Phân tích tĩnh kết cấu vỏ trụ FG-CNTRC chịu tải cơ-nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG VĂN QUANG PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU VỎ TRỤ COMPOSITE CƠ TÍNH BIẾN THIÊN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG CÁC ỐNG NANO CARBON CHỊU TẢI TRỌNG CƠ VÀ NHIỆT ĐỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG VĂN QUANG PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU VỎ TRỤ COMPOSITE CƠ TÍNH BIẾN THIÊN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG CÁC ỐNG NANO CARBON CHỊU TẢI TRỌNG CƠ VÀ NHIỆT ĐỘ Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật Mã số : 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Trần Ngọc Đoàn PGS.TS Đoàn Trắc Luật HÀ NỘI - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Dương Văn Quang, 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….năm 2023 Tác giả luận án Dương Văn Quang ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn tập thể hướng dẫn: PGS.TS Trần Ngọc Đoàn và PGS.TS Đoàn Trắc Luật 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 giảng viên, nhân viên 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 Ban chủ nhiệm, giảng viên, nhân viên Khoa Hàng không vũ trụ/Học viện Kỹ thuật Quân sự - nơi tôi công tác - 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 iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ------------------------------------------------------ vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT -------------------------------------------- viii DANH MỤC CÁC BẢNG ---------------------------------------------------------- ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ------------------------------------------------------- x MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------- 1 Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ------------------------ 6 1. Vật liệu composite cơ tính biến thiên được gia cường bởi ống nano carbon FG-CNTRC --------------------------------------------------------------------- 6 1. Khái niệm vật liệu FG-CNTRC -------------------------------------------- 6 1. Ống nano cacbon ------------------------------------------------------------- 7 1.

Cấu tạo và tính chất vật liệu FG-CNTRC -------------------------------- 9 1. Tổng quan các nghiên cứu kết cấu tấm vỏ bằng vật liệu FG-CNTRC ---12 1. Về tải trọng nhiệt và ảnh hưởng của tải trọng nhiệt đến các tính chất vật liệu trong các nghiên cứu về tấm vỏ bằng vật liệu FG-CNTRC --------12 1. Về lý thuyết tấm vỏ được sử dụng trong các nghiên cứu về kết cấu bằng vật liệu FG-CNTRC ---------------------------------------------------------16 1.

Kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ------------------------------------------------------------22 1. Những nội dung nghiên cứu trong luận án------------------------------------24 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI ----------------------------------------------------------------------------------------- 27 2. Bài toán tổng quát ----------------------------------------------------------------27 2.

Thông số vật liệu FG-CNTRC khi xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ ------28 2. Các phương trình cơ bản --------------------------------------------------------30 2. Trường chuyển vị -----------------------------------------------------------31 2. Quan hệ biến dạng và chuyển vị ------------------------------------------32 iv 2.

Quan hệ ứng suất và biến dạng khi tính chất vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ -------------------------------------------------------------------------------33 2. Thiết lập hệ phương trình cân bằng của vỏ trụ FG-CNTRC chịu tải trọng cơ nhiệt ----------------------------------------------------------------------------------34 2. Nguyên lý công ảo ----------------------------------------------------------34 2. Hệ phương trình cân bằng và các điều kiện biên -----------------------44 2.

Hệ phương trình cân bằng theo chuyển vị -------------------------------48 2. Trình tự giải bài toán xác định ứng suất của vỏ ------------------------------50 2. Phương pháp giải tích trong nghiên cứu vỏ trụ FG-CNTRC với các điều kiện biên khác nhau chịu tải hướng kính -------------------------------------------51 2. Chuyển hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng về hệ phương trình vi phân thường bằng chuỗi lượng giác ---------------------------------------------54 2.

Giải bài toán vỏ trụ chịu tải trọng cục bộ hướng kính bằng phép biến đổi Laplace---------------------------------------------------------------------------56 Chương 3. NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VỎ TRỤ FG-CNTRC CHỊU TẢI TRỌNG CƠ -------------------------------------------------------------------------- 63 3. Mô hình bài toán vỏ trụ FG-CNTRC chịu tải trọng cơ ---------------------63 3. Các ví dụ kiểm chứng ------------------------------------------------------------64 3.

Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện biên ---------------------------------------69 3. Khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng biên ----------------------------------------76 3. Khảo sát ảnh hưởng của thông số vật liệu đến hiệu ứng biên --------------78 3. Ảnh hưởng của kiểu phân bố CNT ---------------------------------------79 3.

Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích CNT ----------------------------------------81 3. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng ----------------------------------------------84 3. Ảnh hưởng của mức độ tập trung tải trọng ------------------------------84 3. Ảnh hưởng của vị trí tải trọng ---------------------------------------------86 3.

Ảnh hưởng của dạng hàm tải trọng ---------------------------------------90 v Chương 4. NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VỎ TRỤ FG-CNTRC CHỊU TẢI TRỌNG CƠ NHIỆT ---------------------------------------------------------------- 95 4. Mô hình bài toán vỏ trụ FG-CNTRC chịu tải trọng cơ nhiệt --------------95 4. Xác định phân bố nhiệt độ theo chiều dày vỏ trụ FG-CNTRC ------------97 4.

Các ví dụ kiểm chứng cho bài toán vỏ chịu tải trọng cơ nhiệt ----------- 104 4. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện biên ------------------------------------- 110 4. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số vật liệu ----------------------------- 114 4. Ảnh hưởng của kiểu phân bố CNT ------------------------------------- 114 4.

Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích CNT -------------------------------------- 120 4. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng -------------------------------------------- 123 4. Ảnh hưởng của loại tải trọng -------------------------------------------- 123 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng áp suất -------------------------- 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ---------------------------------------------------- 134 DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN -------------------------- 137 PHỤ LỤC------------------------------------------------------------------------------ A vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa – giải thích As , Ae1, Ae 2 ,U , J Công của lực mặt, công của ngoại lực trên biên, năng lượng biến dạng đàn hồi, Cij (i = 1,2,3, j = 1,2,3), C44 , C55 , C66 Các thông số độ cứng E Pa Mô-đun đàn hồi Young CNT E11 CNT , E22 CNT , G12 , VCNT , Pa Các mô-đun đàn hồi Young, mô-đun trượt, tỷ lệ Em , Gm , Vm thể tích của vật liệu cốt CNT và vật liệu nền h, R, L m Chiều dày vỏ trụ, Bán kính trung bình vỏ trụ, Chiều dài vỏ trụ kii (i = 1,2,3) W/mK Hệ số truyền nhiệt N , N , N , N N Các thành phần nội lực M  , M  , M  , M  Q , Q , Qz , S , S , S z u ( , , z ) , v ( , , z ) , w( , , z ) m Chuyển vị theo các phương  ,  và z q + (  , ) , q − (  , ) Pa Tải trọng trên bề mặt ngoài và bề mặt trong.

T ( , , z ) K Phân bố nhiệt độ trong vỏ vii T K Nhiệt độ Tin ,Tout ,Tref K Nhiệt độ bề mặt trong, bề mặt ngoài, nhiệt độ tham chiếu V m3 Thể tích vật liệu ii (i = 1,2,3) 1/K Hệ số dãn nở nhiệt  ,  ,  z Các mô-đun ứng suất liên quan đến hệ số giãn nở nhiệt  , , z Toạ độ trong hệ toạ độ cong trực giao O z  ,  ,  z ,  ,  z ,  z Các thành phần biến dạng   , , z ,  ,  z , z Pa Các thành phần ứng suất ij (i = 1,2,3; j = 1,2,3) Hệ số Poisson m Pa Ứng suất tới hạn  % Độ giãn dài tới hạn  kg/m3 Khối lượng riêng CNT , m kg/m3 Khối lượng riêng của CNT và vật liệu nền i ( i = 1,2,3) Các hệ số hiệu dụng viii 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 CNT Carbon NanoTube Ống nano cacbon CNTRC Carbon Nanotube Reinforced Vật liệu nanocomposite gia Composites cường bằng ống nano cacbon CST Classical Shell Theory Lý thuyết vỏ cổ điển 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 FG-CNTRC Functionally Graded Carbon Vật liệu nanocomposite có cơ tính biến NanoTube Reinforced Composites thiên gia cường bằng ống nano cacbon FSDT First order Shear Deformation Theory Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất GDQ Generalized Differential Quadrature Cầu phương sai phân tổng quát HOSNT High Order Shear and Normal Lý thuyết biến dạng cắt và pháp Deformation Theory bậc cao HSDT Higher Order Shear Deformation Lý thuyết biến dạng cắt bậc cao Theory MWCNT Multi Walled Carbon Nanotube Ống nano cacbon đa vách MD Molecular Dynamic Simulation Mô phỏng động lực học phân tử ODE Ordinary Differential Equation Phương trình vi phân thường RVE Representative Volume Element Phần tử khối quy ước SWCNT Single Walled Carbon NanoTube Ống nano cacbon đơn vách PDE Partial Differential Equation Phương trình đạo hàm riêng TSDT Third Order Shear Deformation Lý thuyết biến dạng cắt bậc ba Theory ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh đặc tính cơ học của CNT với một số loại vật liệu khác [30] 8 Bảng 1.2 So sánh đặc tính dẫn nhiệt của CNT với một số loại vật liệu khác [30] .3 So sánh đặc tính dẫn điện của CNT với một số loại vật liệu [30] .1 So sánh kết quả chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ FGM tại điểm giữa .2 Ảnh hưởng của điều kiện biên đối với chuyển vị và ứng suất của vỏ  trụ FG-V có VCNT = 0.3 Ứng suất tại vùng biên ngàm của vỏ trụ FG-Ʌ có VCNT = 0.4 Ảnh hưởng của kiểu phân bố CNT đối với ứng suất tại vùng biên  ngàm của vỏ trụ biên C-C có VCNT = 0.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích CNT đối với ứng suất tại vùng biên ngàm của vỏ trụ FG-V có L R = 1, R h = 10 .1 Tính chất vật liệu của (10,10) SWCNT .2 Các hằng số của tính chất vật liệu CNT phụ thuộc vào nhiệt độ .3 So sánh kết quả ứng suất pháp tuyến của vỏ trụ FGM ngàm hai đầu trong môi trường nhiệt. 105 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu cốt ống nano cácbon đơn vách và đa vách [27] .2 Kết quả mô phỏng minh họa các liên kết hóa học phân tử giữa CNT và vật liệu nền: nền kết tinh (a, c) và nền vô định hình (b) [30] .3 Các kiểu phân bố của mô hình vật liệu FG-CNTRC [44] .1 Thông số hình học của vỏ trụ và năm trường hợp phân bố CNT .2 Các bước xác định ứng suất của vỏ trụ FG-CNTRC chịu tác dụng của tải trọng cơ, nhiệt.