I. Giới thiệu Vật liệu Composite Laminate Ứng dụng Ưu điểm
Ngày nay, nhu cầu sử dụng vật liệu nhẹ, cứng và chịu lực cao ngày càng tăng. Vật liệu Composite Laminate đáp ứng yêu cầu này trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, ô tô,... Vật liệu composite là sự kết hợp của nhiều vật liệu khác nhau, tạo nên tính chất vượt trội. Vật liệu Composite Laminate gồm nhiều lớp liên tục ghép lại, với các lớp sợi và phương của sợi khác nhau. Vật liệu này có khả năng mô phỏng vân gỗ, giả đá, thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ và kỹ thuật trong xây dựng. Một số ứng dụng của Vật liệu Composite Laminate là trần thả, vách ngăn và container văn phòng.
1.1. Cấu tạo và đặc tính cơ bản của Tấm Composite Laminate
Tấm Composite Laminate có hai dạng chính: tấm có góc sợi chéo và tấm có góc sợi xiên. Tấm có góc sợi chéo bao gồm các lớp lamina có cùng chiều dày và thuộc tính vật liệu, nhưng có các trục chính vật liệu hợp với hệ trục tọa độ tổng thể các góc 0° hoặc 90°. Tấm có góc sợi xiên có cấu tạo tương tự, nhưng phương góc sợi của các lớp lamina trong hệ trục tọa độ tổng thể có thể dao động trong khoảng từ 0° đến 90°.
1.2. Ưu điểm nổi bật của Composite Laminate so với vật liệu truyền thống
Vật liệu Composite Laminate vượt trội so với vật liệu truyền thống nhờ khả năng mô phỏng vân gỗ và đá, cùng với ưu điểm kỹ thuật như độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt. Xu hướng sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường cũng thúc đẩy việc ứng dụng Composite Laminate, giảm sự phụ thuộc vào gỗ và đá tự nhiên.
II. Các Lý thuyết Tính toán chính cho Tấm Composite Laminate
Có nhiều lý thuyết tính toán cho tấm composite laminate, chia thành hai mô hình chính: mô hình 2 chiều (lý thuyết một lớp tương đương ESL) và mô hình 3 chiều (lý thuyết nhiều lớp đàn hồi LW). Trong mô hình 2 chiều, có ba lý thuyết phổ biến: lý thuyết tấm laminate cổ điển (CLPT), lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất (FSDT), và lý thuyết biến dạng trượt bậc cao (HSDT). FSDT là lý thuyết phổ biến nhất, trong đó các đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình của tấm sẽ còn thẳng nhưng không còn vuông góc khi chịu uốn. Trong phân tích kết cấu tấm chịu chuyển vị lớn, phân tích ứng xử phi tuyến hình học trở nên quan trọng.
2.1. So sánh các mô hình ESL và LW trong phân tích tấm composite
Mô hình 2 chiều (ESL) dựa trên lý thuyết một lớp tương đương, trong khi mô hình 3 chiều (LW) dựa trên lý thuyết nhiều lớp đàn hồi. ESL đơn giản hóa bài toán bằng cách xem tấm composite như một lớp duy nhất với các tính chất tương đương. LW phức tạp hơn, xem xét từng lớp riêng biệt và sự tương tác giữa chúng.
2.2. Ứng dụng của lý thuyết FSDT trong phân tích ứng xử tấm composite laminate
FSDT là lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất, phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong phân tích ứng xử tấm composite laminate. Trong FSDT, các đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình của tấm sẽ còn thẳng nhưng không còn vuông góc khi chịu uốn, giúp tính toán hiệu ứng cắt ngang.
2.3. Tầm quan trọng của phân tích ứng xử phi tuyến hình học trong kết cấu tấm
Trong phân tích kết cấu tấm chịu chuyển vị lớn, phân tích ứng xử phi tuyến hình học trở nên quan trọng. Dưới tác dụng của tải trọng, chuyển vị của kết cấu được xem là lớn so với vị trí ban đầu, đòi hỏi các phương pháp tính toán hiệu quả và đáng tin cậy.
III. CS MIN3 Phương pháp PTHH Trơn cho Tấm Mindlin
Phát triển các phương pháp số cho kết cấu tấm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Cùng với sự phát triển của máy tính, nhiều phương pháp số đã được phát triển và ứng dụng, trong đó FEM (phương pháp phần tử hữu hạn) được sử dụng rộng rãi nhất. Một vấn đề chính trong phân tích tấm Mindlin là hiện tượng khóa cắt ("shear locking"). Để giải quyết vấn đề này, nhiều phương pháp đã được đề xuất. G.R Liu và Nguyen Thoi Trung đã áp dụng kỹ thuật làm trơn biến dạng của phương pháp không lưới vào FEM, cho ra phương pháp phần tử hữu hạn làm trơn dựa trên phần tử (CS-FEM).
