بررسی تجربی کنترل دامنه ارتعاش در سازه های کامپوزیت PLA و PLA

در زمان های اخیر، کنترل ارتعاش در دینامیک سازه یکی از موضوعات نگران کننده در جامعه تحقیقاتی بوده است. سازه هنگامی که تحت شرایط بارگذاری دینامیکی مانند محیط خارجی، ارتعاشات ماشین، سر و صدا و فعالیت های انسانی قرار می گیرد، شروع به ارتعاش می کند. سازه در اثر ارتعاشات مکانیکی آسیب می بیند که باعث ایجاد خستگی زودرس و متعاقباً فروریختن سازه می شود. بنابراین، حفظ ارتعاش در سازه ها در حد مجاز برای کاهش خطر خرابی بسیار مهم است [1]، [2]، [3]. سازه های کامپوزیتی به دلیل خواص استثنایی مانند سختی قابل توجه، چگالی کم و نسبت مقاومت به وزن بالا، به طور گسترده در بسیاری از زمینه های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند.

با این حال، رخدادهای تشدید با فرکانس پایین تأثیر مخربی بر این ساختارها دارند و نگرانی های قابل توجهی را در مورد یکپارچگی سازه ایجاد می کنند. این جنبه ها الهام بخش محققان برای بررسی رویکردهای سرکوب دامنه ارتعاش [4] است.

چندین فناوری کنترل ارتعاش، از جمله کنترل فعال (AC) که شامل هر دو رویکرد کنترل حلقه باز و حلقه بسته و همچنین کنترل نیمه فعال (SAC)، کنترل غیرفعال (PC) و کنترل هیبریدی (HC) است، اخیراً معرفی شده است. سال برای اطمینان از ایمنی سیستم. یک سیستم کنترل رایانه شخصی اغلب از مواد و دستگاه های متعددی تشکیل شده است که بسته به حرکت سیستم نیروی کنترلی را فراهم می کند، در حالی که سنسورها و سیستم کنترل اغلب در AC، SAC و HC استفاده می شوند. تکنیک PC به دلیل هزینه کم و سهولت نصب آن اغلب اجرا می شود. [5]، [6]. همچنین شایان ذکر است که رویکردهای کنترل فعال به دلیل در دسترس بودن انواع مواد هوشمند مانند نوع پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه شکل و موارد دیگر در بازار در حال محبوب شدن در زمینه های علمی هستند [7]، [8].

علاوه بر این، به دلیل اثرات معکوس و مستقیم پیزوالکتریک، مواد پیزوالکتریک ممکن است به ترتیب به عنوان محرک و حسگر استفاده شوند. با این حال، محدودیت‌هایی مانند شکنندگی بالا، تغییر شکل کم و قابلیت ادغام کم با سازه‌های منحنی به دلیل ماهیت شکننده‌ای دارند که اثرات نامطلوبی بر پایداری و کارایی مواد پیزوالکتریک دارند [3]. این محدودیت ها محققان را تشویق کرده است تا روی تکنیک های جایگزین برای توسعه مواد پیزوالکتریک پیشرفته کار کنند. برای رسیدگی به محدودیت‌های مواد پیزوالکتریک برای کاربردهای عملی، تحقیقات گسترده‌ای در مورد ادغام الیاف پیزوسرامیک در ماتریس پلیمری انجام شده است [9]، [10]. ناسا کامپوزیت های ماکرو فیبر (MFCs) را در سال 1999 اختراع کرد تا محدودیت های ذکر شده در بالا را برطرف کند. الیاف پیزوسرامیک مستطیلی در ماتریس پلیمری گنجانده شده بود و بین لایه های محافظ و الکترود قرار گرفته بود [11]، [12]، [13]، [14]، [15]. Smart Material تجاری سازی این اختراع را به عنوان سازنده و تامین کننده دارای مجوز ناسا در سال 2002 آغاز کرد [16]. وانگ و همکاران یک رویکرد عددی برای