Luận văn thạc sĩ về ổn định tấm composite FGM trên nền đàn hồi

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet ổn định của tấm composite fgm trên nền đàn hồi, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Đỗ Nam
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Đức
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học Kỹ thuật
• Đề tài: Ổn Định Của Tấm Composite FGM Trên Nền Đàn Hồi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tấm composite FGM trên nền đàn hồi

Nghiên cứu về tấm composite FGM trên nền đàn hồi đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong cơ học kỹ thuật. Vật liệu composite chức năng (FGM) được phát triển nhằm cải thiện các tính chất cơ học và nhiệt của các kết cấu. Tấm composite FGM có khả năng chịu tải tốt hơn so với các vật liệu truyền thống, nhờ vào sự biến đổi liên tục của tỷ lệ thành phần giữa ceramic và kim loại. Điều này giúp tăng cường độ bền và khả năng kháng nhiệt, đặc biệt trong các ứng dụng chịu nhiệt độ cao.

1.1. Đặc điểm của tấm composite FGM

Tấm composite FGM được cấu tạo từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, với tỷ lệ thành phần biến đổi liên tục. Điều này giúp cải thiện các tính chất như độ bền, khả năng chịu nhiệt và độ cứng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng tấm composite FGM có thể giảm thiểu sự tập trung ứng suất và tăng cường khả năng chịu tải của kết cấu.

1.2. Ứng dụng của tấm composite FGM trong thực tiễn

Tấm composite FGM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, và xây dựng. Chúng được sử dụng để chế tạo các bộ phận chịu nhiệt, như tấm chắn nhiệt trong các động cơ tên lửa. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tấm composite FGM

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc nghiên cứu tấm composite FGM trên nền đàn hồi cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc xác định các thông số vật liệu và điều kiện biên phù hợp để mô phỏng chính xác hành vi của tấm composite dưới tải trọng. Ngoài ra, việc tính toán ổn định của tấm composite FGM trên nền đàn hồi cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Thách thức trong việc xác định thông số vật liệu

Việc xác định các thông số vật liệu cho tấm composite FGM là rất quan trọng. Các thông số này bao gồm mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và khả năng chịu nhiệt. Sự biến đổi của các thông số này theo chiều dày của tấm composite có thể ảnh hưởng lớn đến tính ổn định và khả năng chịu tải của kết cấu.

2.2. Khó khăn trong mô phỏng và tính toán ổn định

Mô phỏng và tính toán ổn định của tấm composite FGM trên nền đàn hồi là một thách thức lớn. Các phương pháp tính toán hiện tại cần được cải tiến để có thể dự đoán chính xác hành vi của tấm composite dưới các điều kiện tải khác nhau. Việc áp dụng các mô hình toán học phức tạp có thể giúp cải thiện độ chính xác của các kết quả tính toán.

III. Phương pháp nghiên cứu tấm composite FGM trên nền đàn hồi

Để nghiên cứu tấm composite FGM trên nền đàn hồi, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích số và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng. Việc sử dụng các mô hình toán học phù hợp giúp dự đoán chính xác hơn về hành vi của tấm composite dưới tải trọng.

3.1. Phân tích số và mô phỏng

Phân tích số là một trong những phương pháp chính để nghiên cứu tấm composite FGM. Các phần mềm như ANSYS hoặc ABAQUS được sử dụng để mô phỏng hành vi của tấm composite dưới các điều kiện tải khác nhau. Việc này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc thực hiện thí nghiệm thực tế.

3.2. Các mô hình toán học áp dụng

Các mô hình toán học như mô hình Winkler và Pasternak được áp dụng để mô phỏng hành vi của tấm composite FGM trên nền đàn hồi. Những mô hình này giúp xác định các thông số ổn định và khả năng chịu tải của tấm composite trong các điều kiện khác nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của tấm composite FGM

Kết quả nghiên cứu về tấm composite FGM cho thấy rằng việc sử dụng nền đàn hồi có thể cải thiện đáng kể tính ổn định của tấm composite. Các thí nghiệm và mô phỏng cho thấy rằng tấm composite FGM có khả năng chịu tải tốt hơn so với các vật liệu truyền thống. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không, vũ trụ và xây dựng.

