Luận án phân tích tĩnh và động kết cấu vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt - Trường Đại học Bách khoa

Lý do lựa chọn đề tài Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu mới trong chế tạo các bộ phận máy móc và các kết cấu công trình nhằm thay thế các loại vật liệu truyền thống là xu hướng tất yếu của sự nghiệp phát triển khoa học của mỗi quốc gia. Một trong những loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng hiện nay là vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM – Functionally Graded Material). FGM là loại vật liệu composite tiên tiến được các nhà khoa học Nhật Bản phát triển từ năm 1984, vật liệu FGM điển hình được cấu tạo từ hai vật liệu thành phần là gốm và kim loại. Vật liệu FGM có các tính chất cơ học biến đổi trơn theo một phương nhất định trong kết cấu, kết hợp được đặc tính kháng nhiệt và mô đun đàn hồi cao của gốm và tính bền dẻo của kim loại.

Vì thế vật liệu FGM thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy, các cấu kiện công trình làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Chẳng hạn, vật liệu FGM được sử dụng để chế tạo bộ phận mũi của tên lửa đẩy, ống xả nhiên liệu, vách các lò phản ứng, công nghiệp ô tô để chế tạo các má phanh,… Để tăng tính hiệu quả việc sử dụng vật liệu FGM trong thực tiễn thì bên cạnh việc đầu tư, nghiên cứu cải tiến công nghệ chế tạo, vấn đề mô phỏng số và tính toán ứng xử cơ học của kết cấu làm bằng vật liệu FGM là hết sức cần thiết. Vì vậy, kể từ khi được phát kiến đến nay, các nghiên cứu về ứng xử tĩnh và động lực học các kết cấu bằng vật liệu FGM luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Các mô hình tính kinh điển được áp dụng (lý thuyết đàn hồi, lý thuyết tấm cổ điển, các lý thuyết biến dạng cắt), các mô hình cải tiến và mở rộng được đề xuất không ngoài mục đích tìm kiếm mô hình phù hợp khi tính toán và thiết kế các kết cấu FGM.

Cùng với các phương pháp tính thông dụng như giải tích, sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, phần tử biên, … các phương pháp mới và cải tiến cũng được phát triển như: phương pháp đẳng hình học, phương pháp không lưới, phương pháp PTHH “trơn”,… 2 Ngoài các nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại tải trọng cơ học thông thường như tải trọng tĩnh, tải trọng di động, tải trọng gió, tải trọng nổ,…các nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường làm việc (nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất,…) đến ứng xử cơ học của các kết cấu là không thể tách rời trong quá trình tính toán và thiết kế. Các loại vật liệu FGM luôn là lựa chọn ưu tiên khi chế tạo các kết cấu làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, vì thế các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của kết cấu là thực sự cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Xuất phát từ những vấn đề đã nêu, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu cho Luận án của mình là: “Phân tích tĩnh và động kết cấu vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt”. Mục đích, nội dung nghiên cứu  Xây dựng các hệ thức quan hệ, phương trình chủ đạo và thiết lập nghiệm giải tích của bài toán phân tích tĩnh và động của kết cấu vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt độ.

 Xây dựng mô hình, thuật toán Phần tử hữu hạn, sử dụng phần tử vỏ 3D suy biến phân tích tĩnh và động của vỏ thoải FGM có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ.  Viết chương trình tính trên nền Matlab để khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên và nhiệt độ đến độ võng, ứng suất và ứng xử động của vỏ thoải FGM hai độ cong. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu vỏ thoải FGM hai độ cong có hình chiếu bằng là hình chữ nhật làm việc trong môi trường nhiệt độ.  Phạm vi nghiên cứu luận án là tính toán độ võng, ứng suất, tần số dao động riêng và đáp ứng động của vỏ thoải FGM hai độ cong theo lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) khi kết cấu vỏ chịu tải trọng cơ học và nhiệt độ.

Cơ sở khoa học của đề tài Vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật nhờ có nhiều ưu điểm so với vật liệu composite truyền thống, đặc biệt là khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao mà không bị bong, tách lớp, không xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất,… Trên cơ sở lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT), luận án đã xây dựng nghiệm giải tích, thuật toán và mô hình phần tử hữu hạn để phân tích tĩnh và dao động của vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt độ. Các khảo sát về ảnh hưởng của các tham số vật liệu, kết cấu và nhiệt độ đến ứng xử cơ học của vỏ FGM là nguồn tham khảo hữu ích có giá trị khoa học và thực tiễn phục vụ công tác tính toán, thiết kế và bảo trì. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp giải tích: Sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) thiết lập các phương trình chủ đạo phân tích tĩnh và động của vỏ thoải FGM hai độ cong với một số điều kiện biên thông dụng.  Phương pháp phần tử hữu hạn: Xây dựng mô hình, thuật toán Phần tử hữu hạn và viết chương trình tính để phân tích tĩnh và động của vỏ thoải FGM hai độ cong với một số hình dạng và điều kiện biên khác nhau.

