بودهاست.[7] N.Ghareebو همکارش با استفاده از لایه پیزوالکتریکی که بصورت حسگر و عملگر نقش خود را ایفا میکرد بر روی یک تیر یکسرگیردار نصب و آنگاه با استفاده از تئوری پایداری خطی لیاپانوف اولین مود ارتعاشی تیر را با استفاده از کنترلر خطی کنترل و نتایج قابل توجهی از این تحقیق استخراج نمودند
N.M.Sridevi و همکارش با استفاده از کنترلر ∞ یک تیر به همراه پیزوالکتریک را در چندین مودارتعاشی مهارکردند. همچنین نتایج این کنترلر در مقایسه با کنترلر LQR عملکرد بهینهتری از خود نشان دادT.C.Manjunath. [9] و همکار خویش نوعی کنترلر مقاوم تحت عنوان RDPOF طراحی نمودند.