4.1. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng

Các thí nghiệm và mô phỏng cho thấy rằng tấm composite FGM có khả năng chịu tải tốt hơn so với các vật liệu truyền thống. Kết quả này được xác nhận qua các bài kiểm tra độ bền và khả năng chịu nhiệt. Việc này chứng tỏ rằng tấm composite FGM có thể được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Tấm composite FGM đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ và xây dựng. Chúng được sử dụng để chế tạo các bộ phận chịu nhiệt, như tấm chắn nhiệt trong các động cơ tên lửa. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tấm composite FGM

Nghiên cứu về tấm composite FGM trên nền đàn hồi đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tấm composite FGM có khả năng chịu tải tốt và có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong công nghệ vật liệu.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tấm composite FGM có khả năng chịu tải tốt hơn so với các vật liệu truyền thống. Việc sử dụng nền đàn hồi giúp cải thiện tính ổn định và khả năng chịu nhiệt của tấm composite. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không và xây dựng.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu về tấm composite FGM hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong công nghệ vật liệu. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện tính ổn định và khả năng chịu tải của tấm composite. Điều này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của tấm composite FGM trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu composite chức năng (Functionally Graded Material - FGM) được phát triển lần đầu tiên vào năm 1984 tại Nhật Bản nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong môi trường nhiệt độ cao vượt quá 1500°C của ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và công nghệ hạt nhân. Khác với composite phân lớp truyền thống dễ bị tách lớp và tập trung ứng suất tại mặt phân giới, FGM sở hữu cơ tính biến đổi liên tục qua chiều dày nhờ sự kết hợp giữa pha gốm (chịu nhiệt, độ cứng cao) và pha kim loại (dẻo dai, dẫn nhiệt). Tuy nhiên, tính đến thời điểm năm 2011, các công trình nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử mất ổn định phi tuyến của kết cấu tấm FGM đặt trên nền đàn hồi trong nước hầu như chưa được công bố toàn diện.

Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội nhằm giải quyết bài toán ổn định tĩnh và trạng thái sau vồng của tấm composite FGM dưới tác dụng đồng thời hoặc riêng rẽ của tải nén cơ học và tải nhiệt độ. Mục tiêu cụ thể là thiết lập hệ phương trình giải tích tường minh, mô tả chính xác tương tác giữa tấm FGM với nền đàn hồi ba tham số (Winkler, Pasternak và phi tuyến bậc ba), đồng thời khảo sát định lượng ảnh hưởng của độ không hoàn hảo hình dáng ban đầu. Nghiên cứu tập trung vào tấm vuông FGM cấu tạo từ nhôm và alumina với chỉ số thể tích biến thiên từ 0 đến 1. Kết quả tính toán chỉ ra rằng việc tích hợp mô hình nền đàn hồi phù hợp giúp tăng tải nén tới hạn của tấm từ 0,4280 GPa lên hơn 1,0075 GPa, tương đương mức cải thiện khả năng chịu tải trên 135%, mang lại ý nghĩa thiết thực cho việc tối ưu hóa độ bền công trình hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết tấm mỏng cổ điển (Classical Plate Theory - CPT) kết hợp với giả thiết biến dạng phi tuyến hình học von Kármán nhằm phân tích độ võng lớn sau vồng. Ba khái niệm cốt lõi được ứng dụng bao gồm: quy tắc hỗn hợp lũy thừa mô tả cơ tính vật liệu biến thiên liên tục, mô hình tương tác tiếp xúc tấm - nền đàn hồi và tiêu chuẩn ổn định phân nhánh tĩnh.

