Tài liệu Tính toán vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ

i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Trần Ngọc Cảnh, 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. Tác giả Trần Ngọc Cảnh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Phạm Tiến Đạt và PGS.TS Nguyễn Văn Hưng, đã tận tình giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tôi hoàn thành luận án này. Sự động viên, khuyến khích, những kiến thức khoa học cũng như chuyên môn mà Thầy chia sẻ trong nhiều năm qua đã giúp tôi nâng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu và lòng yêu nghề. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa Cơ khí, Phòng Sau đại học đã quản lý và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Bộ môn. Tôi cảm ơn nhóm nghiên cứu Đỗ Văn Thơm, các thầy và nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự, đồng nghiệp và bạn bè đã thông cảm, động viên và chia sẻ trong những lúc khó khăn của tôi, cổ vũ tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................... 6 1.1. Vật liệu composite và các phương pháp tính toán kết cấu composite ....... 6 1.2. Các nghiên cứu kết cấu vỏ composite lớp ................................................ 8 1.3. Mô hình tải trọng sóng xung kích (SXK) ............................................... 10 1.4. Về các kết quả nghiên cứu kết cấu tấm, vỏ composite ........................... 15 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................. 15 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................... 25 1.5. Về tính toán kết cấu composite nhiều lớp liên kết với nhau bằng chốt hoặc lớp đàn hồi ................................................................................................... 28 1.6. Nhận xét các kết quả chính đã đạt được và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. .............................................................................................................. 29 1.7. Những nội dung chính của luận án cần tập trung giải quyết ................... 30 1.8. Kết luận Chương 1 ................................................................................ 30 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VỎ THOẢI COMPOSITE LỚP CHỊU TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI TẢI TRỌNG SÓNG XUNG KÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ . 32 2.1. Mô hình bài toán và các giả thiết ........................................................... 32 2.1.1. Mô hình bài toán............................................................................. 32 2.1.2. Các giả thiết .................................................................................... 32 2.2. Quan hệ ứng xử cơ học vỏ composite lớp .............................................. 33 2.2.1. Quan hệ ứng xử cơ học của vỏ thoải composite lớp ........................ 33 2.2.2. Quan hệ ứng suất và biến dạng ....................................................... 36 2.2.3. Các thành phần nội lực ................................................................... 38 2.2.4. Các hàm năng lượng của vỏ thoải composite lớp ............................ 40 iv 2.2.5. Phương trình năng lượng ................................................................ 41 2.3. Thuật toán PTHH tính toán động lực học vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ .................................... 41 2.3.1. Mô hình phần tử ............................................................................. 41 2.3.2. Các véc tơ phần tử vỏ thoải ............................................................ 42 2.3.3. Nội lực trong phần tử ...................................................................... 48 2.3.4. Các hàm năng lượng phần tử .......................................................... 48 2.3.5. Phương trình vi phân dao động phần tử vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. .......................... 