توسعه یک تیر کامپوزیتی با دیواره نازک تقویت‌شده با الیاف غیرخطی هندسی که با محرک‌های پیزو-کامپوزیت ادغام شده است، گزارش کرد تا ساختاری هوشمند برای بال هواپیما ایجاد کند. رویکرد بازخورد سرعت منفی ساده اعمال شد و نشان داد که عملکرد میرایی را می توان با انتخاب اندازه و موقعیت مناسب پیزو محرک بهبود بخشید و هزینه کل سیستم را نیز کاهش داد [17]. دافانگ و همکاران یک مطالعه تجربی بر روی یک پرتو انعطاف پذیر برای بررسی کنترل ارتعاشات با تکه های پیزوالکتریک انجام داد. تکنیک کنترل فضای مودال مستقل برای کنترل و بررسی ویژه سه حالت اول پرتو استفاده شد. مقایسه بین پاسخ‌های ارتعاشی پرتو انعطاف‌پذیر قبل و بعد از اعمال روش کنترل، سرکوب ارتعاش قابل توجهی را نشان داد. علاوه بر این، یک شبیه‌سازی عددی برای شبیه‌سازی سه حالت اول انجام شد و نتایج حاصل از شبیه‌سازی و آزمایش کاملاً قابل مقایسه بود. یافته ها نشان می دهد که روش کنترل پیشنهادی در سرکوب ارتعاشات کاملاً مؤثر است [18]. لی و همکاران یک مطالعه عددی جامع بر روی AVC یک صفحه پیزوالکتریک ادغام شده با یک پچ پیزوالکتریک با هدف سرکوب ارتعاشات ارائه کرد. رویکرد بازخورد سرعت روی صفحه برای مشاهده اثر قابل توجه AVC بر روی صفحه اعمال شد. یافته های این مطالعه نشان می دهد که سرکوب ارتعاش قابل توجهی به دست آمده است. [1]. کومار و همکاران یک مدل المان محدود (FEM) از یک تیر کنسول ادغام شده با تکه‌های PZT برای سرکوب ارتعاشات بررسی شد. تجزیه و تحلیل مودال بر روی پلت فرم ANSYS برای تعیین فرکانس های طبیعی و شکل حالت پرتو انجام می شود. نتایج حاصل از تحلیل مودال اثربخشی این بررسی را برای SHM سازه های تیر تایید کرد [2]. پرزیبلسکی و همکاران مطالعات نظری و تجربی روی ارتعاش خمشی غیرخطی تیرهای آلومینیومی یکنواخت که به طور متقارن با محرک‌های پیزوالکتریک هوشمند در دو طرف بالا و پایین یکپارچه شده‌اند، انجام داد. یافته‌های نظری و تجربی ثابت می‌کنند که محرک‌های پیزوالکتریک نقش مهمی در سرکوب ارتعاشات در کاربردهای مختلف دارند [19]. زی و همکاران بر روی AVC پرتو با استفاده از مواد پیزوالکتریک به عنوان یک محرک مورد مطالعه قرار گرفت. مدل دینامیکی عددی پرتو توسعه داده شده است و یک تکنیک AVC جدید (الگوریتم PDμ مرتبه کسری) برای سرکوب ارتعاشات در تیر تحت شرایط بارگذاری دینامیکی خارجی مختلف اعمال شد. نتایج تأیید می کند که با استفاده از این تکنیک، دامنه ارتعاش را می توان به طور چشمگیری و سریعتر سرکوب کرد [20]. تحقیقات متعددی برای بررسی اثربخشی مواد پیزوالکتریک در کاربردهای کنترل ارتعاش، از جمله AVC در خرپاهای فضایی، سازه‌های ستونی و سازه‌های تیر هوشمند انجام شده است [21]. مایر و همکاران روی فعال، منفعل، تکنیک‌های کنترل ارتعاش تطبیقی ​​و یکپارچه و چالش‌ها و مزایای طراحی مربوطه آنها را با هم مقایسه کردند. این مطالعه از یک ترتیب طراحی برای نشان دادن راه های مختلف اجرای یک سیستم کنترل ارتعاش و همچنین ادغام رویکردهای مختلف کنترل ارتعاش استفاده کرد [22]. چای و همکاران شبیه سازی عددی و