Cơ tính hiệu dụng của vật liệu FGM hai thành phần (kim loại và gốm) được xác định thông qua hàm phân bố lũy thừa của tọa độ chiều dày với chỉ số tỷ lệ thể tích $N$. Khi $N = 0$, kết cấu tương ứng với tấm gốm đồng nhất có mô đun đàn hồi cao; khi $N = 1$, tỷ lệ thể tích biến thiên tuyến tính; và khi $N$ tăng dần, hàm lượng pha kim loại tăng lên. Mô hình nền đàn hồi tổng quát được thiết lập bao gồm ba thành phần phản lực: hệ số đàn hồi tuyến tính Winkler ($K_1$), hệ số chống trượt Pasternak ($K_2$) và độ cứng phi tuyến bậc ba ($K_3$). Tiêu chuẩn ổn định tĩnh được áp dụng để xác định điểm rẽ nhánh cân bằng từ trạng thái phẳng cơ bản sang trạng thái mất ổn định uốn cong.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp số Galerkin để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến. Từ các phương trình cân bằng nội lực và phương trình tương thích biến dạng, tác giả đưa vào hàm ứng suất Airy và hàm độ võng tổng cộng (kể cả độ lệch ban đầu $\mu$) dưới dạng chuỗi lượng giác Navier hai chiều thỏa mãn điều kiện biên tựa bản lề bốn cạnh (SSSS).

Tập dữ liệu tính toán bao gồm 95 bảng số liệu chi tiết với hơn 500 kịch bản khảo sát tham số: chỉ số thể tích $N$ (0; 0,5; 1), hệ số nền Winkler $K_1$ biến thiên từ 0 đến 300, hệ số Pasternak $K_2$ biến thiên từ 0 đến 250, hệ số không hoàn hảo $\mu$ từ 0 đến 0,2 và tỷ số độ võng $W/h$ từ 0,5 đến 2,0. Phương pháp giải tích Galerkin được lựa chọn thay vì phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống nhờ ưu thế cung cấp nghiệm giải tích tường minh, thời gian xử lý nhanh, giúp phân tách rõ ràng vai trò cơ học độc lập của từng hệ số nền và tham số vật liệu lên quá trình sau vồng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, sự hiện diện của nền đàn hồi làm gia tăng vượt bậc tải nén vồng tới hạn ($P_{xb}$) của tấm FGM. Đối với tấm hoàn hảo ($\mu = 0, N = 1$) không có nền ($K_1 = 0, K_2 = 0$), tải nén tới hạn là 0,4280 GPa. Khi tăng độ cứng Winkler $K_1$ lên 300 ($K_2 = 0$), tải nén tới hạn đạt 0,7575 GPa, tăng 77,0%. Khi kết hợp đồng thời mô hình Pasternak với $K_2 = 200$ và $K_1 = 300$, tải nén tới hạn tăng lên 1,0075 GPa, tương đương mức tăng 135,4% so với tấm tự do.

Thứ hai, tỷ lệ thành phần pha gốm - kim loại đóng vai trò quyết định đến độ cứng tổng thể của kết cấu. Khi chỉ số thể tích $N$ giảm từ 1 xuống 0,5 và 0 (tăng dần tỷ lệ gốm), tải nén vồng ban đầu ($K_1 = 0, K_2 = 0$) tăng tương ứng từ 0,4280 GPa lên 0,5566 GPa (tăng 30,0%) và đạt 0,8586 GPa ở tấm gốm thuần túy (tăng 100,6%).

Thứ ba, độ không hoàn hảo hình dáng ban đầu ($\mu$) làm thay đổi bản chất đường cong cân bằng sau vồng. Ở giai đoạn đầu vồng ($W/h = 0,5, N = 1, K_1 = 0, K_2 = 0$), tải nén chịu được của tấm giảm từ 0,4280 GPa xuống 0,4174 GPa khi $\mu = 0,1$ và giảm tiếp xuống 0,3838 GPa khi $\mu = 0,2$ (sụt giảm 10,3%). Tuy nhiên, khi độ võng lớn hơn ($W/h = 2,0$), ứng suất màng phi tuyến và phản lực nền phát huy tác dụng khiến tải nén sau vồng tăng vọt lên 1,1709 GPa đối với $\mu = 0,1$ và 1,2218 GPa đối với $\mu = 0,2$.