49 2.3.6. Phương trình vi phân dao động của vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng sóng xung kích và nhiệt độ .............................................................. 53 2.3.7. Chương trình tính và kiểm tra mức tin cậy của chương trình .......... 58 2.4. Tính toán số vỏ composite lớp ............................................................... 58 2.4.1. Kết cấu panel trụ composite lớp...................................................... 58 2.4.2. Kết cấu panel cầu composite lớp..................................................... 65 2.5. Kết luận Chương 2 ................................................................................ 67 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VỎ THOẢI COMPOSITE SANDWICH CÓ CHỐT LIÊN KẾT CHỊU TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI TẢI TRỌNG SÓNG XUNG KÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ..................................................................... 68 3.1. Mô hình bài toán và các giả thiết ........................................................... 68 3.2. Quan hệ ứng xử cơ học .......................................................................... 69 3.2.1. Trường chuyển vị ........................................................................... 69 3.2.2. Quan hệ biến dạng và chuyển vị ..................................................... 70 3.2.3. Quan hệ ứng suất và biến dạng ....................................................... 71 3.2.4. Các thành phần nội lực ................................................................... 72 3.3. Các hàm năng lượng của vỏ................................................................... 75 3.3.1. Thế năng biến dạng đàn hồi của vỏ ................................................. 75 3.3.2. Động năng của vỏ ........................................................................... 75 3.3.3. Công của tải trọng tác dụng lên vỏ.................................................. 75 v 3.4. Phương trình vi phân dao động cưỡng bức của vỏ thoải composite sandwich ...................................................................................................... 76 3.5. Thuật toán PTHH tính toán vỏ thoải composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. ...................... 76 3.5.1. Mô hình phần tử ............................................................................. 76 3.5.2. Quan hệ véc tơ biến dạng và véc tơ chuyển vị nút phần tử vỏ ......... 81 3.5.3. Nội lực trong phần tử vỏ ................................................................. 87 3.5.4. Các hàm năng lượng phần tử vỏ composite sandwich ..................... 88 3.5.5. Thành lập phương trình vi phân dao động cưỡng bức của phần tử chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. .......................... 92 3.5.6. Phương trình vi phân dao động của vỏ composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời sóng xung kích và nhiệt độ ..................... 97 3.5.7. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình .............................................. 98 3.6. Tính toán số ......................................................................................... 102 3.7. Kết luận Chương 3 .............................................................................. 107 CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG VỎ COMPOSITE SANDWICH CÓ LIÊN KẾT CHỐT ................ 108 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến dao động riêng của vỏ... 108 4.1.1. Các dạng dao động riêng của kết cấu. ........................................... 108 4.1.2. Ảnh hưởng của tỉ số a/h ................................................................ 109 4.1.3. Ảnh hưởng của tỷ số hc/ht (ht=hb) ................................................. 110 4.