بررسی نظری رفتار هوا-ترموالاستیک سازه چند لایه را گزارش کرد. دو تکه MFC با ساختار یکپارچه شدند. یکی به عنوان سنسور برای اندازه گیری کرنش و دیگری نیروی کنترلی برای سرکوب ارتعاشات در سازه ایجاد می کند. یافته ها تایید می کنند که پچ MFC به طور موثر دامنه ارتعاش را در سازه کاهش می دهد [23]. میائو و همکاران سرکوب ارتعاشات در پرتو کنسول را با استفاده از MFC به عنوان محرک و حسگر بررسی کرد. دو وصله MFC برای AVC در پرتو کنسول استفاده شد و سومی به عنوان سنسور استفاده شد. AVC برای دو حالت اول ارتعاش با استفاده از الگوریتم‌های کنترل مشتق متناسب (PD) و کنترل فازی اجرا شد. نتایج تأیید می کند که ارتعاشات در دو حالت اول به طور قابل توجهی سرکوب می شوند و این طرح را می توان در کاربردهای صنعتی مختلف برای کنترل ارتعاشات پیاده سازی کرد [24]. Rimasauskiene و همکاران. یک مطالعه تجربی برای مشاهده تأثیر طرح‌های کنترل فعال و غیرفعال بر کنترل ارتعاش یک سازه مرکب با استفاده از پچ MFC انجام داد. یافته‌ها نشان می‌دهد که طرح‌های کنترل فعال و غیرفعال به طور موثر ارتعاشات ساختار تیر را سرکوب می‌کنند [25]. گاوریلوک و همکاران یک مطالعه گسترده از الگوریتم های مختلف برای سرکوب ارتعاشات در پرتو مرکب انجام داد، و یک پچ MFC (نوع MFC-8528 P1) با پرتو یکپارچه شد. مطالعات شبیه سازی و آزمایش برای سرکوب ارتعاشات در ساختار تیر انجام شد. نتایج شبیه‌سازی و آزمایش تأیید می‌کند که دامنه ارتعاش را می‌توان با اعمال این الگوریتم‌های کنترلی به میزان قابل توجهی کاهش داد [26]. Zippo et al. یک بررسی تجربی بر روی AVC یک صفحه کامپوزیت ساندویچی فیبر کربن لانه زنبوری متصل به MFCها به عنوان محرک و حسگر گزارش کرد. چهار حالت اول به طور موثر با استفاده از یک الگوریتم کنترل (PPF) کنترل شدند. الگوریتم کنترل در سرکوب دامنه ارتعاش در سیستم های خطی و غیرخطی قابل اعتماد و مؤثر بود. نتیجه گیری شد که آزمایشات بیشتری برای بررسی رفتار غیرخطی سیستم و اتصال الکترومکانیکی بین اجزای مختلف مورد نیاز است [27]. دانمارکی و همکاران راه حلی برای سرکوب ارتعاشات ناخواسته در ساختار لایه لایه متقاطع (مربع دویستابی) با ادغام یک نوار کامپوزیت اضافی پیشنهاد کرد. این تحقیق از یک رویکرد پارامتریک برای بررسی چگونگی تغییر زمین انرژی پتانسیل (PE) و خواص دینامیکی مرتبط با تغییرات در عرض و ضخامت نوار کامپوزیت استفاده می‌کند. بر اساس یافته‌های شبیه‌سازی‌های تحلیلی و عددی، این مقاله مشخصات طراحی بهینه نوار یکپارچه را برای به حداقل رساندن ارتعاشات ناخواسته در ساختار ناشی از تحریک دوره‌ای ارائه می‌کند [28]. رضایی و همکاران امکان تعبیه یک لایه پیزوالکتریک را در یک سیستم دمپر جرم تنظیم شده (TMDS) برای دستیابی به برداشت توان (PH) و کاهش ارتعاش به طور همزمان بررسی کرد. تحقیقات نشان داد که TMDS هم در سرکوب ارتعاش در ساختار میزبان و هم در فعال کردن PH موثر است. در نتیجه، بررسی نتیجه می‌گیرد که TMDS یک رویکرد بالقوه برای دستیابی به سرکوب ارتعاش و PH است [29]. لی و همکاران