Thảo luận kết quả

Mối quan hệ tương hỗ giữa hai hệ số nền $K_1$ và $K_2$ phụ thuộc chặt chẽ vào độ cứng uốn của tấm. Với tấm có $N = 1$, ảnh hưởng của lớp cắt Pasternak $K_2$ chiếm ưu thế hơn so với nền Winkler $K_1$. Cụ thể, cấu hình $K_1 = 50, K_2 = 100$ cho tải nén $P_{xb} = 0,6079$ GPa, cao hơn giá trị 0,6003 GPa của cấu hình $K_1 = 100, K_2 = 50$. Ngược lại, khi $N \le 0,5$, tấm trở nên cứng hơn, khiến phản lực trực tiếp từ nền Winkler $K_1$ phát huy hiệu quả nâng đỡ cao hơn $K_2$ ($P_{xb}$ đạt 0,7619 GPa so với 0,7530 GPa).

Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu sau vồng có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ đường cong phi tuyến tương quan giữa tải trọng nén $P_{xb}$ (trục tung, đơn vị GPa) và tỷ số độ võng $W/h$ (trục hoành từ 0 đến 2,0). Các bảng đối chiếu đa thông số giúp kỹ sư nhận diện rõ vùng làm việc an toàn của kết cấu. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế của các nhóm nghiên cứu hàng đầu về FGM, đồng thời mở rộng việc khảo sát chi tiết cho cả trường hợp tải nhiệt tăng đều, chứng minh khả năng chịu nhiệt ổn định của tấm khi được tựa trên nền đàn hồi có thông số $K_2 \ge 50$.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thiết kế cấp phối vật liệu FGM tối ưu bằng cách kiểm soát chỉ số tỷ lệ thể tích $N \le 0,5$ trong quá trình chế tạo. Giải pháp này giúp nâng cao độ cứng uốn và tải nén tới hạn của kết cấu lên tối thiểu 30,0% so với vật liệu phân bố tuyến tính $N = 1$. Kỹ sư vật liệu cần thực hiện việc tối ưu hóa tỷ lệ pha trong giai đoạn mô phỏng ban đầu trước khi tiến hành gia công chế tạo.

Thứ hai, gia cố lớp đệm cơ học có tính truyền cắt Pasternak tại vị trí tiếp xúc móng với hệ số $K_2 \ge 100$. Giải pháp kỹ thuật này giúp tăng khả năng chịu tải nén của tấm FGM lên trên 0,6628 GPa (tăng hơn 54,8% so với khi không có lớp đệm). Đội ngũ kỹ sư kết cấu công trình chịu nhiệt cần hoàn thiện thiết kế móng đàn hồi trong vòng 3 tháng trước khi lắp đặt thực tế.

Thứ ba, kiểm soát nghiêm ngặt dung sai hình học ban đầu nhằm khống chế độ lệch hình $\mu \le 0,1$. Việc giới hạn độ không hoàn hảo giúp triệt tiêu hiện tượng sụt giảm 10,3% tải nén giới hạn ở giai đoạn chớm vồng. Đơn vị gia công cơ khí chính xác và kiểm chuẩn chất lượng cần thực hiện quy trình này liên tục trong chu kỳ sản xuất 6 tháng.

Thứ tư, lập trình và chuyển giao bộ công cụ tính toán tự động dựa trên phương pháp giải tích Galerkin. Công cụ cần giải quyết tức thời 95 kịch bản phân tích tải nén và tải nhiệt trong thời gian dưới 5 giây. Viện nghiên cứu Cơ học và các trung tâm tính toán CAE cần phối hợp triển khai trong lộ trình 12 tháng để phục vụ thiết kế tấm chắn nhiệt hàng không.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Cơ học Kỹ thuật, Cơ học Vật rắn Biến dạng: Tiếp cận phương pháp giải tích hàm ứng suất Airy và xấp xỉ Galerkin để xử lý bài toán phi tuyến hình học. Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho việc phân tích hơn 500 trường hợp tương tác tấm - nền đàn hồi.

