Nghiên cứu ứng xử tấm composite chức năng fgm dưới tác dụng tải cơ nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN VĂN HẬU NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TÂM COMPOSITE CHỨC NĂNG (FGM) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI CƠ NHIỆT NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT SKA 0 0 0 0 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN HẬU NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TÂM COMPOSITE CHỨC NĂNG (FGM) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI CƠ NHIỆT NGÀNH: CƠ KỸ THUẬT - 62520201 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2017 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN  Kết hợp hệ số điều chỉnh cắt cải tiến đã phát triển với vị trí mặt trung hoà vật lý trên cơ sở lý thuyết FSDT để phân tích bài toán tĩnh, ổn định và dao động tự do của kết cấu tấm FGM và composite FGM. Ngoài ra, luận án cũng đề cập đến kỹ thuật làm giảm số ẩn số của phương trình đặc trưng, xét ảnh hưởng của nền đàn hồi thông qua lời giải Navier và PP PTHH.

 Đề xuất một hàm biến dạng cắt bậc cao mới để xây dựng lý thuyết HSDT và Quasi-3D để phân tích bài toán tĩnh, ổn định và dao động tự do của kết cấu tấm FGM và composite FGM khi chịu tải trọng cơ học và nhiệt độ. Kết hợp lời giải Ritz để phân tích cho tấm với các điều kiện biên khác nhau theo phương pháp giải tích nhằm khắc phục nhược điểm của lời giải Navier.  Phát triển phần tử khử khoá cắt CS-MITC3, ES-MITC3, NS-MITC3 để phân tích bài toán tĩnh và dao động tự do của kết cấu tấm FGM và composite FGM từ hàm biến dạng cắt bậc cao dạng đa thức bậc 3 và hàm biến dạng cắt bậc cao của luận án.  Phát triển phần tử khử khoá cắt CS-MITC3, ES-MITC3 theo lý thuyết biến dạng Von–Karman để phân tích bài toán tĩnh của kết cấu tấm FGM và tấm composite nhiều lớp từ hàm biến dạng cắt bậc cao dạng đa thức bậc 3.

 Đánh giá hiệu ứng của các mô hình tính toán vật liệu cũng như các quy luật ứng xử hiện nay thông qua việc phân tích ứng xử của kết cấu tấm composite FGM. 1 CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ CHƢƠNG 2: 1. Van-Hau Nguyen, Trung-Kien Nguyen. Free vibration analysis of functionally graded plates based on physical neutral surface using first-order shear deformation theory.

Journal of Science and Technology, 52 (2C), 92-102, 2014. Nguyen Van Hau, Nguyen Trung Kien uckling analysis of functionally graded plates based on first-order shear deformation theory and physical neutral surface Tuyển tập c ng trình khoa học Hội nghị Khoa học toàn quốc ơ học vật rắn biến dạng lần thứ I, T H M 7-9/11/2013, 1, 446-454, 2013. Nguyen Trung Kien, Nguyen Van Hau. A refined first-order shear deformation theory for analysis of functionally graded sandwich plates resting on elastic foundations.

Hội nghị ơ học kỹ thuật toàn quốc, 8/2015, Đà Nẵng. ISBN: 978- 604-84-1272-2 CHƢƠNG 3: 4. Van-Hau Nguyen, Trung-Kien Nguyen, Huu-Tai Thai, Thuc P. A new inverse trigonometric shear deformation theory for isotropic and functionally graded sandwich plates.

Composites Part B: Engineering, 66, 233-246, 2014 (SCI). Nguyen Trung Kien, Vo Phuong Thuc, Thai Huu Tai, Nguyen Van Hau. A higher-order shear deformation theory for buckling and free vibration analysis of functionally graded sandwich plates. Proceeding of International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 30/10/2014 Ho Chi Minh City, 2, 222-229, 2014.

Nguyen Van Hau, Nguyen Trung Kien. A quasi-3D inverse trigonometric shear deformation theory for static analysis of functionally graded plates. Hội nghị ơ học vật rắn biến dạng toàn quốc, 8/2015, Đà Nẵng. Nguyen Van Hau, Nguyễn Trung Kiên.

A Ritz’s method based solution for free vibration analysis of functionally graded sandwich plates using a higher- order shear deformation theory. Hội nghị khoa học toàn quốc vật liệu composite, 28-29/7/2016, Nha trang. Trung-Kien Nguyen, Van-Hau Nguyen, Thanh Chau-Dinh, Thuc P. Vo, Xuan-Hung Nguyen.

Static and vibration analysis of isotropic and functionally graded sandwich plates using an edge-based MITC3 finite elements. Composites Part B: Engineering, 107, 162-173, 2016 (SCI). 2 MỞ ĐẦU Khái niệm vật liệu phân lớp chức năng (Functionally Graded Material (FGM)) xuất hiện lần đầu tiên vào giữa thập niên 1980 tại Nhật Bản bởi một nhóm các nhà khoa học vật liệu, do tính ưu việt của nó thông qua sự làm việc của kết cấu dạng dầm, tấm hay vỏ khi chịu tải trọng cơ học, nhiệt độ, độ ẩm… hay trong các điều kiện làm việc bất lợi khác thì loại vật liệu này thường có những ưu điểm nổi bật. Ví dụ: hệ thống đẩy phản lực của động cơ tên lửa khi một mặt phải tiếp xúc với nhiệt độ rất cao trong khi mặt còn lại chỉ chịu tác động bởi các tải trọng th ng thường, hay lớp vỏ tàu ngầm khi mặt ngoài phải chịu áp lực thuỷ tĩnh và m i trường bất lợi của nước biển trong khi mặt bên trong chỉ cần đáp ứng các yêu cầu cơ học cơ bản …Vì vậy, việc đào sâu nghiên cứu đối tượng này là yêu cầu cấp thiết hiện nay.