تحقیقی بر روی یک رویکرد کنترل دوگانه منحصر به فرد برای کاهش نوسانات ناخواسته در ساختار کامپوزیت های دوپایدار انجام داد. این رویکرد شامل دو MFC و یک کنترل کننده بازخورد موقعیت مثبت (PPF) است. این رویکرد مستلزم اعمال یک ولتاژ معین به یک MFC منفرد برای سرکوب یکی از چاه‌های بالقوه و سوق دادن ساختار به سمت یک موقعیت پایدار است. این با استفاده از یک کنترل کننده PPF برای کاهش ارتعاشات تک چاهی در سازه از طریق MFC دوم به دست می آید. هر دو روش ریاضی و تجربی برای نشان دادن اثربخشی رویکرد کنترل دوگانه در کاهش دامنه ارتعاش تحت سناریوهای مختلف نوسان استفاده شده است [30]. هائو و همکاران مطالعه ای بر روی ارتعاشات درون چاهکی و همچنین ارتعاشات درون چاهی یک ساختار ورقه ای مستطیلی شکل دوپایدار با پیکربندی لایه متقاطع تحریک شده توسط MFC (نوع d33) انجام داد. با توجه به یافته‌ها، دستیابی به پاسخ snap-through در ساختار ورقه‌ای زمانی که با ولتاژ ضربه‌ای ضربانی به جای ولتاژ ثابت (استاتیک) برانگیخته می‌شود، آسان‌تر است. علاوه بر این، پاسخ snap-through را می توان با تغییر فرکانس و همچنین دامنه ولتاژ عرضه شده به MFC در یک محدوده خاص افزایش داد. ولتاژ تامین شده یک نیروی خارجی به سیستم وارد می کند، در نتیجه، تغییر ویژگی های آن مانند سختی، میرایی و موارد دیگر [31]. لی و همکاران از یک رویکرد کنترل ارتعاش فعال (AVC) برای سرکوب ارتعاش در یک پرتو انعطاف پذیر استفاده کرد. دو MFC (نوع P2) با پرتو انعطاف پذیر یکپارچه شدند. یکی به عنوان محرک و دومی به عنوان سنسور. شبیه‌سازی عددی و آزمایش بر روی ساختار تیر، با استفاده از هر دو الگوریتم LQR و کنترل فازی در شرایط مختلف دینامیکی خارجی انجام شد. یافته‌ها تأیید می‌کنند که رویکرد کنترل LQR در کاهش ارتعاش در سازه‌های تیر نسبت به کنترل فازی مؤثرتر است [32]. Lu et al. از یک حلقه بازخورد تطبیقی ​​برای سرکوب دامنه ارتعاش در فرکانس‌های پایین در یک ساختار ساندویچی استفاده کرد. یک مدل تحلیلی اصلاح‌شده ارائه شده است که اثرات تکه‌های MFC را برای بررسی خواص ارتعاشی ساختار ساندویچی در بر می‌گیرد. شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های عددی برای تأیید صحت مدل تحلیلی اصلاح‌شده انجام شد. طرح حلقه بازخورد تطبیقی ​​به صورت تحلیلی و همچنین تجربی مورد استفاده قرار گرفت و یافته‌ها تایید می‌کنند که ارتعاشات در ساختار ساندویچی را می‌توان با اعمال این طرح به طور موثر سرکوب کرد [33]. رضا و همکاران با استفاده از MFC (M8507، نوع P2) به عنوان تکنیک سرکوب ارتعاش محرک، تحقیقی بر روی تکنیک سرکوب ارتعاش در سازه های تیر ساخته شده از مواد مختلف انجام داد. پلت فرم ANSYS برای ایجاد مدل های FEA هر پرتو یکپارچه با MFC استفاده شد. هر پرتو تحت یک نیروی خارجی قرار گرفت و باعث ارتعاش آن شد. در حالی که MFC یک نیروی ضد کنترل برای کاهش ارتعاش در هنگام ارائه ولتاژ کنترل به MFC تولید می کند. یافته های شبیه سازی عددی تایید می کند که MFC به طور موثر دامنه ارتعاش را در هر پرتو کاهش می دهد [34].