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ a/b................................................................ 110 4.1.5. Ảnh hưởng hệ số độ cứng cắt ks của chốt liên kết ......................... 111 4.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến đáp ứng động của vỏ dưới tác dụng tải trọng sóng xung kích trong môi trường nhiệt độ ........................... 111 4.2.1. Đáp ứng động lực học của panel cầu sandwich (S-C-S) ................ 112 4.2.2. Ảnh hưởng của tỉ số a/h ................................................................ 114 4.2.3. Ảnh hưởng của tỉ số hc/ht (ht=hb) .................................................. 115 4.2.4. Ảnh hưởng của tỷ số a/b ............................................................... 117 vi 4.2.5. Ảnh hưởng hệ số cắt ks của chốt liên kết ....................................... 119 4.2.6. Ảnh hưởng mô đun đàn hồi hai lớp ngoài so với lớp giữa (Ec/Et) . 121 4.2.7. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi hai lớp ngoài cùng (tỉ số Eb/Et) ... 123 4.3. Kết luận Chương 4 .............................................................................. 124 KẾT LUẬN................................................................................................ 126 NHỮNG CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.............................. 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 128 PHỤ LỤC .................................................................................................. 142 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a Chiều rộng vỏ; b Chiều dài vỏ; Rx , Ry Bán kính của vỏ; h, hk Chiều dày kết cấu, chiều dày lớp vật liệu; k Chỉ số ký hiệu lớp k=t,c,b; Ek Mô đun đàn hồi lớp k; Gk Mô đun trượt lớp k; k Hệ số Poisson lớp k; p(t) Tải trọng tác dụng theo phương pháp tuyến bề mặt vỏ; x, y, z Các tọa độ đề các; uk, vk, wk Các thành phần chuyển vị của một điểm bất kỳ trong lớp k; uok , vok , wo Chuyển vị của 1 điểm bất kỳ trên mặt trung bình lớp k; xk , yk Góc xoay của mặt cắt ngang lớp k sau khi biến dạng; u Véc tơ chuyển vị tại 1 điểm bất kỳ; u0  Véc tơ chuyển vị tại 1 điểm bất kỳ trên mặt trung bình; N Ma trận hàm dạng phần tử; q j Véc tơ chuyển vị tại nút phần tử; qe Véc tơ chuyển vị phần tử;  B 0  Ma trận tính biến dạng màng mặt trung bình;  B  Ma trận tính biến dạng màng do uốn;   Véc tơ hệ số biến dạng màng do nhiệt;  B  Ma trận tính biến dạng cắt; viii  Bm  Ma trận tính biến dạng màng ;  B  Ma trận tính biến dạng.   Véc tơ biến dạng tại 1 điểm;   m 0 Véc tơ biến dạng màng tại mặt trung bình;   Véc tơ biến dạng màng do uốn tại 1 điểm;   s Véc tơ biến dạng cắt tại 1 điểm;   Véc tơ biến dạng màng do nhiệt;   Véc tơ biến dạng cắt do nhiệt; Q  Ma trận hệ số độ cứng; Q m  Ma trận hệ số độ cứng màng;  Q s  Ma trận hệ số độ cứng cắt; ksc Hệ số độ cứng cắt của chốt;   Véc tơ ứng suất tại 1 điểm;   Véc tơ ứng suất màng tại 1 điểm;   Véc tơ ứng suất cắt tại 1 điểm; Ne Véc tơ nội lực màng phần tử ; Me Véc tơ nội lực mô men uốn – xoắn phần tử ; Qe Véc tơ nội lực cắt phần tử ; A Ma trận độ cứng màng phần tử; B Ma trận độ cứng tương tác màng- uốn-xoắn phần tử; D Ma trận độ cứng uốn-xoắn phần tử; H Ma trận độ cứng cắt phần tử; m T s T m s ix esh Thế năng biến dạng vỏ composite trong phần tử (shell);  esc Thế năng biến dạng chốt trong phần tử (shear connector); e Thế năng biến dạng phần tử; Ae Công của tải trọng sóng xung kích; Te Động năng của phần tử;   e Ma trận khối lượng riêng phần tử; Le Hàm Lagrange cho phần tử ;  Me Ma trận khối lượng phần tử;  C e Ma trận cản của phần tử;  K e Ma trận độ cứng của phần tử; P  t  Véc tơ tải trọng nút do sóng xung kích trong phần tử; FT e Véc tơ tải trọng nút do nhiệt trong phần tử; e F  t  e Véc tơ tải trọng nút phần tử; CHỮ VIẾT TẮT PTHH Phần tử hữu hạn; SXK Sóng xung kích; LCS Vỏ composite lớp (Laminated composite shell); SLCS Vỏ composite sandwich (Sandwich laminated composite shell); SS Tựa đơn (simply supported); C-C-C-C Ngàm bốn cạnh (Clamped); C-F-C-F Ngàm-Tự do (Clamped-Free- Clamped-Free). x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Tần số dao động riêng đầu tiên không thứ nguyên........................ 