Những đóng góp mới  Đã thiết lập được lời giải giải tích phân tích tĩnh, dao động riêng và dao động cưỡng bức của vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt độ với một số loại điều kiện biên thông dụng. Khi xét bài toán động, vỏ được coi như là có ứng suất ban đầu do nhiệt độ gây ra.  Vận dụng có hiệu quả phần tử 3D suy biến để xây dựng mô hình và thuật toán phần tử hữu hạn cho các vỏ có hình dạng được mô tả bởi một hàm toán học, do đó mở rộng được các đối tượng nghiên cứu, khảo sát.  Đã viết bộ chương trình tính trên nền Matlab để khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu; kích thước hình học; điều kiện biên; quy luật truyền nhiệt theo 4 chiều dày; tỉ lệ cản; tỉ số tần số của lực cưỡng bức/tần số dao động riêng (tỉ số Ω/ω) đến: độ võng, các thành phần ứng suất, tần số dao động riêng cơ bản và đáp ứng chuyển vị theo thời gian của vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt độ.

Từ đó rút ra một số kết luận có ý nghĩa khoa học và kỹ thuật giúp ích cho người thiết kế lựa chọn các thông số kết cấu phù hợp với thực tế. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 1. Vật liệu có cơ tính biến thiên và ứng dụng Vật liệu có cơ tính biến thiên (Functionally Graded Material – FGM) là một loại vật liệu composite tiên tiến, được tạo nên bởi sự biến đổi liên tục của hai hay nhiều pha vật liệu thành phần trong một thể tích xác định. Sự biến đổi giữa các pha vật liệu thành phần thường tuân theo một quy luật nhất định và quy luật biến đổi này có thể điều chỉnh được nhằm tạo nên một loại vật liệu FGM phù hợp với mục đích sử dụng của nhà thiết kế.

Cũng nhờ cấu trúc vật liệu biến đổi trơn và liên tục nên vật liệu FGM có thể tránh được những vấn đề thường gặp ở vật liệu composite truyền thống như bong tách, tập trung ứng suất, nứt gãy [101]. Ứng dụng đầu tiên của vật liệu FGM được thực hiện ở Phòng thí nghiệm Hàng không Quốc gia Nhật bản năm 1984 là chế tạo tấm FGM để làm lớp bề mặt phần mũi máy bay. Như đã biết, các bộ phận của kết cấu hàng không như động cơ thường phải làm việc trong môi trường nhiệt độ cao khoảng 2400K và biến thiên nhiệt độ khoảng 1600K qua chiều dày kết cấu bé hơn 10mm. Trong thực tế không có một loại vật liệu nào có khả năng chịu được nhiệt độ cao như vậy, vì thế ý tưởng tạo nên một loại vật liệu mới có đặc tính chịu nhiệt là khởi nguồn cho phát kiến về vật liệu FGM.

Vật liệu FGM điển hình được cấu tạo từ hỗn hợp của hai vật liệu thành phần là gốm và kim loại, các kết cấu bằng vật liệu FGM vì thế chịu được nhiệt độ cao nhờ tính kháng nhiệt cao của thành phần gốm đồng thời vẫn có độ bền dẻo của thành phần kim loại. Vật liệu FGM có các ưu điểm về tính chất vật lý và hóa học của các vật liệu thành phần nên làm tăng độ bền kết dính, giảm ứng suất bề mặt tiếp xúc, giảm ứng suất nhiệt cũng như giảm thành phần nội lực làm vết nứt phát triển. Đặc trưng cơ học của một số loại gốm và kim loại thông thường của vật liệu FGM thể hiện trong Bảng 1. Tính chất cơ học của một số loại Gốm và Kim loại thường được sử dụng trong kết cấu FGM.

Mô đun Hệ số Hệ số Khối lượng đàn hồi truyền dãn nở Vật liệu riêng Young nhiệt nhiệt (10- 6 (Mg/m3) (GPa) (W/m K) 1/K) Zirconica 100-250 2.94 Kim loại Lead alloys 12.95-7 Vật liệu FGM ban đầu được nghiên cứu và chế tạo chủ yếu cho các kết cấu của công nghiệp hàng không làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Gần đây loại vật liệu này cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bởi tính linh hoạt trong sản xuất, và có thể tạo ra các loại FGM đặc thù cho từng mục đích cụ thể. Các ứng dụng chính của vật liệu FGM [101] trong các lĩnh vực khác nhau thể hiện trên Hình 1.1 và một số sản phẩm cụ thể từ vật liệu FGM như trên Hình 1. Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu FGM a.

Lò phản ứng hạt nhân b. Nhà máy điện hạt nhân c. Tên lửa đẩy d. Một số ứng dụng cụ thể của vật liệu FGM Ứng dụng đầu tiên của vật liệu FGM trong dự án tàu không gian là chế tạo loại vật liệu FGM gồm hai thành phần gốm và kim loại bằng phương pháp lắng đọng hơi (Physical Vapor Deposition).

Loại vật liệu này có khả năng chịu được sự biến thiên nhiệt độ cao, chịu được sốc nhiệt và sự tập trung ứng suất tại bề mặt tiếp xúc.