3.1. Hiện tượng khóa cắt và các phương pháp giải quyết trong phân tích tấm Mindlin
Hiện tượng khóa cắt xảy ra khi chiều dày tấm trở nên mỏng và biến dạng cắt không triệt tiêu. Các phương pháp giải quyết bao gồm tích phân suy giảm có chọn lọc, phân tích ổn định và phương pháp biến dạng cắt thay thế.
3.2. Ưu điểm của phương pháp CS FEM trong phân tích kết cấu tấm
CS-FEM sử dụng lưới phần tử hữu hạn tương tự FEM, nhưng dạng yếu và hệ phương trình rời rạc được thành lập dựa trên các miền trơn trong phần tử. Điều này giúp khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống.
3.3. Giới thiệu phần tử tấm Mindlin 3 nút trơn CS MIN3
Nguyễn Thời Trung và cộng sự đã đề xuất phần tử tấm Reissner-Mindlin 3 nút trơn dựa trên phần tử (CS-MIN3) để phân tích tĩnh và dao động tự do của tấm. Mỗi phần tử tam giác được chia thành ba tam giác nhỏ, và kỹ thuật làm trơn biến dạng được sử dụng để làm trơn các biến dạng trên ba tam giác nhỏ.
IV. Tổng quan tình hình Nghiên cứu Ứng xử Tấm Composite
Việc phát triển các phần tử dựa trên FSDT đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau đã được đề xuất. Gần đây, một số mô hình mới cũng đã được đề xuất trong các công trình nghiên cứu. Những nỗ lực này làm cho FSDT thuận tiện và hợp lý hơn trong các ứng dụng thực tế. Về phân tích phi tuyến hình học, các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các phương pháp số để giải quyết bài toán phức tạp này.
4.1. Các nghiên cứu quốc tế về phân tích ứng xử tấm composite laminate
Nhiều nghiên cứu quốc tế tập trung vào việc phát triển các phần tử dựa trên FSDT và áp dụng các phương pháp số để phân tích ứng xử tấm composite laminate trong các điều kiện khác nhau.
4.2. Hướng nghiên cứu về phi tuyến hình học trong tấm composite
Các nghiên cứu về phi tuyến hình học trong tấm composite tập trung vào việc sử dụng các phương pháp số để giải quyết bài toán phức tạp, đặc biệt là khi tấm chịu tải trọng lớn và biến dạng đáng kể.
V. Phân tích số và so sánh kết quả CS MIN3 cho Tấm Composite
Luận văn này trình bày các ví dụ số mô phỏng việc phân tích tấm vuông composite laminate với các điều kiện biên khác nhau. Sử dụng phần tử CS-MIN3, kết quả thu được được so sánh với kết quả từ phần mềm ANSYS và các kết quả tham khảo đã được công bố. Các ví dụ bao gồm tấm vuông composite laminate 4 lớp và 8 lớp với các loại biên khác nhau như biên ngàm và biên gối.
5.1. Đánh giá độ chính xác của CS MIN3 so với ANSYS và các nghiên cứu khác
Phần này so sánh kết quả phân tích bằng CS-MIN3 với kết quả từ phần mềm ANSYS và các nghiên cứu đã được công bố, nhằm đánh giá độ chính xác và tin cậy của phương pháp CS-MIN3.
5.2. Ảnh hưởng của điều kiện biên đến ứng xử của tấm composite laminate
Phân tích sự khác biệt trong ứng xử của tấm composite laminate khi áp dụng các điều kiện biên khác nhau, ví dụ như biên ngàm và biên gối, để hiểu rõ hơn về tác động của điều kiện biên đến kết cấu.
5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hội tụ nghiệm khi sử dụng CS MIN3
Các yếu tố như kích thước phần tử, loại phần tử, tính chất vật liệu và điều kiện biên có thể ảnh hưởng đến sự hội tụ nghiệm. Cần xem xét các yếu tố này để đảm bảo tính chính xác của kết quả phân tích
VI. Kết luận và Kiến nghị cho Nghiên cứu Tấm Composite Tương lai
Luận văn đã trình bày một phương pháp số hiệu quả để phân tích ứng xử phi tuyến hình học của tấm composite laminate. Phần tử CS-MIN3 đã chứng minh khả năng giải quyết bài toán với độ chính xác cao. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc mở rộng phương pháp này cho các loại tấm composite phức tạp hơn và ứng dụng trong thực tế xây dựng.
6.1. Tóm tắt những thành công của luận văn về CS MIN3
Luận văn đã thành công trong việc trình bày phương pháp số hiệu quả để phân tích ứng xử phi tuyến hình học của tấm composite laminate sử dụng phần tử CS-MIN3.
6.2. Hướng phát triển tiềm năng của phân tích tấm composite laminate
Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm mở rộng phương pháp CS-MIN3 cho các loại tấm composite phức tạp hơn, kể đến các yếu tố như hư hỏng vật liệu và ứng dụng trong thiết kế kết cấu thực tế.