58 Bảng 2.2. Tám tần số dao động riêng đầu tiên .............................................. 59 Bảng 3.1. Tần số dao động riêng không thứ nguyên ..................................... 99 Bảng 3.2. Ảnh hưởng độ cứng chốt và chiều dày đến vị wmax (mm) ........... 105 Bảng 3.3. Ảnh hưởng độ cứng chốt và chiều dày đến trượt Vtcmax (mm) ..... 105 Bảng 3.4. Ảnh hưởng độ cứng chốt và chiều dày đến y(rad) ..................... 105 Bảng 4.1. Tần số dao động riêng đầu tiên không thứ nguyên  ** ............ 109 Bảng 4.2. Tần số dao động riêng đầu tiên không thứ nguyên  ** ............ 110 Bảng 4.3. Tần số dao động riêng đầu tiên không thứ nguyên  ** ............ 110 Bảng 4.4. Tần số dao động riêng đầu tiên không thứ nguyên  ** ............ 111 Bảng 4.5. Ảnh hưởng tỉ số a/h và R/a đến chuyển vị lớn nhất. ................... 114 Bảng 4.6. Ảnh hưởng tỉ số a/h và R/a đến ứng suất lớn nhất. ..................... 115 Bảng 4.7. Ảnh hưởng tỉ số hc/ht và R/a đến chuyển vị lớn nhất. ................. 116 Bảng 4.8. Ảnh hưởng của tỉ số hc/ht và R/a đến ứng suất lớn nhất .............. 116 Bảng 4.9. Ảnh hưởng tỉ số a/b và R/a đến chuyển vị lớn nhất. ................... 118 Bảng 4.10. Ảnh hưởng tỉ số a/b và R/a đến suất lớn nhất. .......................... 118 Bảng 4.11. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et và R/a đến chuyển vị lớn nhất. ............... 119 Bảng 4.12. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et và R/a đến ứng suất lớn nhất. ................. 120 Bảng 4.13. Ảnh hưởng tỉ số Ec/Et và R/a đến chuyển vị lớn nhất. ............... 122 Bảng 4.14. Ảnh hưởng tỉ số Ec/Et và R/a đến ứng suất lớn nhất. ................. 122 Bảng 4.15. Ảnh hưởng tỉ số Eb/Et và R/a đến chuyển vị lớn nhất................ 123 Bảng 4.16. Ảnh hưởng tỉ số Eb/Et và R/a đến ứng suất lớn nhất.................. 124 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 0.1. Chế tạo vỏ composite lớp............................................................... 1 Hình 0.2. Các công trình xây dựng ở Việt Nam .............................................. 2 Hình 0.3. Mô hình chế tạo kết cấu và dạng chốt liên kết................................. 3 Hình 1.1. Các vùng chịu tác dụng của vụ nổ hóa học ................................... 11 Hình 1.2. Biến thiên áp suất dư sau mặt sóng xung kích ............................... 11 Hình 1.3. Sơ đồ phản xạ của sóng tới bề mặt công trình ............................... 13 Hình 1.4. Biểu đồ áp lực sóng xung kích ...................................................... 14 Hình 2.1. Mô hình vỏ thoải composite lớp 2 độ cong ................................... 32 Hình 2.2. Mô hình vỏ thoải composite lớp cốt sợi đồng phương .................. 33 Hình 2.3. Mô hình phần tử tính toán ............................................................. 41 Hình 2.4. Mô hình chuyển vị nút trong phần tử. ........................................... 42 Hình 2.5. Panel trụ composite lớp ................................................................ 59 Hình 2.6. Bốn dạng dao động riêng đầu tiên của kết cấu. ............................. 60 Hình 2.7. Đáp ứng chuyển vị và ứng suất. .................................................... 60 Hình 2.8. Đáp ứng góc xoay y .................................................................... 61 Hình 2.9. Đồ thị chuyển vị kết cấu do nhiệt tĩnh........................................... 61 Hình 2.10. Đáp ứng chuyển vị và ứng suất ................................................... 62 Hình 2.11. Đáp ứng góc xoay y .................................................................. 