Luận văn Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH BÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯƠNG TÁC TẤM COMPOSITE TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỆT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 4 5 4 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH BÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA HỆ TƯƠNG TÁC TẤM COMPOSITE TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Học viên thực hiện: NGUYỄN THANH BÌNH MSHV: 132520103002 Lớp: CKM13A Khóa: 2013-2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2015
3. TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên: NGUYỄN THANH BÌNH Ngày, tháng, năm sinh: 10 - 10 - 1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi Số điện thoại liên lạc: 0988.377.476 – 0909.728.789 Địa chỉ nhà riêng: 47/58/4 Đường Trường Lưu – Phường Long Trường – Quận 9 – TP. HCM Địa chỉ cơ quan: Trường Cao đẳng Nghề Kỹ thuật Công Nghệ TPHCM, 502 Đường Đỗ Xuân Hợp – Phường Long Bình – Quận 9 – TP. HCM Email: thanhbinhworld@gmail.com Quá trình đào tạo Năm Nơi đào tạo 2006 - 2010 Học Đại học tại Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Sư 2013 - 2015 phạm Kỹ thuật TPHCM. Quá trình công tác Năm Nơi làm việc Nhân viên Công ty TNHH Đại Tân, KCX Tân Thuận, Đường 2010 - 2011 Số 8, P. Tân Thuận Đông, Q. 7, TPHCM. Giảng viên Khoa Điện - Điện tử - Cơ Khí và Xây Dựng Trường 2011 – 2014 Đại học Công nghệ Đồng Nai. Giảng viên Khoa Cơ Khí Chế Tạo Trường Cao đẳng Nghề Kỹ 2014 - Nay thuật Công Nghệ TPHCM. i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt” - Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN - Học viên thực hiện: NGUYỄN THANH BÌNH - MSHV: 132520103002 - Lớp: CKM13A - Khóa: 2013-2015 - Số điện thoại liên lạc: 0988.377.476 – 0909.728.789 - Địa chỉ nhà riêng: 47/58/4 Đường Trường Lưu – Phường Long Trường – Quận 9 – TP.HCM - Địa chỉ cơ quan: Trường Cao đẳng Nghề Kỹ thuật Công Nghệ TP.HCM, 502 Đường Đỗ Xuân Hợp – Phường Long Bình – Quận 9 – TP.HCM - Email: thanhbinhworld@gmail.com Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 4 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thanh Bình ii
5. LỜI CẢM ƠN  Với những nỗ lực của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS. Nguyễn Hoài Sơn và sự động viên của gia đình, bạn bè, người thân, em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Ban Giám Hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. - PGS.TS. Nguyễn Hoài Sơn – Khoa Xây dựng và Cơ học ứng dụng - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Quý thầy cô Khoa Cơ khí máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Phòng Đào tạo - Sau Đại học và các phòng khoa trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn trong lớp cao học Công nghệ chế tạo máy, khóa 2013- 2015 Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên của tất cả quý vị. Xin trân trọng cảm ơn! iii
6. TÓM TẮT Sự thay đổi cấu trúc, thành phần, nhiệt độ để nhận được các vật liệu có tính năng khác nhau theo như mong muốn là ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite. Vì vậy, việc mô hình hóa và tính toán số vật liệu, kết cấu composite lớp có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn, thu hút sự quan tâm của nhiều người. Đặc biệt, phân tích ứng xử cơ học của vật liệu composite khi chịu tải trong môi trường nhiệt, còn rất ít tác giả đưa ra phương pháp tính toán để hỗ trợ cho việc đánh giá tình trạng và khả năng làm việc của chi tiết. Vì vậy, mục đích chính của luận văn là nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết tấm theo mô hình chuyển vị bậc nhất của Mindlin để mô hình hóa tấm vật liệu composite lớp, thiết lập các hệ thức biến dạng, chuyển vị. Sau đó, viết chương trình tính toán các đại lượng trên thông qua ngôn ngữ lập trình Matlab để phân tích và đánh giá các ứng xử cơ học của tấm composite khi chịu tải nhiệt. Để thực hiện các công việc nêu