Tài liệu Mô hình hóa và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- BÙI VĂN BÌNH MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- BÙI VĂN BÌNH MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 62.44.21.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. TRẦN ÍCH THỊNH 2. PGS.TS. TRẦN MINH TÚ HÀ NỘI - 2012 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Bùi Văn Bình Tôi 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 từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng Người cam đoan Bùi Văn Bình năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn : GS. TS. Trần Ích Thịnh, PGS. TS. Trần Minh Tú đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thành viên trong nhóm Seminar "Cơ học Vật rắn biến dạng" - ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Công nghệ, ĐH Xây Dựng, ĐH Kiến Trúc, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, ĐH Giao Thông Vận tải, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐH Thái Nguyên ...đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Đạt – Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Thủy sản Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ, giảng viên Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí nghiệm kiểm soát Rung và Ồn - Viện Cơ học Việt Nam giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt quá trình đo đạc thực nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ giảng viên khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Điện lực đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả: Bùi Văn Bình MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục hình vẽ - đồ thị Danh mục các bảng MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1 5 1.1. MỞ ĐẦU 5 1.2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 5 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI CỦA LUẬN ÁN 8 1.3.1 Tóm lược chung về tình hình nghiên cứu kết cấu tấm composite trên thế giới 8 1.3.2 Tóm lược chung về tình hình nghiên cứu kết cấu tấm composite ở Việt Nam 15 1.3.3 Tình hình nghiên cứu về kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng 16 1.4. NHẬN XÉT VỀ TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 19 1.5 ĐỀ XUẤT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN 20 1.6. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN 21 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu 21 1.6.2. Nhiệm vụ của luận án 21 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TẤM 22 COMPOSITE LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG 23 2.1. MỞ ĐẦU 23 2.2. PHƯƠNG TRÌNH CẤU THÀNH CỦA TẤM COMPOSITE LỚP 24 2.2.1. Trường chuyển vị 25 2.2.2. Trường biến dạng 25 2.2.3. Trường ứng suất 25 2.2.4. Các thành phần nội lực 28 2.2.5. Phương trình ứng xử cơ học của tấm nhiều lớp 29 2.3. PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU TẤM COMPOSITE LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG 30 2.3.1. Lựa chọn phần tử 30 2.3.2. Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử, ma trận khối lượng và véctơ lực nút phần tử 32 2.3.3. Ghép nối ma trận độ cứng và ma trận khối lượng tổng thể 34 2.3.4. Tích phân số 35 2.3.5. Các phương trình tổng quát 37 2.4. THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 2.4.1. Các tiêu chuẩn sử dụng nhằm xác định tải trọng phá hủy của kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp, lượn sóng 38 38 2.4.1.1. Tiêu chuẩn ứng suất lớn nhất 38 2.4.1.2. Tiêu chuẩn bền Tsai-Wu 39 2.4.2. Phân tích phá huỷ kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp 39 2.4.3 Thuật toán tích phân Newmark [31] 43 2.4.4 Thuật toán GA 44 2.4.5. Các chương trình tính 47 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA CÁC KẾT CẤU TẤM DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 48 49 3.1 MỞ ĐẦU 49 3.2. CÁC BÀI TOÁN KIỂM TRA THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 50 3.2.1 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tĩnh 50 3.2.2 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán dao động 52 3.2.3 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tối ưu 53 3.3. PHÂN TÍCH TĨNH CÁC KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 3.3.1. Bài toán 1: Khảo sát ảnh hưởng của góc gấp nếp đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp một lần 3.3.2. Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của góc gấp nếp đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần 3.3.3. Bài toán 3. Khảo sát ảnh hưởng gân và cách bố trí gân đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp 3.3.4. Bài toán 4: Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học đến độ võng, ứng suất của tấm lượn sóng hình thang 3.3.4.2 Ảnh hưởng của số lớp đến độ võng và ứng suất của tấm composite dạng lượn sóng hình thang 3.3.4.1 Ảnh hưởng của góc gấp nếp (độ cao sóng) đến độ võng và ứng suất của tấm composite dạng lượn sóng hình thang 3.3.5 Bài toán 5. Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp 3.3.5.1 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp 2 lần 3.3.5.2 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp dạng mũ (Hat-type folded plate) 3.4. PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CÁC KẾT CẤU TẤM GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 3.4.1 Bài toán 6: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên đến tần số dao động riêng, dạng dao động riêng của tấm gấp nếp 3.4.2 Bài toán 7: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên, góc phương sợi đến đáp ứng động lực học của tấm gấp nếp 3.4.3 Bài toán 8: Ảnh hưởng của cách bố trí gân, điều kiện biên và cấu hình góc sợi đến tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của kết cấu tấm gấp nếp có gân gia cường 3.4.3.1. Ảnh hưởng của cách bố trí gân, điều kiện biên, cấu hình 56 57 60 62 64 65 67 68 69 71 73 75 78 81 81 góc sợi đến tần số dao động riêng, dạng dao động riêng 3.4.3.2. Ảnh hưởng của cách bố trí gân đến đáp ứng động lực học tấm 3.4.3.3. Ảnh hưởng của điều kiện biên đến đáp ứng động lực học tấm 3.4.3.4. Ảnh hưởng của cấu hình góc sợi đến đáp ứng động lực học tấm 3.4.4 Bài toán 9: Tối ưu tần số dao động riêng kết cấu tấm gấp nếp theo cấu hình góc sợi bằng thuật toán di truyền 84 85 87 89 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 95 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 98 4.1. MỞ ĐẦU 98 4.2. XÂY DỰNG CÁC MẪU THÍ NGHIỆM 98 4.2.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm và cơ tính 98 4.2.2. Quy cách mẫu thí nghiệm 98 4.2.3 Các loại mẫu thí nghiệm 100 4.3 ĐỒ GÁ 102 4.4 THIẾT BỊ ĐO, GHI DỮ LIỆU 104 4.5 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TẦN SỐ FFT 105 4.6 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 106 4.7. KẾT QUẢ ĐO TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 108 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 Các công trình đã công bố của tác giả liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo Phụ lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU (1,2,3) Các phương chính của lớp vật liệu [ A] Ma trận độ cứng màng [ B] Ma trận độ cứng tương tác màng-uốn [C ] Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu dị hướng [ D] Ma trận độ cứng vật liệu ĐKB Điều kiện biên Ei Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i fi ( i  1, n ) Tần số dao động riêng thứ i Gij Mô đun đàn hồi trượt GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) [K ] Ma trận độ cứng tổng thể của tấm k Số thứ tự lớp [ ke ] Ma trận độ cứng phần tử của tấm L Kích thước tấm LA Luận án M x , M y , M xy Các thành phần momen uốn và xoắn M  Ma trận khối lượng tổng thể của tấm  me  Ma trận khối lượng phần tử của tấm N x , N y , N xy Các thành phần lực màng n Số lớp composite PTHH Phần tử hữu hạn Qx , Qy Các thành phần lực cắt [Qij ] Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (1,2,3) [Qij' ] Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (x,y,z) q(x,y) Tải trọng uốn tác dụng lên tấm [S ] Ma trận độ mềm trong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu dị hướng T Động năng của hệ [T] Ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ t Chiều dày tấm tk Chiều dày lớp vật liệu thứ k của tấm U Năng lượng biến dạng đàn hồi của hệ u,v,w Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z