62 Hình 2.12. Đáp ứng chuyển vị và ứng suất ................................................... 62 Hình 2.13. Đáp ứng góc xoay y. ................................................................. 63 Hình 2.14. Đáp ứng động chuyển vị và ứng suất theo nhiệt độ ..................... 63 Hình 2.15. Đáp ứng động góc xoay y theo nhiệt độ. ................................... 63 Hình 2.16. Đáp ứng động của kết cấu theo chiều dày ................................... 64 Hình 2.17. Panel cầu composite lớp ............................................................. 65 Hình 2.18. Đáp ứng chuyển vị và ứng suất tại điểm (a/2,b/2) ....................... 65 Hình 2.19. Đáp ứng góc xoay y tại điểm (a/2,b/4) ...................................... 65 Hình 2.20. Đáp ứng động của kết cấu ........................................................... 66 Hình 3.1. Mô hình SLCS với các LCS liên kết chốt ..................................... 68 xii Hình 3.2. Mô hình chuyển vị nút trong phần tử 3 lớp 8 nút. ......................... 77 Hình 3.3. Mô hình liên kết chốt trong phần tử 3 lớp. .................................... 77 Hình 3.4. Kiểm tra hội tụ và so sánh kết quả .............................................. 101 Hình 3.5. Panel trụ composite 3 phân lớp ................................................... 103 Hình 3.6. Đáp ứng chuyển vị và ứng suất tại nút chính giữa (a/2,b/2) ........ 103 Hình 3.7. Đáp ứng chuyển vị trượt tương đối tại điểm (a/2,b/4) ................. 104 Hình 3.8. Đáp ứng động góc xoay yt, yc của kết cấu SLCS ..................... 104 Hình 3.9. Đáp ứng động góc xoay yb của kết cấu SLCS............................ 104 Hình 3.10. Đáp ứng động chuyển vị và ứng suất của kết cấu SLCS ........... 106 Hình 3.11. Đáp ứng động chuyển vị trượt tương đối các lớp LCS .............. 106 Hình 3.12. Đáp ứng động góc xoay lớp t và c của kết cấu SLCS ................ 106 Hình 4.1. Các dạng dao động riêng đầu tiên của kết cấu............................. 109 Hình 4.2. Đáp ứng động chuyển vị và ứng suất. ......................................... 112 Hình 4.3. Đáp ứng động góc xoay mặt cắt ngang  xc . ................................ 113 Hình 4.4. Đáp ứng động chuyển vị tương đối của các lớp. ......................... 113 Hình 4.5. Ảnh hưởng tỉ số a/h và R/a đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. . 114 Hình 4.6. Ảnh hưởng tỉ số a/h và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất. . 115 Hình 4.7. Ảnh hưởng tỉ số hc/ht và R/a đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. 116 Hình 4.8. Ảnh hưởng tỉ số hc/ht và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất.117 Hình 4.9. Ảnh hưởng tỉ số a/b và R/a đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. . 117 Hình 4.10. Ảnh hưởng tỉ số a/b và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất.118 Hình 4.11. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et và R/a đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. 119 Hình 4.12. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất. 120 Hình 4.13. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et đến góc xoay  x lớp giữa . ....................... 120 Hình 4.14. Ảnh hưởng tỉ số ks/Et đến chuyển vị trượt tương đối. ................ 121 Hình 4.15. Ảnh hưởng tỉ số Ec/Et đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. ........ 121 Hình 4.16. Ảnh hưởng tỉ số Ec/Et và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất. .122 Hình 4.17. Ảnh hưởng tỉ số Eb/Et đến đáp ứng chuyển vị và ứng suất. ....... 