به منظور انجام تحقیقات بر روی ساختارهای سه بعدی، فناوری ساخت افزودنی (AM) به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. فناوری AM اشیاء سه بعدی را با افزودن لایه ها روی هم ایجاد می کند تا زمانی که شی نهایی ساخته شود [35]، [36]. در طول سال ها، فناوری AM به طور قابل توجهی گسترش یافته است و انتظار می رود در آینده به رشد خود ادامه دهد. تطبیق پذیری و مقرون به صرفه بودن آن، آن را برای کاربردهایی مانند نمونه سازی سریع و ساخت مناسب می کند. این فناوری می تواند پلیمرهای ترموپلاستیک مختلف، از جمله پلی لاکتیک اسید (PLA) [37]، [38]، [39]، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) [38]، [39]، پلی آمید (PA) و پلی کربنات (PC) را پردازش کند. 40]، [41] و همچنین پلیمرهای ترموست مانند رزین های اپوکسی. بسته به انتخاب مواد، پرینت سه بعدی پلیمرها دارای کاربردهای بالقوه ای در بخش های مختلف از جمله در بخش هوانوردی برای ساخت سازه های پیچیده، در بخش های معماری برای ایجاد مدل های ساختمانی، و در فناوری پزشکی برای ایجاد اندام ها است [41]، [40]، [42]. ]. متأسفانه، به دلیل عدم استحکام مکانیکی، اکثر مدل‌های پرینت سه‌بعدی عمدتاً به‌جای عملکرد، به‌عنوان نظری ارائه می‌شوند. این محدودیت با ترکیب نانوذرات یا الیاف در ماتریس پلیمری برای افزایش استحکام مکانیکی کاهش یافته است [41]. محققان با استفاده از فناوری AM مطالعات گسترده‌ای را بر روی تقویت الیاف کربن کوتاه یا پیوسته در زمینه پلیمری مانند PLA، ABS، نایلون، PC، PETG و غیره انجام داده‌اند [42، [43]، [44]، [45] ، [46]، [47]. در بخش های معماری برای ایجاد مدل های ساختمانی، و در فناوری پزشکی برای ایجاد اندام ها [41]، [40]، [42]. متأسفانه، به دلیل عدم استحکام مکانیکی، اکثر مدل‌های پرینت سه‌بعدی عمدتاً به‌جای عملکرد، به‌عنوان نظری ارائه می‌شوند. این محدودیت با ترکیب نانوذرات یا الیاف در ماتریس پلیمری برای افزایش استحکام مکانیکی کاهش یافته است [41]. محققان با استفاده از فناوری AM مطالعات گسترده‌ای را بر روی تقویت الیاف کربن کوتاه یا پیوسته در زمینه پلیمری مانند PLA، ABS، نایلون، PC، PETG و غیره انجام داده‌اند [42، [43]، [44]، [45] ، [46]، [47]. در بخش های معماری برای ایجاد مدل های ساختمانی، و در فناوری پزشکی برای ایجاد اندام ها [41]، [40]، [42]. متأسفانه، به دلیل عدم استحکام مکانیکی، اکثر مدل‌های پرینت سه‌بعدی عمدتاً به‌جای عملکرد، به‌عنوان نظری ارائه می‌شوند. این محدودیت با ترکیب نانوذرات یا الیاف در ماتریس پلیمری برای افزایش استحکام مکانیکی کاهش یافته است [41]. محققان با استفاده