Có nhiều cách để tiếp cận đối tượng nghiên cứu này.  Có thể bằng các thí nghiệm vật liệu để xác định các đặc trưng vật liệu của chúng hay bằng các thí nghiệm kết cấu dạng tấm hay dầm để biết các nguyên lý ứng xử của kết cấu.  Bằng các mô hình mô phỏng vật liệu hay kết cấu để rút ra được các nguyên tắc ứng xử chung.  Bằng các mô hình tính toán lý thuyết thuần tuý thông qua phân tích sự làm việc của các kết cấu cụ thể để từ đó có được cái nhìn tổng quát nhất… Mỗi cách tiếp cận ở trên đều có những ưu điểm nhất định, cách tiếp cận đầu tiên thường mang lại hiệu quả cao nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, nhất là trong điều kiện ở Việt Nam thì một số thí nghiệm sẽ không thực hiện được.

Cách tiếp cận thứ hai khá trực quan, kết quả chính xác cao nhưng khối lượng tính toán rất lớn nên đòi hỏi phải có công cụ tính toán đủ mạnh mới đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Cách tiếp cận thứ ba là đơn giản nhất nhưng vẫn đáp ứng được các mục tiêu đề ra và đây là cách tiếp cận phổ biến hiện nay được rất nhiều Nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Luận án sẽ chọn cách tiếp cận thứ ba để phân tích cho đối tượng nghiên cứu thông qua bài toán tấm. Trong luận án này sẽ tiến hành phân tích cụ thể cho nhiều loại tấm khác nhau: tấm FGM, tấm composite FGM và tấm composite hướng sợi nhiều lớp với các điều kiện biên khác nhau trên nền đàn hồi chịu tác dụng bởi tải trọng cơ học và nhiệt độ dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất, bậc cao và tiếp cận 3 chiều, có xét đến bài toán tuyến tính và phi tuyến cho quan hệ giữa các thành phần chuyển vị và biến dạng, ứng dụng phương pháp làm giảm số ẩn số của trường chuyển vị, xác định chính xác vị trí mặt trung hoà vật lý cho tấm kh ng đồng nhất, thiết lập phương trình năng lượng theo nguyên lý biến phân Hamilton, phương trình Lagrange, thiết 3 lập các phương trình chủ đạo của bài toán, sử dụng phương pháp giải tích (lời giải Navier và Ritz) và phương pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn ( THH)) để giải hệ phương trình chủ đạo Trong đó, THH sử dụng biện pháp khử khoá cắt, kết hợp với các phương pháp làm trơn để tăng mức độ chính xác của lời giải, các ví dụ số để phân tích các bài toán tĩnh học, bài toán lực tới hạn và bài toán phân tích tần số dao động riêng của kết cấu tấm.

Đồng thời, luận án cũng khảo sát ảnh hưởng của quy luật phân phối vật liệu, kích thước tấm, hiệu ứng nền, cấu trúc các phân lớp cũng như tiến hành phân tích hiệu ứng các phương pháp đồng nhất đến ứng xử của tấm phân lớp chức năng. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, trong lĩnh vực cơ học vật rắn người ta luôn tìm cách phát triển những loại vật liệu có nhiều tính năng ưu việt như: khả năng chịu lực cao, tính dẻo, mức độ chống chịu nhiệt độ… cũng như tính ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều hiệu quả kinh tế. Vật liệu phân lớp chức năng (FGM) đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên. FGM là loại vật liệu composite đặc biệt có các đặc trưng vật liệu thay đổi liên tục nhằm cải thiện và tối ưu khả năng chịu tải trọng cơ, nhiệt của kết cấu theo yêu cầu mong muốn Để việc ứng dụng loại vật liệu này được rộng rãi, nhất là trong các lĩnh vực: xây dựng, cơ khí, năng lượng, hàng kh ng, vũ trụ.

cần thiết phải tiến hành phân tích và đào sâu nghiên cứu về ứng xử của vật liệu thông qua các mô hình lý thuyết thuần túy, các mô hình mô phỏng và các mô hình thí nghiệm thực tế. Bài toán phân tích ứng xử kết cấu dạng dầm, tấm hay vỏ khi chịu tải trọng cơ học và nhiệt độ được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cơ kỹ thuật. Ví dụ: phân tích kết cấu cầu, đường ray, cống ngầm trong ngành giao thông; phân tích kết cấu sàn, dầm, vách trong ngành xây dựng; phân tích chi tiết động cơ đốt trong, hệ thống phản lực đẩy trong lĩnh vực cơ khí, hàng kh ng, vũ trụ… ó rất nhiều Nhà nghiên cứu (trong và ngoài nước) quan tâm đến chủ đề này, tuy nhiên vẫn còn nhiều điều cần được phân tích và phát triển nhiều hơn nữa. Chẳng hạn, khi phân tích ứng xử của kết cấu tấm người ta thường áp dụng một số lý thuyết tính toán: lý thuyết cổ điển (CPT) bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng cắt, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) có kể đến thành phần biến dạng cắt nhưng cần có hệ số hiệu chỉnh cắt, lý thuyết biến dạng cắt bậc cao (HSDT) không cần hệ số hiệu chỉnh cắt nhưng cần phải chọn một cách hợp lý hàm biến dạng cắt, lý thuyết tiếp cận ba chiều (Quasi-3D) là lý thuyết HSDT nhưng có xét đến thành phần biến dạng theo chiều dày tấm.