trên, tác giả đã nghiên cứu, giải quyết các vấn đề liên quan và trình bày trong 6 chương của luận văn như sau: Chương 1: Tổng quan Trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn, sơ lược về lịch sử lý thuyết đàn hồi và lịch sử phát triển bài toán tấm, mục đích của luận văn và giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết đàn hồi, lý thuyết tấm và lý thuyết lớp composite Trình bày khái quát về lý thuyết đàn hồi, các quan hệ chuyển vị, biến dạng và ứng suất cho bài toán phẳng, lý thuyết tấm của Kirchhoff và của Reisser – Mindlin. Chương 3: Các quan hệ cơ bản của vật liệu composite dạng tấm Khái quát về cấu trúc và đặc tính cơ học của vật liệu composite. Dựa vào lý thuyết đã đề cập ở chương 2, tác giả đã xây dựng các quan hệ cơ bản của vật liệu composite dạng tấm. Chương 4: Phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử hữu hạn trong bài toán dẫn nhiệt iv
7. Dựa vào lý thuyết đàn hồi, lý thuyết tấm và các quan hệ cơ bản của vật liệu composite dạng tấm để xây dựng hàm dạng, ma trận độ cứng và véctơ tải cho bài toán ứng suất phẳng và bài toán chịu uốn. Với việc sử dụng phần tử tứ giác 4 nút, cơ sở lý thuyết về tính toán biến dạng, chuyển vị của tấm bằng FEM, tác giả đã viết được chương trình nghiên cứu ứng xử tấm composite bằng ngôn ngữ Matlab trong môi trường nhiệt. Chương 5: Bài toán áp dụng Tác giả đã xây dựng 4 bài toán áp dụng Chương 6: Kết luận và đề xuất Tác giả đã đưa ra kết luận về các kết quả đã đạt được, các vấn đề tồn tại chưa giải quyết và đề xuất hướng phát triển của đề tài. v
8. ABSTRACT The change in structure, composition and temperature to get the materials have different features as desired is the biggest advantages of composite materials. Therefore, modeling and calculation of materials, composite layer structure is meaning both in theory and practice, attracting the attention of many people. Specially, analysis of the mechanical behavior of materials in thermal environment, a few authors mentioned and provided methodology for supporting the evaluating of the status and working ability of the products. Therefore, the main aim of the thesis is the author studied using finite element method and theory in the model plate displacements most of Mindlin plates for modeling composite layer, set the system deformation mode, displacements. Then, the author writes programs calculate the quantity on through Matlab programming language to analyze and evaluate the mechanical behavior of the composite plate heat load. To accomplish the above tasks, the author studied, solved issues related and presented in six chapters of the thesis is as follows: Chapter 1: Overview. Chapter 2: Theoretical foundations theory of elasticity, theory of plates and theory of composite layers. Chapter 3: The basic relationship of the composite materials plates. Chapter 4: Finite element method and finite element problem in thermal conductivity. Chapter 5: Problem apply. Chapter 6: Conclusions and recommendations. vi
9. MỤC LỤC Trang TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN xii DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 1 1.3. Mục đích của luận văn 4 1.4. Nhiệm vụ của luận văn 4 1.5. Giới hạn đề tài 5 1.6. Phương pháp nghiên cứu 5 1.7. Lịch sử phát triển của lý thuyết đàn hồi 5 1.8. Lịch sử phát triển của bài toán tấm 6 1.9. Phương pháp phần tử hữu hạn 7 1.10. Cấu trúc của luận văn 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI, LÝ THUYẾT TẤM VÀ LÝ THUYẾT LỚP COMPOSITE 8 2.1. Lý thuyết đàn hồi 8 2.2. Lý thuyết tấm 11 2.3. Lý thuyết lớp composite 19 CHƯƠNG 3: CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG TẤM 23 3.1. Lịch sử hình thành vật liệu Composite 23 3.2. Cấu trúc vật liệu composite tấm nhiều lớp 25 3.3. Quan hệ ứng suất và biến dạng trong tấm composite mỏng 27 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG BÀI TOÁN DẪN NHIỆT 36 4.1. Phương pháp phần tử hữu hạn 36 4.2. Phương trình phần tử 37 4.3. Phần tử tứ giác 4 nút 39 vii