uo,vo,wo Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z tại mặt phẳng trung bình của tấm W Công ngoại lực W Kích thước chiều rộng tấm (x,y,z) Phương của hệ quy chiếu tổng thể (x’,y’,z’) Phương của hệ tọa độ phần tử α Góc gấp nếp  x ,  y ,  xy ,  xz ,  yz Các thành phần biến dạng trong hệ tọa độ x,y,z  xo ,  yo ,  xyo , y , x Các thành phần biến dạng tại mặt trung bình của tấm trong hệ tọa độ x,y,z i Góc phương sợi lớp vật liệu thứ i của tấm  x , y Các thành phần góc xoay quanh các trục x, y tại mặt phẳng trung bình của tấm k x , k y , k xy , y , x Các thành phần độ cong tại mặt phẳng trung bình của tấm trong hệ toạ độ x,y,z  ij Hệ số Poisson của vật liệu theo phương ij  x ,  y , xy , xz , yz Các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ x,y,z ξ, η  i Hệ toạ độ tự nhiên Tần số dao động riêng không thứ nguyên thứ i DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1. Mái che sử dụng tấm composite dạng gấp nếp 6 Hình 1.2. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp 6 Hình 1.3. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần 6 Hình 1.4. Tấm phẳng được gia cường bởi các tấm gấp nếp 7 Hình 1.5. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng mũ (lõi rời rạc) 7 Hình 1.6. Tấm gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi, cầu nối của dầm composite 7 Hình 1.7. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục) 8 Hình 2.1. Kết cấu tấm composite gấp nếp có gân gia cường dạng tấm 23 Hình 2.2. Kết cấu tấm lượn sóng hình thang 24 Hình 2.3. Mô hình tấm composite lớp 24 Hình 2.4. Phần tử qui chiếu 30 Hình 2.5. Sơ đồ ghép nối ma trận độ cứng phần tử vào ma trận độ cứng tổng thể 35 Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán tính tải trọng phá huỷ lớp đầu tiên 40 Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán cho bài toán tĩnh 41 Hình 2.8 Sơ đồ thuật toán cho bài toán động 42 Hình 2.9. Sơ đồ thuật toán tối ưu tần số dao động riêng bằng GA. 46 Hình 3.1. Tấm composite gấp nếp 1 lần. 51 Hình 3.2- Tấm composite gấp nếp hai lần, góc gấp nêp α. 52 Hình 3.3. Hình dạng hình học của tấm composite lớp gấp nếp 1 lần và 2 lần. 54 Hình 3.4 Tấm gấp nếp dạng mái dốc kép (W-shape), góc gấp α. 57 Hình 3.5. Tấm composite lớp gấp nếp một lần với góc gấp α chịu tải trong tập trung 58 Hình 3.6. Đồ thị so sánh độ võng theo đường CD của tấm với điều kiện biên ngàm tại y = 0; t = 0.02 (m); [300/-300/300] 58 Hình 3.7. Tấm composite lớp gấp nếp một lần với góc gấp α chịu tải phân bố với q = 20 kN/m 59 Hình 3.8. Đồ thị so sánh độ võng theo đường CD của tấm khi t = 0.02(m), [300/-300/300] với điều kiện biên: (a)- Ngàm tại y = 0; (b)- Ngàm tại y = 0 và y = L. 60 Hình 3.9. Tấm composite gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi cho dầm sandwich, góc gấp nếp α 61 Hình 3.10. So sánh độ võng dọc theo đường MN của tấm gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi cho dầm sandwich khi góc gấp nếp α = 900, 1200, 1500 61 Hình 3.11. Biến dạng của tấm gấp nếp nhiều lần sau khi chịu tải với góc gấp nếp α = 900, 1200, 1500 62 Hình 3.12. Tấm composite gấp nếp năm lần có và không có gân gia cường chịu tải trọng uốn 63 Hình 3.13. Độ võng của tấm composite gấp nếp năm lần có và không có gân gia cường 64 Hình 3.14. Tấm composite dạng lượn sóng hình thang. 65 Hình 3.15. Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố. 65 Hình 3.15. Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố. 66 Hình 3.17. Phân bố ứng suất (σx, σy, σxy) theo chiều dầy của tấm khi góc gấp nếp α = 900, 1050, 1200, 1350, 1500, 1750 (thay đổi độ cao sóng) 66 Hình 3.18. Phân bố ứng suất (σx, σy, σxy) tại mặt trên của tấm, theo phương trục Ox của đường giữa tấm thành phần 8, khi α = 900, 1050, 1200, 1350, 1500, 1750 66 Hình 3.19. So sánh độ võng của tấm tại đường giữa tấm dọc theo trục Ox khi số lớp thay đổi 67 Hình 3.20. So sánh phân bố ứng suất (σx, σy, σxy, σxz, σyz) theo chiều dầy của tấm composite lượn sóng khi số lớp thay đổi 68 Hình 3.21. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm một đầu chịu tải trọng phân bố đều 70 Hình 3.22. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm hai đầu. 70 Hình 3.23. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm hai cạnh bên 70 Hình 3.24. Tấm composite gấp nếp dạng hình mũ (Hat - type) ngàm một đầu và ngàm tại hai đầu, chịu tải trọng phân bố đều 71 Hình 3.25. Vị trí các điểm bị phá hủy của tấm composite gấp nếp dạng hình mũ khi chịu uốn 72 Hình 3.26. Tấm composite gấp nếp dạng "Double trapezoidal type" 75 Hình 3.27. Một số dạng dao động của tấm composite "double trapezoidal type": a - Góc gấp α = 1200; b - Góc gấp α = 900 75 Hình 3.28. Tấm composite gấp nếp 6 lần với góc gấp α. 76 Hình 3.29. Bốn dạng dao động đầu tiên của tấm composite gấp nếp sáu lần góc gấp α = 1200, [600/-600/-600/600], độ dầy t = 1cm 77 Hình 3.30. Tấm gấp nếp 6 lần chịu tác dụng của tải trong bước tam giác 78 Hình 3.31. Sơ đồ tải trọng bước tam giác 78 Hình 3.32. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 900, 1200, 1500; điều kiện biên ngàm một đầu 79 Hình 3.33. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 900, 1200, 1500; điều kiện biên ngàm hai đầu 79 Hình 3.33. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 900, 1200, 1500; điều kiện biên ngàm hai đầu 80 Hình 3.35. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần với các cấu hình lớp [600/-600/-600/600] và [00/900/900/00], α = 900, 1500 80 Hình 3.36. Năm dạng dao động riêng của kết cấu tấm composite có và không có gân gia cường 83 Hình 3.37. Sơ đồ tải trọng bước tam giác 84 Hình 3.38. Đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm composite gấp nếp với cấu hình lớp [450/-450]3 84 Hình 3.39 . Đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm composite gấp nếp ngàm tại cạnh AB, CD; cấu hình lớp [00/900]3 85 Hình 3.40. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm gấp nếp cho TH 1 và TH 2 theo điều kiện biên 86 Hình 3.41. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm gấp nếp cho TH 3 và TH 4 theo điều kiện biên 86 Hình 3.42. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho T.H 1 87 Hình 3.43. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho T.H 2 87 Hình 3.44. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho T.H 3 88 Hình 3.45. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho T.H 4 88 Hình 3.46. Đồ thị tiến trình tìm kiếm tần số tối ưu T.H 1- T.H 2 bằng GA, tấm 92 ngàm tại x = 0 (m) Hình 3.47. Đồ thị tiến trình tìm kiếm tần số tối ưu T.H 3- T.H 4 bằng GA, tấm ngàm tại x = 0 (m) 93 Hình 3.48. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 1 93 Hình 3.49. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 2 94 Hình 3.50. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 3 94 Hình 3.51. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 4 94 Hình 4.1. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần không có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 1 đầu và ngàm 2 đầu tấm: Loại mẫu 1- 4 100 Hình 4.2. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần không có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 2 cạnh bên: Loại mẫu 5 - 8 100 Hình 4.3. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 9 - 12 101 Hình 4.4. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 13 - 16 101 Hình 4.5. Mẫu tấm Composite gấp nếp 1 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 17- 18 101 Hình 4.6. Mẫu tấm Composite gấp nếp 1 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 19 - 20 102 Hình 4.7. Mẫu tấm Composite gấp nếp 5 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 21- 22 102 Hình 4.8. Mẫu tấm Composite gấp nếp 5 lần có gân gia cường sử dụng cho các thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 23 - 24 102 Hình 4.9. Giá đỡ 103 Hình 4.10. Các thanh gá 103 Hình 4.11. Các thanh nẹp và vít ngàm 104 Hình 4.12. Sơ đồ minh họa các thiết bị đo đạc thực nghiệm 106 Hình 4.13. Ba dạng dao động đầu tiên của mẫu thí nghiệm 1 107 Hình 4.14. Vị trí đầu đo để xác định tần số dao động thứ hai của mẫu thí nghiệm 1 107 Hình 4.15. Đồ thị tín hiệu rung động trong miền thời gian 108 Hình 4.16. Đồ thị tín hiệu rung động trong miền tần số 108 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. So sánh kết