از فناوری AM مطالعات گسترده‌ای را بر روی تقویت الیاف کربن کوتاه یا پیوسته در زمینه پلیمری مانند PLA، ABS، نایلون، PC، PETG و غیره انجام داده‌اند [42، [43]، [44]، [45] ، [46]، [47]. اکثر مدل‌های پرینت سه‌بعدی عمدتاً به‌عنوان نظری و نه کاربردی ارائه می‌شوند. این محدودیت با ترکیب نانوذرات یا الیاف در ماتریس پلیمری برای افزایش استحکام مکانیکی کاهش یافته است [41]. محققان با استفاده از فناوری AM مطالعات گسترده‌ای را بر روی تقویت الیاف کربن کوتاه یا پیوسته در زمینه پلیمری مانند PLA، ABS، نایلون، PC، PETG و غیره انجام داده‌اند [42، [43]، [44]، [45] ، [46]، [47]. اکثر مدل‌های پرینت سه‌بعدی عمدتاً به‌عنوان نظری و نه کاربردی ارائه می‌شوند. این محدودیت با ترکیب نانوذرات یا الیاف در ماتریس پلیمری برای افزایش استحکام مکانیکی کاهش یافته است [41]. محققان با استفاده از فناوری AM مطالعات گسترده‌ای را بر روی تقویت الیاف کربن کوتاه یا پیوسته در زمینه پلیمری مانند PLA، ABS، نایلون، PC، PETG و غیره انجام داده‌اند [42، [43]، [44]، [45] ، [46]، [47].

پس از بررسی ادبیات گسترده، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که یک مطالعه مقایسه ای کمی در مورد استفاده از کامپوزیت فیبر ماکرو (MFC) به عنوان محرک بر روی مواد مختلف، به ویژه کامپوزیت تقویت شده با الیاف (AM) در زمینه کنترل ارتعاش مورد نیاز است. این الهام بخش نویسندگان شد تا از MFC (M8507-P2) به عنوان یک محرک برای کنترل ارتعاشات در سازه‌های تیرهای کنسول AM با جهت لایه 0-0 درجه استفاده کنند که از اسید پلی لاکتیک (PLA) و کامپوزیت‌های PLA ساخته شده‌اند. کامپوزیت های PLA شامل PLA با الیاف کربن کوتاه (کامپوزیت PLA-SCF) و PLA با الیاف کربن پیوسته (کامپوزیت PLA-CCF) می باشد. هدف اصلی این مطالعه کشف خواص دینامیکی (فرکانس‌های طبیعی، شکل‌های حالت خمشی و سرکوب ارتعاش با اثر MFC) سازه‌های ساخته‌شده با افزودنی و شناسایی ساختاری که در آن MFC در محدود کردن دامنه‌های ارتعاش مؤثرتر است. علاوه بر این، یک رویکرد کنترل ارتعاش فعال حلقه باز (AVC) با جستجوی دامنه افزایشی برای تعیین ولتاژ و فاز بهینه سیگنال ارائه شده به محرک MFC که در آن حداکثر سرکوب دامنه برای هر سازه به دست می‌آید، استفاده شده است. تجزیه و تحلیل مودال هر ساختار AM برای تعیین اشکال حالت خمشی، فرکانس‌های طبیعی و دامنه‌های ارتعاشی در فرکانس‌های طبیعی مربوطه انجام می‌شود. پس از آن، نتایج تجربی سرکوب دامنه ارتعاش، که با اعمال محرک MFC در اولین فرکانس‌های تشدید به دست می‌آیند، به طور کامل مورد بحث قرار می‌گیرند. علاوه بر این،