123 Hình 4.18. Ảnh hưởng tỉ số Eb/Et và R/a đến chuyển vị và ứng suất lớn nhất. 124 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhiều loại vật liệu mới ra đời như: vật liệu composite có độ bền cao, vật liệu áp điện (piezoelectric materials) dùng để điều khiển và dập tắt dao động, vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) có khả năng chịu nhiệt tốt… Việc nghiên cứu ứng xử cơ học của các loại vật liệu này đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trên thế giới, thu hút nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu, nhiều công trình đã được công bố, đóng góp to lớn đến việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu mới này vào thực tiễn. Hình 0.1. Chế tạo vỏ composite lớp Kết cấu dạng vỏ được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật, nhờ hình dạng của kết cấu vỏ đa dạng nhằm mục đích tăng cứng cho kết cấu và phù hợp với không gian, đạt tính thẩm mỹ về kiến trúc. Việc tính toán cơ học đối với kết cấu vỏ composite lớp làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo và sử dụng chúng trong thực tế. Qua nghiên cứu các kết quả đã được công bố, tác giả thấy rằng đã có nhiều công trình công bố về ứng xử cơ học của các kết cấu dầm, tấm, vỏ làm bằng vật liệu composite lớp, để làm đầy đủ hơn các nghiên cứu này, giúp định hướng thiết kế và ứng dụng chúng trong thực tế, tác giả tập trung nghiên cứu, tính toán vỏ composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. 2 Bên cạnh các kết cấu composite lớp có các lớp bám dính tuyệt đối với nhau và cơ tính từng lớp khác nhau không nhiều, các kỹ sư cũng tạo ra dạng kết cấu bằng việc ghép nối các loại vật liệu compsosite với nhau thành kết cấu nhiều lớp, mà các lớp này có cơ tính khác nhau rõ rệt để đạt được những mục đích sử dụng. Chẳng hạn, kết cấu thép ghép với bê tông có độ bền cao và khối lượng nhỏ hơn so với bê tông thông thường ... Khi các lớp là vật liệu khác nhau rõ rệt dễ dẫn đến hiện tượng bong tách lớp. Để khắc phục điều này, việc sử dụng chốt (shear connector) để liên kết giữa các lớp là một giải pháp thường được sử dụng. Đây là kết cấu mới xuất hiện trong thực tế, cho phép các lớp có thể trượt đàn hồi với nhau mà vẫn làm việc bình thường, cho phép lắp ghép các kết cấu nhỏ và đơn giản thành kết cấu lớn và phức tạp. Hơn nữa trong lĩnh vực quân sự các kết cấu dạng này có khả năng hạn chế xuyên phá của các tải trọng bom, đạn tốt hơn so với kết cấu liên tục về vật liệu. Loại kết cấu liên kết chốt này như một giải pháp kỹ thuật thay thế keo dán, mang lại hiệu quả cao về khả năng chịu lực. Tuy nhiên, các nghiên cứu đối với kết cấu này còn rất hạn chế, các công trình đã công bố chủ yếu liên quan đến các kết cấu dầm. Hình 0.2. Các công trình xây dựng ở Việt Nam 3 Chốt liên kết các lớp của kết cấu có nhiều dạng khác nhau. Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, kết cấu và dạng tải tác dụng mà lựa chọn loại chốt liên kết phù hợp. Hiện nay, nghiên cứu tính toán cho các loại chốt liên kết cụ thể rất phức tạp, chủ yếu bằng phương pháp thực nghiệm [67] để xác định các đặc trưng cơ học của chốt. a. Mô hình chế tạo kết cấu b. Mộ số dạng chốt liên kết [67] Hình 0.3. Mô hình chế tạo kết cấu và dạng chốt liên kết. Từ những phân tích trên, ta thấy đề tài "Tính toán vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ" có ý nghĩa khoa học và cấp thiết. * Mục đích nghiên cứu: góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán lý thuyết các kết cấu composite khác nhau dưới tác dụng của các dạng tải trọng khác nhau, đáp ứng nhu cầu ứng dụng kết cấu trong thực tiễn. * Đối tượng nghiên cứu: kết cấu vỏ thoải composite lớp và vỏ thoải composite sandwich liên kết chốt, ở dạng vỏ trụ thoải và vỏ thoải hai độ cong, chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. 