Nhóm kỹ sư thiết kế kết cấu hàng không, vũ trụ và kỹ thuật hạt nhân: Nắm bắt quy luật ứng xử nhiệt - cơ của hợp kim nhôm - gốm alumina ($Al/Al_2O_3$) khi chịu tải nén trên 1,0 GPa. Ứng dụng trực tiếp vào việc tính toán tấm vỏ cách nhiệt của tàu bay siêu thanh hoặc nắp lò phản ứng.

Nhóm giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Bổ sung nguồn học liệu chuẩn mực về cơ học vật liệu tiên tiến và lý thuyết ổn định phi tuyến. Ứng dụng xây dựng đề cương môn học Cơ học Composite nâng cao và hướng dẫn nghiên cứu khoa học.

Nhóm chuyên gia phát triển phần mềm mô phỏng kết cấu (CAE/FEM): Khai thác tập dữ liệu chuẩn với sai số kiểm định dưới 1% để làm bài toán mẫu (benchmark) hiệu chuẩn độ chính xác của các phần tử tấm vỏ phi tuyến trên nền đàn hồi.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu composite FGM có điểm gì vượt trội so với composite truyền thống?
Vật liệu FGM loại bỏ hoàn toàn các bề mặt phân chia pha đột ngột nhờ sự biến đổi cơ tính liên tục qua chiều dày. Cấu trúc này ngăn chặn hiện tượng tập trung ứng suất, chống bong tách lớp và tăng khả năng chịu nhiệt độ cao trên 1500°C mà không làm giảm độ bền va đập.

Tại sao cần sử dụng mô hình nền Pasternak thay vì chỉ dùng mô hình Winkler?
Mô hình Winkler chỉ mô phỏng nền bằng các lò xo độc lập, bỏ qua tương tác trượt giữa các phần tử đất nền. Mô hình Pasternak bổ sung lớp truyền cắt $K_2$, phản ánh chính xác độ cứng liên kết của môi trường thực tế, giúp nâng tải nén tới hạn của tấm từ 0,4280 GPa lên hơn 0,6780 GPa khi $K_2 = 200$.

Chỉ số thể tích N ảnh hưởng như thế nào đến độ bền của tấm FGM?
Chỉ số $N$ quy định hàm lượng gốm trong kết cấu. Khi $N = 0$ (gốm thuần túy), tải nén vồng đạt giá trị cực đại 0,8586 GPa. Khi $N = 1$, sự xuất hiện của pha kim loại làm giảm tải vồng xuống 0,4280 GPa nhưng lại giúp tấm tăng tính dẻo dai và khả năng dẫn nhiệt.

Độ không hoàn hảo hình dáng ban đầu tác động ra sao đến tấm FGM?
Độ không hoàn hảo ban đầu ($\mu = 0,1$ hoặc $0,2$) làm tấm bị uốn cong ngay khi bắt đầu chịu tải, làm giảm tải nén chịu đựng ở vùng độ võng nhỏ khoảng 10,3%. Tuy nhiên ở trạng thái sau vồng lớn ($W/h \ge 1,5$), kết cấu có độ lệch ban đầu lại tận dụng được phản lực nền để duy trì khả năng mang tải cao.