quả tính độ võng tại tâm của mặt A (*10-3m), α = 900 52 Bảng 3.2. So sánh kết quả tính năm tần số dao động riêng (Hz) 53 Bảng 3.3. So sánh góc sợi tối ưu và tần số dao động riêng tối ưu bằng GA 55 Bảng 3.4. Độ võng w×10-4(m) tại mặt cắt CD, ngàm tại đầu y = 0 58 -4 Bảng 3.5. Độ võng w×10 (m) tại mặt cắt CD, ngàm tại đầu y = 0 (m) 59 Bảng 3.6. Độ võng w×10-5(m) tại mặt cắt CD, ngàm tại y = 0 và y = 1 (m) 59 Bảng 3.7. Tải trọng phá hủy q (Pa) theo tiêu chuẩn Tsai- Wu và tiêu chuẩn ứng suất lớn nhất của tấm composite gấp nếp hai lần 70 Bảng 3.8. Tải trọng phá hủy q (Pa) theo tiêu chuẩn Tsai- Wu và tiêu chuẩn ứng suất lớn nhất của tấm composite gấp nếp dạng mũ 72 Bảng 3.9. Năm tần số dao động riêng đầu tiên (Hz) của tấm composite gấp nếp sáu lần, [600/-600]s, góc gấp nếp α, độ dầy t = 1cm 76 Bảng 3.10a. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composite gấp nếp có và không có gân gia cường khi tựa đơn tại AB và CD, t = 0.02m, 5 lớp 81 Bảng 3.10b. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composite gấp nếp có và không có gân gia cường khi tựa đơn tại AB và CD, t = 0.02m, 6 lớp 82 Bảng 3.11a. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composte có và không có gân gia cường khi ngàm tại hai cạnh AB và CD, t = 0.02m, 5 lớp 82 Bảng 3.11b. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composte có và không có gân gia cường khi ngàm tại hai cạnh AB và CD, t = 0.02m, 6 lớp 82 Bảng 3.12. Tham số của giải thuật di truyền 90 Bảng 3.13. Tần số tối ưu và cấu hình góc sợi tối ưu khi ngàm tại AB và CD 90 Bảng 3.14. Tần số tối ưu và cấu hình góc sợi tối ưu khi ngàm tại x = 0 91 99 Bảng 4. 1 Tổng hợp các mẫu thí nghiệm Bảng 4.2. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], không có gân gia cường, loại mẫu 1 109 Bảng 4.3. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], không có gân gia cường, loại mẫu 2 109 Bảng 4.4. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với 109 góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], không có gân gia cường, không có gân gia cường, loại mẫu 3 Bảng 4.5. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], không có gân gia cường, loại mẫu 4 110 Bảng 4.6. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], không có gân gia cường, loại mẫu 5 110 Bảng 4.7.Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], không có gân gia cường, loại mẫu 6 110 Bảng 4.8. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], không có gân gia cường, loại mẫu 7 110 Bảng 4.9. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], không có gân gia cường, loại mẫu 8 111 Bảng 4.10. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 9 111 Bảng 4.11. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 10 111 Bảng 4.12. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 11 111 Bảng 4.13. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 12 112 Bảng 4.14. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 13 112 Bảng 4.15. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 900, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 14 112 Bảng 4.16.Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 15 112 Bảng 4.17. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 16 113 Bảng 4.18. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 17 113 Bảng 4.19. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 18 113 Bảng 4.20. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 19 113 Bảng 4.21. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 20 114 Bảng 4.22. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 21 114 Bảng 4.23. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 22 114 Bảng 4.24. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [00/900/00/900], có gân gia cường, loại mẫu 23 114 Bảng 4.25. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với góc gấp α = 1200, cấu hình góc sợi [450/-450/450/-450], có gân gia cường, loại mẫu 24 115 1 MỞ ĐẦU Vật liệu composite có nhiều đặc tính nổi trội như mô đun đàn hồi và độ bền riêng cao, nhẹ, có khả năng chịu nhiệt và ma sát lớn, khả năng chống mài mòn tốt, dễ gia công thành những chi tiết có hình dạng phức tạp … Vì vậy, vật liệu - kết cấu composite ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: hàng không, hàng hải, chế tạo máy, xây dựng, …v.v. Chế tạo và sản xuất sản phẩm làm bằng vật liệu composite ở nước ta đang trong giai đoạn bắt đầu triển khai và phát triển. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu, tính toán vào thiết kế các kết cấu làm bằng vật liệu composite chưa nhiều, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế, nên tính ứng dụng còn hạn chế, hiệu quả chưa cao. Đặc biệt là các kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng với độ cao sóng lớn. Do vậy, việc nghiên cứu các ứng xử cơ học của vật liệu composite, tính toán các kết cấu dạng gấp nếp, lượn sóng làm bằng vật liệu composite phục vụ thiết kế, chế tạo là một việc làm có tính cấp thiết và có ý nghĩa khoa học cao. Trong thực tế, tấm làm bằng vật liệu composite dạng gấp nếp, lượn sóng được ứng dụng ở nhiều nơi như các mái lợp, sàn, vỏ tàu thuyền,… Tại những nơi có không gian lớn, các kết cấu tấm dạng không gian như tấm dạng lượn sóng, gấp nếp hoặc các kết cấu tấm, dầm dạng sandwich có khả năng chịu lực tốt hơn tấm phẳng, giúp kết cấu tấm vượt qua những khẩu độ lớn, tránh gây nên sự lãng phí không gian cho hệ dầm, dàn gia cường. Bởi vì, với kết cấu dạng không gian, các phần của kết cấu "truyền lực cho nhau", hỗ trợ nhau theo các phương nên khả năng chịu lực tốt hơn, tiêu tốn ít vật liệu và đòi hỏi không gian kết cấu ít hơn. Kết cấu tấm bằng vật liệu composite cho phép sản xuất, gia công trực tiếp thành các dạng không gian (gấp nếp, lượn sóng) mà không phải lắp ghép từ các tấm thành phần, đặc biệt là các kết cấu bằng vật liệu composite cốt sợi. Với các tấm, dầm sandwich có lớp lõi chịu lực, để giảm trọng lượng của tấm (cũng như tăng khả năng cách âm, cách nhiệt) người ta thường dùng lõi là các tấm dạng lượn sóng (lõi liên tục) hay các tấm dạng gấp nếp (lõi rời rạc). Bởi vì, lớp lõi có dạng lượn sóng, gấp nếp có tác dụng truyền lực từ lớp trên (thường là lớp trực tiếp chịu tải trọng) xuống lớp dưới, giúp tấm chịu lực tốt hơn. Để có thể thiết kế tối ưu các kết cấu tấm composite có dạng phức tạp (gấp nếp, lượn sóng,…) cần phải tiến hành nghiên cứu các bài toán cơ học: tính toán chuyển vị, ứng suất, tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học,…của các tấm loại này với các cấu hình lớp vật liệu, chịu các điều kiện biên và tải trọng khác nhau. Đồng thời với các nghiên cứu lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm đối với các kết cấu tấm composite có dạng phức tạp cũng rất cần thiết bởi vì hình dạng hình học ảnh hưởng lớn đến ứng xử cơ học của kết cấu. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về các ứng xử cơ học (tính toán số cũng như thực nghiệm) của kết cấu composite dạng gấp nếp, lượn sóng còn rất mới mẻ và còn ít kết quả công bố. Căn cứ vào thực tế ứng dụng và tình hình nghiên cứu hiện nay về các kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng, luận án đặt vấn đề nghiên cứu: “Mô hình hoá và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng”. 2 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Xây dựng thuật toán PTHH dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindlin để giải quyết bài toán uốn tĩnh, dao động tự do, phân tích đáp ứng động lực học của chuyển vị, tối ưu theo góc sợi của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang (với độ cao sóng lớn). - Xây dựng chương trình tính trong môi trường Matlab để tìm lời giải số cho chuyển vị, ứng suất, tải trọng phá hủy, tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của chuyển vị, xác định góc sợi tối ưu của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang. - Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học và vật liệu: góc gấp nếp (α), vị trí các gân gia cường, điều kiện biên, số lớp vật liệu composite, góc sợi,...đến ứng xử tĩnh và dao động của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang. - Thiết kế, chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm đo tần số dao động riêng của một số kết cấu tấm composite dạng gấp nếp (có và không có gân gia cường; làm bằng vật liệu sợi thủy tinh/nền polyester - thường dùng trong chế tạo tàu thuyền tại Việt Nam). Kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính bằng chương trình PTHH đã thiết lập. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: + Kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp: có và không có gân gia cường dạng tấm - gân gia cường là các tấm với các kiểu bố trí khác nhau theo chiều dọc và ngang của tấm gấp nếp. + Kết cấu tấm dạng lượn sóng hình thang (có độ cao sóng lớn). + Mẫu thí nghiệm là các tấm gấp nếp làm bằng vật liệu composite sợi thủy tinh/ nền polyester thường dùng trong chế tạo tàu thuyền tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong miền biến dạng nhỏ, đàn hồi tuyến tính của vật liệu: nghiên cứu các ứng xử uốn tĩnh (xác định chuyển vị, ứng suất, tải trọng phá hủy) và dao động (tự do, đáp ứng động lực học của chuyển vị (trong thời gian ngắn dưới tác động của tải trọng xung - transient response of displacement) của các đối tượng nghiên cứu dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindlin. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án sử dụng phương pháp số và phương pháp thực nghiệm. * Phương pháp số: Xây dựng thuật toán và chương trình tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên trường chuyển vị bậc nhất có kể đến biến dạng cắt theo Mindin để giải bài toán tĩnh, dao động và bài toán tối ưu cho các kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp, lượn sóng. 3 * Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng và tiến hành một số thí nghiệm nhằm xác định tần số dao động riêng của các kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp (có và không có gân gia cường) với các cấu hình lớp và điều kiện biên khác nhau. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Nội dung của đề tài góp phần vào việc nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động kết cấu tấm composite có nhiều ứng dụng trong thực tế của ngành xây dựng, đóng tàu thuyền, các sản phẩm công nghiệp,... Xây dựng được thuật toán và chương trình tính cho phép mô phỏng ứng xử tĩnh, dao động tự do và đáp ứng động lực học chuyển vị (dưới tác dụng của tải trọng xung) của kết cấu tấm composite có dạng hình học phức tạp (gấp nếp có và không có gân gia cường, lượn sóng với độ cao sóng lớn); có thể tiến hành những thí nghiệm số đối với kết cấu làm bằng tấm composite với các dạng hình học phức tạp như thân, vỏ tàu thuyền,... Việc tính toán trực tiếp dạng không gian các kết cấu làm bằng tấm vật liệu composite mà tác giả nghiên cứu là vấn đề thực tiễn có tính khoa học trong lĩnh vực cơ học vật thể rắn. Luận án đã đóng góp một nội dung khoa học đang còn bỏ ngỏ ở Việt Nam. Kết quả của luận án đóng góp cho những nghiên cứu khoa học về ứng xử cơ học (mô phỏng số cũng như thực nghiệm) của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng với độ cao sóng lớn. Thực hiện những thí nghiệm số dự báo dạng dao động, đáp ứng động lực học của các kết cấu tấm có dạng hình học phức tạp, giúp định hướng các nghiên cứu thực nghiệm, khẳng định tính đúng đắn của các kết quả thực nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án gồm: mở đầu, 4 chương, kết luận chung, danh mục các bài báo của tác giả đã công bố liên quan đến đề tài luận án, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục. Mở đầu Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Trình bày các nghiên cứu tổng quan về kết cấu tấm composite có dạng lượn sóng, gấp nếp. Chương 2: Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn tính toán kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng Trình bày cách thiết lập thuật toán PTHH để tính toán tấm composite dạng gấp nếp (có và không có các gân gia cường), dạng lượn sóng dựa trên trường chuyển vị bậc nhất của Mindlin. Các gân gia cường trong mô hình PTHH được mô tả như các phần tử tấm. Chương 3: Nghiên cứu ứng xử tĩnh và động của các kết cấu tấm dạng gấp nếp, lượn sóng Trình bày các kết quả số cho các bài toán tĩnh (xác định độ võng, ứng suất, tải trọng phá hủy uốn), bài toán động (tính tần số dao động riêng, phân tích đáp ứng động lực