4 * Phạm vi nghiên cứu: xác định đáp ứng động lực học cho vỏ thoải composite làm việc trong giới hạn đàn hồi tuyến tính. * Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập các quan hệ ứng xử cơ học và thành lập phương trình dao động cho vỏ thoải composite lớp và vỏ thoải composite sandwich có liên kết chốt chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. - Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn (PTHH) và lập chương trình tính, để phân tích động lực học cho kết cấu vỏ thoải composite lớp và vỏ thoải composite sandwich. - Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố nhiệt độ, hình học, vật liệu,... đến phản ứng động của kết cấu chịu đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. Trên cơ sở đó đề xuất các phương án hợp lý trong thiết kế, chế tạo, khai thác, sửa chữa đối với kết cấu loại này trong thực tiễn và trong kỹ thuật. * Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết, sử dụng thêm một số giả thiết, áp dụng phương pháp PTHH để xây dựng thuật toán, lập chương trình tính và khảo sát số một số lớp bài toán. * Cấu trúc của luận án: phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, mục đích, đối tượng, phạm vi, nội dung và cấu trúc của luận án. Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Trình bày tổng quan về vỏ composite lớp và kết cấu composite sandwich có chốt liên kết, các kết quả đạt được từ các công trình đã công bố trong nước và nước ngoài. Trên cơ sở những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, đề xuất mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án. 5 Chương 2: Tính toán vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. Thiết lập các hệ thức cơ bản của vỏ composite lớp theo lý thuyết vỏ thoải, quan hệ ứng xử cơ học của vỏ và các biểu thức thế năng, động năng của vỏ composite lớp, xây dựng thuật toán PTHH tính toán cho vỏ composite lớp chịu tải trọng sóng xung kích trong môi trường nhiệt. Chương 3: Tính toán vỏ thoải composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ. Thiết lập các quan hệ cơ học trong vỏ thoải composite sandwich có chốt liên kết, xây dựng thuật toán PTHH và chương trình máy tính giải phương trình dao động của vỏ composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ, làm cơ sở để khảo sát một số yếu tố đến đáp ứng động của vỏ sandwich có chốt liên kết. Chương 4: Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đáp ứng động vỏ composite sandwich có chốt liên kết. Trên cơ sở chương trình đã lập, khảo sát ảnh hưởng một số thông số kết cấu, vật liệu, độ cứng chống cắt của chốt liên kết... đến đáp ứng động của vỏ và rút ra nhận xét, kết luận có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn. Kết luận Trình bày những kết quả chính, những đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo. Tài liệu tham khảo Phụ lục 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vật liệu composite và các phương pháp tính toán kết cấu composite Trong thực tế, vật liệu composite lớp được sử dụng nhiều dưới các dạng kết cấu khác nhau như dầm, tấm, vỏ nhiều lớp: kết cấu cánh, vỏ máy bay, tàu vũ trụ, vỏ xuồng cao tốc, vách ngăn, bồn chứa nước, khung xương, mái che của các vòm, … trong các công trình quân sự và dân dụng. Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu có bản chất khác nhau, vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng lẻ, dưới góc độ cơ học thì các loại vật liệu thành phần này là đồng chất, đẳng hướng. Tùy thuộc vào tiêu chí phân loại, người ta có thể phân vật liệu composite thành nhiều loại khác nhau. Các kết cấu composite thường gặp là loại composite không phân lớp và composite có phân lớp. Phương pháp nghiên cứu loại composite không phân lớp tương tự như vật liệu đồng nhất nhưng dị hướng, đối với kết cấu composite có phân lớp thì phương pháp nghiên cứu đa dạng hơn. Trong phạm vi nhất định có thể xem kết cấu không phân lớp là trường hợp riêng của kết cấu composite có phân lớp. Đối với vật liệu composite phân lớp, các nghiên cứu cơ học nhìn chung có hai hướng tiếp cận sau : - Hướng thứ nhất: mô hình hóa kết cấu nhiều lớp thành một kết cấu có vật liệu thuần nhất và thực hiện tính toán trên môi trường thuần nhất tương đương hay gọi là lý thuyết đơn lớp tương đương (ESL). Theo hướng này thì vật liệu kết cấu được thuần nhất hóa theo 2 mô hình : mô hình cơ học vi mô (thuần nhất hóa đối với pha vật liệu) và mô hình cơ học vĩ mô (thuần nhất hóa đối với các lớp của kết cấu). 