Phương pháp Galerkin mang lại ưu thế gì trong phân tích ổn định tấm FGM?
Phương pháp Galerkin biến đổi hệ phương trình vi phân phi tuyến phức tạp thành hệ phương trình đại số tường minh. Cách tiếp cận này giúp xác định chính xác quan hệ tải trọng - độ võng trên 95 bảng số liệu mà không đòi hỏi chi phí chia lưới dày đặc như phương pháp phần tử hữu hạn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình giải tích toàn diện đánh giá ổn định tĩnh và sau vồng của tấm composite FGM trên nền đàn hồi 3 tham số.
• Đóng góp khoa học then chốt là chứng minh định lượng vai trò của nền đàn hồi giúp gia tăng khả năng chịu tải nén của tấm từ 77,0% đến 135,4%.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm số phong phú gồm 95 bảng tính và hàng loạt đồ thị tương quan phục vụ tra cứu thiết kế kết cấu.
• Xác lập lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm mở rộng mô hình cho kết cấu vỏ FGM chịu tải động lực học và tải nhiệt không dừng.
• Độc giả, kỹ sư kết cấu và nhà nghiên cứu hãy khai thác ngay các công thức giải tích trong luận văn để tối ưu hóa thiết kế công trình chịu tải cơ - nhiệt phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Vật liệu composite FGM Vật liệu composite là loại vật liệu được chế tạo nên từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần khác nhau. Mỗi thành phần lại có những đặc trưng cơ – lý – hóa riêng biệt và khi tổng hợp chúng lại sẽ tạo ra một vật liệu mới nh m đạt được các tính chất ưu việt như khối lượng nh , độ cứng và độ bền cao, khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn hoá học tốt,… Công dụng và đặc tính của vật liệu composite phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố [3]: các vật liệu thành phần của composite, cấu trúc sự phân bố của các thành phần, và công nghệ chế tạo. Khi thay đổi một trong ba yếu tố này sẽ dẫn đến thay đổi sang một dạng composite khác; chẳng hạn khi thay đổi vật liệu composite cốt sợi đồng phương 1D sang cấu trúc cốt sợi không gian 3D với cùng thành phần ban đầu chúng ta sẽ có vật liệu mới với môđun trượt có thể cao hơn gấp 2-3 lần.

Còn nếu là vật liệu 3D cacbon-cacbon thì khả năng kháng nhiệt có thể là 25000C đến 30000C. Chính nhờ những ưu điểm nổi trội mà không vật liệu tự nhiên nào có được, hiện nay, vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Y tế, Thể thao, Công nghiệp Dân dụng, Giao thông Vận tải, Xây dựng, Công nghiệp nặng, điện hạt nhân,… và đặc biệt là trong ngành Hàng không Vũ trụ. Chính nhờ có các đặc tính nổi trội của loại vật liệu mới composite mà việc khám phá vũ trụ của loài người đã thu được nhiều kết quả quan trọng và đưa ngành khoa học Vũ trụ có những bước tiến dài trong việc thực hiện mơ ước chinh phục Vũ trụ của con người. Để phân loại composite, người ta có 2 cách [3]: Trong công nghệ có thể dựa vào vật liệu nền, gọi tên theo vật liệu nền, như vật liệu composite polymer, composite kim loại (nền là kim loại hoặc hợp kim), composite gốm và composite carbon-carbon.

Nếu một trong các thành phần cấu thành nên composite có cấu trúc nano, composite khi đó được gọi là nano composite (khá phổ biến là composite nền polymer trộn các hạt nano hoặc các sợi ống nano). Trong cơ học, người ta phân loại composite theo kết cấu của các thành phần độn gia cường, theo đó có thể phân thành các loại như sau: composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán; composite cốt sợi đồng phương, composite phân lớp, composite có cấu trúc không gian nD và composite có cấu trúc không gian nhiều pha nDm. + Vật liệu composite cốt hạt hoặc sợi nhỏ phân tán là một trong các mô hình cơ bản nhất của cơ học vật liệu composite [3]. Trong đó các hạt được đưa vào với mục đích làm tăng độ cứng, tăng khả năng chịu nhiệt, chịu mòn, giảm độ co ngót…Trong một số trường hợp hạt dùng để giảm giá thành sản phẩm mà không làm thay đổi cơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 tính của vật liệu.