10. 4.4. Dao động tự do – xác định tần số dao động theo phương pháp phần tử hữu hạn 48 4.5. Phần tử hữu hạn trong bài toán dẫn nhiệt 49 CHƯƠNG 5: BÀI TOÁN ÁP DỤNG 59 5.1. Mô hình bài toán 59 5.2. Sơ đồ khối tính toán 62 5.3. Kết quả các bài toán 63 5.4. Kết luận chương 5 80 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 81 6.1. Kết luận 81 6.2. Đề xuất 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC X viii
11. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Bảng Tên bảng Trang Bảng 4.1 Điểm Gauss và hàm trọng lượng 46 Giá trị độ võng với T=0 và các tham số vật liệu Bảng 5.1 65 khác nhau Giá trị độ võng với T=1000C và các tham số vật Bảng 5.2 66 liệu khác nhau Bảng 5.3 Giá trị độ võng với tải tác dụng thay đổi 67 Bảng 5.4 Giá trị độ võng với nhiệt độ thay đổi 70 Bảng 5.5 Giá trị độ võng với số lớp thay đổi 72 Bảng 5.6 Giá trị độ võng với vị trí phân tích thay đổi 79 ix
12. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN Hình Tên hình Trang Hình 2.1 Các thành phần ứng suất và biến dạng 8 Hình 2.2 Mô hình bài toán ứng suất phẳng 9 Hình 2.3 Biên S của vật thể 10 Hình 2.4 a) Các thành phần lực và Momen trên tấm 11 Hình 2.4 b) Sự phân bố ứng suất 11 Hình 2.5 Sơ đồ phần tử tấm chịu uốn 12 Quan hệ giữa các góc xoay của mặt phẳng trung hòa và đạo Hình 2.6 13 hàm độ võng Hình 2.7 Đường biên và vector pháp tuyến của biên 15 Góc xoay của các pháp tuyến và biến dạng trượt của mặt cắt Hình 2.8 16 ngang Hệ trục tọa độ vật liệu (1,2,3) và hệ quy chiếu chung ( Hình 2.9 20 x,y,z) Hình 3.1 Lớp vật liệu composite 25 Hình 3.2 Tấm composite nhiều lớp 26 Hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và trục tọa độ toàn cục Hình 3.3 27 (x,y,z) của tấm composite Hình 3.4 Sơ đồ hóa vật liệu composite lớp 31 Hình 4.1 Phần tử tứ giác 4 nút 40 Hình 4.2 Cầu phương 1 điểm Gauss 45 Hình 4.3 Điểm Gauss theo qui tắc tích phân 2 điểm 47 Hình 4.4 Mô hình bài toán dẫn nhiệt một chiều 49 Hình 4.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dẫn nhiệt 50 Hình 4.6 Mô hình bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng 3 lớp 51 Hình 4.8 (a) Mô hình bài toán dẫn nhiệt hai chiều 53 Hình 4.8 (b) Vi phân thể tích dẫn nhiệt 53 Hình 4.9 Các điều kiện biên của bài toán dẫn nhiệt hai chiều 55 Hình 4.10 Phần tử tứ giác 4 nút 55 Hình 5.1 a) Sơ đồ hóa tấm composite chịu uốn 60 x
13. Hình 5.1 b) Lưới 10x10 phần tử trên tấm composite 60 Hình 5.2 a) Mô hình hóa tấm composite chịu tác dụng lực phân bố đều 61 Hình 5.2 b) Bố trí phương sợi trên tấm 61 Hình 5.3 Lưới phần tử của tấm composite 63 Hình 5.4 Tấm composite bị võng khi chịu tải không nhiệt 64 Hình 5.5 Tấm composite bị võng khi chịu tải nhiệt T=1000C 66 Hình 5.6 Tấm composite bị võng khi chịu tải nhiệt T=300C 69 Hình 5.7 Tấm composite bị võng với n=8 lớp 71 Hình 5.8 Ứng dụng tấm composite trong thực tế 73 Hình 5.9: a) Sơ đồ hóa tấm composite 8 lớp chịu uốn 75 Hình 5.9: b) Lưới 10x10 phần tử trên tấm composite 8 lớp 75 Hình 5.10 Lưới phần tử của tấm composite tại góc của tấm 76 Hình 5.11 Tấm composite bị võng tại góc của tấm 76 Hình 5.12 Lưới phần tử của tấm composite tại biên giữa của tấm 77 Hình 5.13 Tấm composite bị võng biên giữa của tấm 77 Hình 5.14 Lưới phần tử của tấm composite tại tâm của tấm. 78 Hình 5.15 Tấm composite bị võng tại tâm của tấm 78 Hình 5.16 Lưới phần tử của tấm composite tại 3 vị trí của tấm 79 xi
14. DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Đồ thị Tên đồ thị Trang Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số Vf và độ Đồ thị 5.1 65 võng W với T=0 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa hệ số Vf và độ Đồ thị 5.2 67 võng W với T=1000C Đồ thị 5.3 Ảnh hưởng của tải tác dụng lên độ võng W 68 Đồ thị 5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ võng W 70 Đồ thị 5.5 Ảnh hưởng của số lớp lên độ võng W 72 Ảnh hưởng của vị trí phân tích thay đổi lên độ võng Đồ thị 5.6 79 W xii
15. DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN  x , y , z : Các thành phần ứng suất pháp theo phương x, y, z  , , : Các thành phần ứng suất tiếp theo phương z, x, y. xy yz xz  , , : Các thành phần biến dạng dài theo phương x, y, z x y z  0 , 0 , 0 : Các thành phần biến dạng màng của mặt trung bình tấm x y z  xy, yz , xz : Các thành phần trượt căng theo phương z, x, y.  0  : là vector biến dạng ban đầu [] : là ma trận hệ số đàn hồi (hay ma trận ứng xử) E : là mô đun đàn hồi  : là hệ số Poisson G : là mô đun trượt. : là hệ số giãn nhiệt T : độ thay đổi nhiệt độ. q x , q y : là các lực khối trên một đơn vị khối lượng h: gọi là bề dày của tấm vật liệu 푙 : là chiều dài cạnh nhỏ nhất của tấm vật liệu M x , M y , M z : Các thành phần momen uốn Qx ,Qy : các lực cắt 1,2,3 : Hệ trục tọa độ vật liệu x,y,z : Hệ quy chiếu chung u,v,w : Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z u0,v0,w0 : Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z của mặt trung bình tấm {k}: vectơ độ cong của tấm chịu uốn γx = γy = γz: Các thành phần biến dạng góc  : Góc phương sợi của lớp vật liệu [ ] : là ma trận ứng xử vật liệu do uốn [ ] : Ma trận hệ số đàn hồi do uốn của tấm ψx , ψy , ψz : Các thành phần chuyển vị góc quanh các trục x,y,z 휀 : là ma trận biến đổi hệ cơ sở biến dạng xiii
16. [Dc] : Ma trận ứng xử vật liệu do cắt [C] : Ma trận các hằng số độ cứng của vật liệu trong hệ tọa độ 1,2,3 [C′] : Ma trận các hằng số độ cứng của vật liệu trong hệ tọa độ x,y,z [Q] : Ma trận độ cứng thu gọn kx , ky , kz : Các thành phần độ cong theo các trục x,y,z {휀 } : là ma trận biến dạng màng, { } : là ma trận độ cong của tấm chịu uốn {훾0} : là ma trận biến dạng cắt của mặt trung bình. A : là ma trận độ cứng màng D : là ma trận độ cứng uốn B : là ma trận tương tác màng-uốn-xoắn. Ni : Hàm nội suy nút N : là ma trận hàm dạng d : là vector chuyển vị nút phần tử U : là năng lượng biến dạng U e : là năng lượng biến dạng phần tử , : là hệ tọa độ tự nhiên J  : là ma trận Jacobian wi , w j : là các trọng số Gauss si , s j : là các tọa độ trên phân tử tương ứng với trọng số Gauss n: là số điểm Gauss [M] : là ma trận khối lượng tổng thể. [K] : là ma trận độ cứng tổng thể. {P} : là véctơ tải tổng thể. {Pe} : là véctơ tải trọng tác dụng lên phần tử. {P}n : là véctơ tải trọng tác dụng lên các nút. q, q, q : là các véctơ chuyển vị, vận tốc và gia tốc của hệ  : là tần số góc riêng f : là tần số dao động tự nhiên của hệ Q : là nhiệt lượng k : là hệ số dẫn nhiệt xiv
17. A : là diện tích mặt cắt ngang T : là nhiệt độ T e : là nhiệt độ tại các nút q : là mật độ dòng nhiệt 휌 : Khối lượng riêng vật liệu L, W : Kích thước tấm PTHH : Phần Tử Hữu Hạn xv
18. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Vật liệu compsite với nhiều ưu điểm nổi trội nên chúng đã được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Khi làm việc tấm composite chịu tải tác dụng trong môi trường nhiệt độ, tấm composite có xu hướng bị võng, bị biến dạng, cơ tính giảm Đây là một bài toán cơ học khó đã được một số nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu. Tuy nhiên ở Việt Nam đề cập đến vấn đề này còn hạn chế. Vì vậy đề tài: Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt” là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN Sự phát triển của khoa học kỹ thuật là yếu tố quyết định cho sự ra đời của các thành tựu khoa học. Những thành tựu này thể hiện rõ trên mọi lĩnh vực nói chung và trong ngành cơ học nói riêng. Trong đó, sự xuất hiện các loại vật liệu mới với công nghệ cao đã và đang mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và nâng cao tuổi thọ làm việc cho các máy móc nói chung và các chi tiết cơ khí nói riêng. Vật liệu composite là loại vật liệu đã được con người sáng tạo và sử dụng từ rất lâu. Nhẹ - chắc - bền - không gỉ - chịu được các yếu tố tác động của môi trường, đó là những ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Mặc dù composite là loại vật liệu đã có từ lâu, nhưng các ngành khoa học về vật liệu này lại vô cùng non trẻ. Khoa học vật liệu composite mới được hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên của nó trong công nghệ tên lửa ở Mỹ vào những năm 1950 của thế kỷ XX. Cho đến nay, ngành khoa học này đã phát triển vượt bậc không chỉ ở Mỹ, Nga mà còn ở các nước công nghiệp như Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản, 1
