Luận án tiến sĩ: Trạng thái ứng suất biến dạng của vỏ trụ composite FGM chịu tải trọng cơ nhiệt (Nguyên lý biến dạng trượt bậc cao quasi-3D)

i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Trần Văn Hùng, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày ……tháng 11 năm 2021 Tác giả luận án Trần Văn Hùng luan an ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn tập thể hướng dẫn: TS Trần Ngọc Đoàn và PGS.TS Vũ Quốc Trụ đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy trong Bộ môn Cơ học vật rắn/Khoa cơ khí, Bộ môn Thiết kế hệ thống kết cấu thiết bị bay/Khoa Hàng không vũ trụ và các đồng chí cán bộ, nhân viên Phòng Sau đại học/Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan Tăng thiết giáp, các cơ quan chức năng của Nhà trường, lãnh đạo và chỉ huy Khoa Kỹ thuật cơ sở cùng toàn thể đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ động viên tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Tôi cũng bày tỏ tình cảm trân trọng biết ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án luan an iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ---------------------------------------------------------------- i LỜI CÁM ƠN -------------------------------------------------------------------- ii MỤC LỤC ----------------------------------------------------------------------- iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ------------------------------------------------ vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT --------------------------------------- vii DANH MỤC CÁC BẢNG -------------------------------------------------- viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ------------------------------------------------- x MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------- 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN VỎ FGM -------------------- 5 1.

Tổng quan lý thuyết phân tích vỏ ----------------------------------------------- 5 1. Lý thuyết vỏ cổ điển --------------------------------------------------------- 7 1. Lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất ---------------------------------------- 8 1. Lý thuyết biến dạng trượt bậc cao ----------------------------------------- 8 1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu vỏ FGM ------------------------------------11 1. Tổng quan các nghiên cứu vỏ FGM trên thế giới ----------------------11 1. Tổng quan các nghiên cứu vỏ FGM trong nước------------------------22 1. Kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ------------------------------------------------------------26 1.

Những nội dung nghiên cứu trong luận án------------------------------------28 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VỎ TRỤ FGM THEO LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG TRƯỢT BẬC CAO QUASI-3D ------- 31 2. Tính chất cơ học của vỏ trụ FGM ----------------------------------------------31 2. Đặc tính vật liệu FGM theo phân bố thể tích ---------------------------31 2.

Đặc tính vật liệu FGM theo nhiệt độ -------------------------------------34 2. Xác định phân bố nhiệt độ theo chiều dày vỏ trụ FGM ---------------36 2. Quan hệ ứng xử cơ học của vỏ trụ FGM --------------------------------------39 luan an iv 2. Trường chuyển vị -----------------------------------------------------------41 2.

Quan hệ biến dạng và chuyển vị ------------------------------------------42 2. Quan hệ ứng suất - biến dạng ---------------------------------------------43 2. Xây dựng các phương trình cơ bản tính toán vỏ trụ FGM -----------------45 2. Nguyên lý dịch chuyển khả dĩ---------------------------------------------45 2.

Hệ phương trình cân bằng và các điều kiện biên -----------------------54 2. Hệ phương trình cân bằng theo chuyển vị -------------------------------58 2. Trình tự giải bài toán xác định ứng suất, biến dạng của vỏ ----------------59 Chương 3. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG CỦA VỎ TRỤ FGM BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH ------------------ 62 3.

Chuyển hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng về hệ phương trình vi phân thường-----------------------------------------------------------------------------62 3. Trường hợp vỏ trụ FGM ---------------------------------------------------62 3. Trường hợp panel trụ FGM ------------------------------------------------65 3. Phương pháp Navier cho giải bài toán vỏ trụ FGM tựa đơn ---------------66 3.

Trường hợp panel trụ FGM tựa đơn trên bốn cạnh --------------------66 3. Trường hợp vỏ trụ FGM hai đầu tựa đơn--------------------------------69 3. Phương pháp tính toán vỏ trụ chịu tác dụng của tải trọng hướng kính đối xứng trục với các điều kiện biên khác nhau----------------------------------------70 3. Xác định nghiệm của hệ phương trình thuần nhất ---------------------71 3.

Điều kiện biên ---------------------------------------------------------------73 3. Xác định nghiệm riêng ứng với các dạng tải trọng cục bộ đối xứng trục khác nhau -----------------------------------------------------------------------75 3. Bài toán kiểm chứng -------------------------------------------------------------90 3. Kiểm chứng cho bài toán vỏ chịu tải trọng cơ --------------------------90 3.

Kiểm chứng cho bài toán vỏ trụ FGM chịu tải trọng nhiệt -----------95 luan an v Chương 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ TẢI TRỌNG CƠ, NHIỆT ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG CỦA VỎ TRỤ FGM ------------------------------- 98 4. Nghiên cứu vỏ trụ FGM chịu tải trọng cơ ------------------------------------98 4. Đánh giá hiện tượng tập trung ứng suất----------------------------------98 4.

Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện biên ----------------------- 105 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày và chiều dài vỏ -------------- 110 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích----------------------- 112 4. Nghiên cứu vỏ trụ FGM chịu tác dụng của các dạng tải cơ--------- 115 4.

Nghiên cứu vỏ chỉ chịu tác dụng của nhiệt độ ----------------------------- 120 4. Nghiên cứu ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ bề mặt trong và ngoài 120 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích----------------------- 123 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày ---------------------------------- 126 4.

Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện biên ---------------------------- 128 4. Nghiên cứu vỏ trụ FGM chịu tác dụng đồng thời tải trọng cơ và nhiệt 131 4. Nghiên cứu ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ bề mặt trong và ngoài 133 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích----------------------- 135 4.

Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày ---------------------------------- 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ---------------------------------------------- 142 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ --------------------------- 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------- 146 PHỤ LỤC ----------------------------------------------------------------------163 luan an vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa – giải thích  1/K Hệ số dãn nở nhiệt E Pa Module đàn hồi  W/mK Hệ số truyền nhiệt  kg/m3 Khối lượng riêng  Hệ số Poisson   ,  , z ,  ,  z ,  z Pa Các thành phần ứng suất   ,  ,  z ,   ,   z ,   z Các thành phần biến dạng  Chỉ số tỷ lệ thể tích N , N , N , N M  , M  , M  , M  Các thành phần nội lực Q , Q , Qz , S , S , S z Chuyển vị theo các phương u ( , , z ) , v( , , z) , w( , , z) m  ,  và z Cv (J/kgK) Nhiệt dung riêng h m Chiều dày vỏ trụ FGM R m Bán kính trung bình vỏ FGM 0 T K Nhiệt độ V m3 Thể tích vật liệu luan an vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3D Three Dimensional Ba chiều CPT Classical Plate Theory Lý thuyết tấm cổ điển CST Classical Shell Theory Lý thuyết vỏ cổ điển CUF Carrera’s Unified Formulation Công thức hợp nhất Carrera DQM Differential Quadrature Method Phương pháp cầu phương sai phân FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FGM Functionally Graded Material Vật liệu có cơ tính biến thiên FSDT First order Shear Deformation Theory Lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất HOSNT High order Shear-Normal Lý thuyết biến dạng trượt-pháp Deformation Theory bậc cao GDQ Generalized Differential Quadrature Cầu phương sai phân tổng quát HSDT Higher order Shear Deformation Lý thuyết biến dạng trượt bậc Theory cao ODE Ordinary Differential Equation Phương trình vi phân thường RVE Representative Volume Element Phần tử khối quy ước PDE Partial Differential Equation Phương trình đạo hàm riêng TSDT Third order Shear Deformation Lý thuyết biến dạng trượt bậc ba Theory luan an viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Một số mô hình chuyển vị bậc cao. Mô hình biến thiên tỷ lệ thể tích trong các lý thuyết. Hệ số của các đặc tính vật liệu theo nhiệt độ.

Chuyển vị w = w 107 của vỏ trụ FGM ở vị trí giữa vỏ. Chuyển vị w = w  1010 của vỏ trụ FGM ở vị trí giữa. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ FGM. Ứng suất pháp ngang vỏ trụ FGM theo các mô hình.

Ảnh hưởng của chiều dày và chỉ số tỷ lệ thể tích tới hiện tượng tập trung ứng suất trong vỏ trụ FGM. Ảnh hưởng của điều kiện biên tới chuyển vị w và ứng suất không thứ nguyên   ,   ,   z ,  z. Ảnh hưởng của chiều dày và chiều dài vỏ tới chuyển vị w và ứng suất không thứ nguyên   ,   ,  z. Ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích  và chiều dày tới chuyển vị w và ứng suất không thứ nguyên   ,   ,  z.

Quy luật phân bố của một số dạng tải trọng. Ảnh hưởng của các dạng tải trọng tới chuyển vị w và ứng suất không thứ nguyên   ,   ,   z ,  z. Ảnh hưởng sự chênh lệch nhiệt độ tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng của nhiệt độ. Ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích phân bố vật liệu tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng của nhiệt độ.

Ảnh hưởng chiều dày tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng của nhiệt độ. 126 luan an ix Bảng 4. Ảnh hưởng của điều kiện biên tới chuyển vị không thứ nguyên w và ứng suất   ,   ,   z ,  z. Ảnh hưởng của tải nhiệt, tải cơ và tải cơ-nhiệt tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM.

Ảnh hưởng sự chênh lệch nhiệt độ tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng đồng thời tải cơ-nhiệt. Ảnh hưởng của chỉ số tỷ lệ thể tích vật liệu tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng đồng thời của tải cơ-nhiệt. Ảnh hưởng chiều dày tới chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM dưới tác dụng đồng thời của tải cơ-nhiệt. 138 luan an x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.

Sơ đồ các lý thuyết trong phân tích vỏ. Biến thiên tỷ lệ thể tích Vmat theo chiều dày vỏ trụ FGM. Mô hình, tham số hình học, hệ trục tọa độ và mô hình đặt ứng suất khi tính toán của vỏ trụ FGM. Trình tự giải bài toán xác định ứng suất, biến dạng vỏ trụ FGM.

Vỏ trụ FGM chịu tải trọng cục bộ hướng tâm phân bố đều trên một đoạn. Vỏ trụ FGM chịu tải trọng cục bộ hướng tâm theo quy luật hàm tam thức bậc hai. Vỏ trụ FGM chịu tải trọng cục bộ hướng tâm theo quy luật hàm sin. Chuyển vị không thứ nguyên theo hai mô hình chịu tải.

Mô hình tính toán vỏ trụ FGM chịu tác dụng của tải trọng cục bộ hướng tâm, đối xứng trục .