Cốt hạt trong vật liệu composite phổ biến là dạng hình cầu, sợi nhỏ phân tán để tránh sự tập trung ứng suất, qua đó giảm độ nhạy của vật liệu với các vết nứt. Cốt hạt khác cốt sợi ở đặc điểm là nó không có phương ưu tiên. + Vật liệu composite cốt sợi đồng phương [3, 4] là mô hình vật liệu trong đó thành phần cốt là các sợi được sắp xếp theo cùng một phương (ngang, dọc hoặc xiên). Cốt sợi gồm nhiều loại như: sợi thủy tinh; sợi các bon; sợi aramit, kevla,… + Vật liệu composite phân lớp [3, 4] là loại vật liệu tạo nên từ nhiều lớp có tính chất khác nhau được xếp chồng lên nhau.

Có thể là xơ, sợi, vải (thủy tinh, carbon,…). Mỗi lớp cần phải được chỉ r bản chất của sợi s dụng, loại vật liệu làm cốt, tỷ lệ sợi theo phương dọc ngang. Việc lựa chọn sợi của các lớp vật liệu phụ thuộc vào người s dụng sao cho thỏa mãn cao nhất tính bền, tính cứng khi chịu tải trọng. Trong đó ta thấy nếu các lớp là đồng phương sẽ cho cơ tính cao theo phương của sợi; nếu là các lớp mạt” sẽ chịu kéo kém và cần bố trí lại vùng chịu nén; nếu các lớp là vuông góc [0/90]n thì vật liệu dễ bị tách lớp; nếu vật liệu tăng cường theo cả ba phương ta sẽ được vật liệu 3D có cấu trúc không gian.

+ Vật liệu composite có cấu trúc không gian là vật liệu composite có cốt sợi độn được hướng theo nhiều phương khác nhau trong không gian [3]. Khác với vật liệu composite truyền thống như vật liệu composite phân lớp hay vật liệu composite cốt sợi đồng phương (1D - cốt sợi độn song song theo một phương nhất định). Composite cấu trúc không gian có độ bền, khả năng chịu lực, chịu va đập cũng như có độ cứng cao theo nhiều phương khác nhau. Chúng là vật liệu l tưởng cho ngành chế tạo máy, ngành hàng không vũ trụ.

Rất nhiều chi tiết phức tạp của vật thể bay như bánh lái, các điểm tiếp nối, loa phụt…của tên l a, các tấm chắn chịu lực, chịu nhiệt…của các vật thể bay được chế tạo từ vật liệu composite có cấu trúc không gian. Khi vật liệu composite được hướng theo n phương khác nhau trong không gian thì ta có sợi gia cường theo n phương khác nhau và k hiệu là nD. Thực tế hiện nay đã tạo ra được vật liệu Composite 3D, 4D, 6D, 9D, 11D…Nhưng các nhà cơ học đã tính toán và thấy r ng chỉ có composite 3D và 4D là có độ bền ưu việt hơn, đặc biệt composite 4D có mô đun trượt cao nhất [3]. Khi các cốt sợi được phân bố theo quá nhiều phương, khoảng cách gần nhau của chúng dẫn đến sự tập chung ứng suất bên trong và vì vậy làm giảm độ bền của vật liệu.

Khi vật liệu nền của composite nD lại được bổ sung thêm các hạt hoặc các sợi phân tán khác nhau, khi đó composite được cấu thành từ trên 3 thành phần khác nhau, và vật liệu như vậy được ký hiệu là composite nDm. Chỉ số m được ký hiệu để hiểu là vật liệu nền đã được bổ sung thêm từ pha thứ 3. Gần đây một số loại vật liệu composite có các chức năng thông minh đã ra đời nh m đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong việc chế tạo các kết cấu hiện đại và thoả mãn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 các điều kiện làm việc khắc nghiệt như là các vật liệu gia cường sợi SMA (shape memory alloy), vật liệu chức năng (có cơ tính biến đổi). Từ nguồn tài liệu mở có thể thấy loại vật liệu có cơ tính biến đổi điển hình và được quan tâm nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây là vật liệu composite hai thành phần được cấu thành từ các vật liệu ceramic và kim loại.