19. Nhưng vấn đề cần đặt ra là làm thế nào để xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử cơ học của chi tiết, kết cấu tấm composite lớp nhằm dự báo khả năng làm việc hiện tại của kết cấu để có những giải pháp ngăn ngừa các hư hỏng có thể xảy ra khi mà vật liệu composite có rất nhiều điểm khác biệt so với vật liệu kim loại: nhẹ, độ bền riêng và mô đun riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt và cũng là loại vật liệu có tính dị hướng rất cao. Hơn nữa, độ bền và tuổi thọ của các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và đặc biệt cấp độ chính xác của mô hình tính toán và thiết kế. Tất cả những điều trên cho thấy cần phải có những mô hình cơ học xác thực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu tấm composite lớp khi chịu tác dụng của tải trọng và môi trường. Trong những thập niên gần đây, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để đưa ra các phương pháp để giải quyết một cách chính xác các vấn đề về ứng xử cơ học trên vật liệu composite lớp: M.W. Hyer, “Phân tích ứng suất trong vật liệu composite cốt sợi”[12], TanS.C, “Sự tập trung ứng suất trong composite lớp”[13]. R.M Jones “Cơ học trong kết cấu vật liệu composite”[28]. Bên cạnh đó, lĩnh vực tính toán số các kết cấu tấm composite lớp hiện nay rất được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Trong đó, lý thuyết tấm bậc nhất của Mindlin được sử dụng rất phổ biến: Timoshenko S đã phát triển lý thuyết tấm kinh điển cho bài toán tấm nhiều lớp trong “Lý thuyết tấm vỏ”[14]. Reddy, “Cơ học tấm composite lớp, lý thuyết và phân tích”[15]. Panda và Natarajan đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán cơ học cho tấm composite dựa trên lý thuyết tấm bậc nhất “Phân tích phần tử hữu hạn cho tấm composite lớp”[16]. Reisser đã nghiên cứu cơ học tấm composite lớp chịu uốn khi kể đến biến dạng cắt ngang theo lý thuyết tấm bậc nhất “Ảnh hưởng của biến dạng cắt ngang khi kéo của tấm đàn hồi”[15,17]. Tuy nhiên, việc tính toán các ứng xử trên vật liệu compsite lớp cũng gặp nhiều khó khăn vì ứng suất và biến dạng trong tấm composite lớp không những phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu đặc trưng hình học và môi trường làm việc của kết cấu. Thêm vào đó, phân bố ứng suất trong vật liệu composite lớp phức tạp hơn nhiều so với vật liệu đẳng hướng. Những nghiên cứu gần đây về lĩnh vực đánh giá các ứng xử cơ học của tấm vật liệu composite lớp: Wang Và Crossman, “Một số kết quả mới của việc ảnh hưởng biên lên tấm composite lớp đối xứng”. Wang S.S và Choi I, “Ảnh hưởng biên tự do lên tấm composite 2
20. lớp”[. Pagano N.J and Hatfield S.J, “Ứng suất giữa các lớp trong tấm vật liệu composite dưới tác dụng của tải trọng kéo”[30]. Vinson J.R và Sierakowski R.L, “Ứng xử của các cấu trúc vật liệu composite”[18,19]. Trong số các phương pháp mới đang nghiên cứu và vận dụng hiện nay thì việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) đang mang lại nhiều kết quả thiết thực trong việc giải quyết các vấn đề tính toán cơ học của vật liệu composite. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã được đề cập đến phương pháp này. Như: H.Fukugana, N.Hu và G.Xren đã phân tích tĩnh và động đối với kết cấu composite lớp sử dụng lý thuyết tấm bậc cao “Mô hình FEM của các kết cấu composite dùng lý thuyết tấm bậc cao”[31]. Jiang và Olson sử dụng phần tử băng thông và phần tử dầm để phân tích động học tấm và vỏ composite lớp. Kolli và Chandrasekhara sử dụng phần tử tứ đẳng tham số với các hàm nội suy khác nhau cho tấm và dầm để phân tích ứng xử phi tuyến của tấm composite. Wang S.S và Yuan F.G “Ứng dụng phần tử bậc cao để phân tích ứng suất trên biên tấm composite” Ở Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào việc giải quyết các vấn đề cơ học trong tấm vật liệu composite khá nhiều nhưng cách tiếp cận vẫn còn mới mẻ. Như: PGS.TS Ngô Như Khoa “Mô hình hóa tính toán vật liệu - kết cấu composite”[4]. PGS.TS Nhữ Phương Mai “Nghiên cứu và tính toán ứng suất, biến dạng của vật liệu composite cốt sợi và tấm nhiều lớp”[5]. GS.TS Trần Ích Thịnh “Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu composite cốt vải chịu tải trọng và môi trường”. GS.TS Trần Ích Thịnh “Mô hình hóa và tính toán số kết cấu composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc cao”. PGS. Trần Ích Thịnh, PGS. Lê Ngọc Thạch “Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến độ bền và ổn định của kết cấu composite lớp”. Các đề tài về vật liệu composite đã được nghiên cứu khá rộng rãi trong và ngoài nước. Tuy nhiên, việc phân tích ứng xử tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt còn ít người quan tâm. Đặc biệt là các đề tài nghiên cứu composite khi không chịu tải nhiệt còn rất hạn chế. Tóm lại: Nghiên cứu về bài toán tấm luôn có ý nghĩa lớn lao cho việc ứng dụng vào các kết cấu hữu dụng hiện hữu xung quanh chúng ta: sàn nhà, vách, nắp hoặc đáy thùng, hồ 3
21. nước, Các tính toán giải tích truyền thống đa phần dựa trên lý thuyết tấm mỏng của Kirchhoff với giả thuyết về mặt trung bình không biến dạng đã được phát triển dù rất tốt với các lời giải của Ritz, Reyleigh, Lévy, Navier, dưới dạng chuỗi nhưng cũng chỉ giới hạn với một số điều kiện biên nhất định và phần lớn chỉ là dùng để giải tìm nội lực mà thôi. Đối với phân tích ứng xử hệ tương tác tấm composite thì các nghiên cứu giải tích dựa trên định luật Newton, phương trình ứng dụng nguyên lý công ảo, Một số các phương pháp xấp xỉ như phương pháp biến phân, Galerkin, cũng được phát triển để giải quyết các khó khăn của các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên cũng gặp phải các khó khăn tương tự. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính hiện nay, các tiếp cận sử dụng phương pháp số như phần tử hữu hạn, phần tử biên, phương pháp không phần tử (meshless), đã được nghiên cứu áp dụng và cho kết quả tốt. Các khó khăn vì khối lượng tính toán nhiều đã được máy tính với tốc độ cao và khả năng xử lý cao giải quyết. Trong tất cả các phương pháp số thì phương pháp phần tử hữu hạn có thể được xem như một công cụ rất mạnh để giải quyết hầu hết các bài toán cơ hiện nay, đặc biệt là bài toán tấm. Với mong muốn đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề cơ học vật liệu của Việt Nam; tác giả đã chọn đề tài: “Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt”. 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Sự thay đổi cấu trúc, thành phần, nhiệt độ để nhận được các vật liệu có tính năng khác nhau theo như mong muốn là ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite. Vì vậy, việc mô hình hóa và tính toán số vật liệu, kết cấu composite lớp có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn, thu hút sự quan tâm của nhiều người. Đặc biệt phân tích ứng xử cơ học của vật liệu composite trong môi trường nhiệt, còn rất ít tác giả đưa ra phương pháp tính toán để hỗ trợ cho việc đánh giá tình trạng và khả năng làm việc của chi tiết. Vì vậy, mục đích chính của luận văn là nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng lý thuyết tấm theo mô hình chuyển vị bậc nhất của Mindlin để phân tích chuyển vị của tấm composite trong môi trường nhiệt. 1.4 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với ngôn ngữ Matlab viết chương trình tính toán: - Phân tích tĩnh học trong môi trường nhiệt - Đáp ứng chuyển vị của từng nút 4
22. S K L 0 0 2 1 5 4