Vật liệu áp điện đang khẳng định vị thế là một loại vật liệu thông minh ưu việt với khả năng kép: vừa có thể truyền kích động (actuator) vào nội tại kết cấu, vừa đóng vai trò cảm biến (sensing) để nhận diện trạng thái bên trong. Khi được tích hợp trực tiếp như một bộ phận của công trình, vật liệu áp điện mang lại độ tin cậy cao và hiệu quả vượt trội trong việc phát hiện hư hỏng.

Đáng chú ý, việc sử dụng gốm áp điện (piezoelectric ceramics) giúp tối ưu hóa chi phí nhờ khả năng hoạt động như một cảm biến độc lập không cần nguồn điện ngoài. Đặc biệt, khả năng vận hành trong miền tần số cao khiến loại vật liệu này trở thành công cụ lý tưởng cho việc chẩn đoán chính xác các vết nứt. Xuất phát từ thực tiễn đó, GS. TSKH. Nguyễn Tiến Khiêm cùng các cộng sự tại Viện Cơ học và Kỹ thuật môi trường đã thực hiện đề tài nghiên cứu: “Chẩn đoán vết nứt trong kết cấu khung dầm sử dụng vật liệu áp điện”, tập trung vào việc dùng cảm biến áp điện để đo đạc tín hiệu rung động và xác định hư hỏng.

Nghiên cứu được triển khai một cách hệ thống thông qua bốn nội dung chính:

- Tổng quan về vật liệu áp điện và ứng dụng của chúng trong chẩn đoán kết cấu.

- Thiết lập mô hình độ cứng động cho phần tử dầm có lớp áp điện để phục vụ đo đạc rung động.

- Phân tích dao động riêng và đáp ứng điện của dầm (cả trạng thái nguyên vẹn và bị nứt) khi có gắn cảm biến.

- Đề xuất phương pháp chẩn đoán vết nứt dựa trên các đặc trưng rung động đặc thù.

Đối tượng trọng tâm của đề tài là dầm Timoshenko FGM (vật liệu có cơ lý tính biến thiên) được gắn các miếng vá hoặc lớp áp điện. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong miền đàn hồi tuyến tính của dầm thẳng tiết diện đều, với mô hình vết nứt được giả thiết luôn mở và được mô phỏng thông qua các lò xo có độ cứng tương ứng với độ sâu vết nứt.

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn cách tiếp cận trong miền tần số và sử dụng phương pháp độ cứng động làm chủ đạo. Đây được xem là phương pháp bán giải tích có độ chính xác cao nhất hiện nay khi so sánh với các phương pháp số truyền thống như phần tử hữu hạn hay sai phân hữu hạn. Phương pháp này – còn gọi là phương pháp phần tử phổ (Spectral Element Method) – cho phép mô tả liên tục và chính xác các đặc trưng động học của kết cấu.

Sau quá trình nghiên cứu nghiêm túc, đề tài đã đạt được những kết quả quan trọng:

- Thiết lập thành công mối quan hệ giữa ứng xử cơ học của kết cấu và đáp ứng điện đầu ra của lớp áp điện, tạo nền tảng vững chắc để thu thập dữ liệu từ cảm biến.

- Mô hình độ cứng động lực học mới được xây dựng cho phép nghiên cứu chính xác các tín hiệu ở tần số cao, đặc biệt hiệu quả cho dầm vật liệu FGM có vết nứt.

- Nhóm tác giả đã đưa ra khái niệm "điện tích cảm biến dao động riêng" và phân tích độ nhạy của đặc trưng này đối với vết nứt, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc nhận diện hư hỏng.

- Một đóng góp quan trọng của nghiên cứu là phát triển phương pháp đường đồng mức dựa trên điện tích cảm biến. Phương pháp này đã giải quyết triệt để vấn đề không duy nhất nghiệm (trùng lặp kết quả) trong chẩn đoán vết nứt tại các dầm có biên đối xứng – một hạn chế mà các phương pháp đo tần số riêng trước đây thường gặp phải

Như vậy, có thể thấy sự kết hợp giữa công nghệ vật liệu thông minh và phương pháp phần tử phổ mở ra hướng đi mới đầy hiệu quả trong việc giám sát chất lượng công trình tại Việt Nam.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21579/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)