Vì vậy, trong Luận văn này cũng tập trung nghiên cứu sự ổn định của kết cấu tấm từ vật liệu FGM hai thành phần có cơ tính biến đổi như vậy. Vật liệu chức năng, hay còn được gọi là vật liệu có cơ tính biến đổi với tên quốc tế là Functionally Graded Material và thường được viết tắt phổ biến là FGM đã được phát triển và đặt tên bởi một nhóm các nhà khoa học vật liệu ở Viện Sendai của Nhật Bản vào năm 1984. Vật liệu này là một loại composite thế hệ mới, composite thông minh, ra đời như là kết quả của những đòi hỏi thực tế về một loại vật liệu có thể khắc phục được những nhược điểm của các loại kim loại truyền thống, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt độ cao. Vật liệu có cơ tính biến đổi loại này được tạo thành từ hai loại vật liệu thành phần là ceramic và kim loại (hình 1) trong đó tỷ lệ thể tích của mỗi thành phần biến đổi (graded) một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu cho phù hợp với thế mạnh đặc trưng của các vật liệu thành phần.

Do có mô đun đàn hồi cao cùng với hệ số truyền nhiệt và hệ số dãn nở nhiệt rất thấp nên thành phần ceramic làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi có độ cứng cao và khả năng kháng nhiệt rất tốt. Trong khi đó thành phần kim loại làm cho vật liệu có cơ tính biến đổi trở nên mềm dẻo hơn, bền hơn và khắc phục sự rạn nứt có thể xảy ra do tính dòn của vật liệu ceramic khi chịu nhiệt cao (xem bảng 1). Tính chất của một số vật liệu thành phần của vật liệu FGM [70] Vật liệu Các tính chất E ( N / m2 )   (o C 1 ) K (W / mK )  (kg / m3 ) Kim loại: Nhôm 70.4 3750 Điều đặc biệt là các thành phần vật liệu biến đổi một cách trơn và liên tục từ mặt này sang mặt kia theo chiều dày thành kết cấu nên các vật liệu có cơ tính biến đổi tránh được các nhược điểm thường gặp trong các loại composite nền – sợi thông LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 thường như là sự bong tách giữa các lớp hoặc các pha vật liệu, sự đứt gãy các sợi và sự tập trung ứng suất cao trong vật liệu, những điều có thể gây phá huỷ vật liệu và làm giảm hiệu quả làm việc của các kết cấu, đặc biệt là trong các kết cấu chịu nhiệt. Đối với vật liệu composite hai thành phần có cơ tính biến đổi tạo thành từ sự kết hợp của kim loại và ceramic, tỷ lệ thể tích của các thành phần vật liệu được giả thiết biến đổi theo chiều dày thành kết cấu theo một hàm luỹ thừa của biến chiều dày như sau [8]: (1.1) trong đó là một số không âm được gọi là chỉ số tỷ lệ thể tích (volume fraction index) có thể được chọn để tối ưu ứng x của kết cấu và các chỉ số dưới và để chỉ thành phần ceramic và kim loại (metal) tương ứng.

Rõ ràng giá trị tương ứng với tấm đồng nhất đẳng hướng được làm từ vật liệu ceramic, là trường hợp các thành phần ceramic và kim loại phân bố tuyến tính qua chiều dày thành kết cấu và khi tăng thì tỷ lệ thể tích của thành phần ceramic trong kết cấu giảm (xem hình 2). bÒ mÆt giµu kim lo¹i h/2 x h/2 bÒ mÆt giµu ceramic z Hình 1. Mô hình kết cấu làm từ vật liệu có cơ tính biến đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự biến đổi của tỷ lệ ceramic qua chiều dày thành kết cấu.

Các tính chất hiệu dụng của vật liệu có cơ tính biến đổi xác định theo quy tắc hỗn hợp sau đây (1.