7 Trong mô hình cơ học vĩ mô có một số phương pháp tính toán kết cấu composite nhiều lớp: môđun hiệu quả, độ cứng hiệu quả và tính toán kỹ thuật. Lý thuyết thường dùng cho việc tính mô hình này là lý thuyết tấm cổ điển (CLPT) thích hợp cho kết cấu tấm, vỏ mỏng, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) và lý thuyết biến dạng cắt bậc cao (HSDT) thích hợp cho kết cấu tấm, vỏ dày. Theo mô hình này có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và công bố nhiều công trình với các lớp bài toán khác nhau. - Hướng thứ hai: khảo sát riêng biệt các lớp thoả mãn điều kiện về ứng suất và chuyển vị giữa các lớp, hạn chế các giả thiết đơn giản hóa về cấu trúc của các lớp composite, đòi hỏi sử dụng các phương pháp toán học phức tạp. Theo hướng nghiên cứu này, quá trình tính toán phải thỏa mãn các phương trình lý thuyết đàn hồi trong mỗi lớp cũng như điều kiện liên tục tương ứng trên bề mặt tiếp xúc giữa các lớp. Điều này dẫn đến thành lập một số lượng lớn các phương trình, mức độ phức tạp sẽ tăng lên, gây khó khăn trong việc giải các lớp bài toán, càng khó khăn hơn khi kết cấu là dạng vỏ. Tuy nhiên, khi giải quyết được bài toán thì các kết quả chính xác hơn do mô hình tính toán gần với kết cấu thực hơn. Lý thuyết thường được sử dụng cho việc tính toán mô hình này là tính toán từng lớp theo lý thuyết đơn lớp tương đương (ESL), kết hợp với điều kiện liên tục về chuyển vị và ứng suất tại mặt tiếp xúc, do cơ tính của vật liệu không liên tục tại mặt tiếp xúc nên chỉ thỏa mãn một trong hai điều kiện trên. Nghiên cứu kết cấu composite lớp dựa trên điều kiện liên tục về ứng suất như Panc [100]…, dựa trên điều kiện liên tục về chuyển vị được nhiều nhà khoa học nghiên cứu như Reddy [66]… Với giả thiết điều kiện liên tục về chuyển vị tại mặt tiếp xúc các lớp: + Các lớp bám dính tuyệt đối: thỏa mãn điều kiện chuyển vị dài liên tục nhưng góc xoay các lớp tại mặt tiếp xúc không liên tục. Khi tính toán thường 8 sử dụng lý thuyết composite lớp Layerwise hoặc lý thuyết zig-zag, với kết cấu đủ mỏng có thể xem góc xoay các lớp tại mặt tiếp xúc là liên tục, để tính toán có thể sử dụng nhiều lý thuyết khác nhau như: lý thuyết Kirchhoff, Mindlin. + Các lớp không bám dính tuyệt đối với nhau: chuyển vị các lớp tại mặt tiếp xúc không liên tục, gây nên hiện tượng trượt và tách lớp. Để tính toán sử dụng lý thuyết lớp mỏng ảo tại mặt tiếp xúc, lớp ảo này thỏa mãn điều kiện bám dính tuyệt đối với 2 lớp trượt và tách, đưa bài toán với các lớp không bám dính tuyệt đối trở thành bài toán với các lớp bám dính tuyệt đối. 1.2. Các nghiên cứu kết cấu vỏ composite lớp Vỏ composite lớp được nghiên cứu dưới dạng vỏ mỏng hoặc vỏ dày với nhiều loại lý thuyết áp dụng khác nhau, tùy thuộc yêu cầu của bài toán và khả năng tính toán để kết quả có độ tin cậy và thỏa mãn tính chính xác. + Đối với kết cấu vỏ mỏng composite. Giả thuyết Kirchoff-Love thường được sử dụng để xác định trường chuyển vị. Lúc này biến dạng cắt ngang được bỏ qua nên vỏ càng mỏng thì độ chính xác càng tăng. Vỏ mỏng composite lớp khi sử dụng lý thuyết đơn lớp tương đương, trong trường hợp này các lớp bám dính tuyệt đối với nhau, chuyển vị và góc xoay mặt cắt ngang của vỏ theo chiều dày vỏ là liên tục. Trong nghiên cứu vỏ mỏng composite lớp có độ vồng nhỏ (kết cấu dưới dạng panel), lý thuyết vỏ thoải được quan tâm và sử dụng nhiều hơn, bởi vì các quan hệ cơ học được thể hiện gần như trong kết cấu tấm, tạo thuận lợi trong tính toán và giải quyết được nhiều lớp bài toán khác nhau mà kết quả vẫn đủ chính xác. - Đối với vỏ mỏng composite có độ vồng lớn, lý thuyết vỏ hai độ cong được áp dụng để tính toán. Các quan hệ cơ học trong vỏ trở nên phức tạp hơn, trước hết về mặt toán học vỏ phải thỏa mãn điều kiện Codaxi-Gauss để tồn tại và liên tục bề mặt cong trước biến dạng, sau biến dạng xuất hiện thêm 6 thông