I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tấm Composite Có Gân Gia Cường Hiện Nay
Vật liệu composite với mô đun đàn hồi và độ bền riêng cao, khả năng chống mài mòn tốt đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Kết cấu composite có gân gia cường được ứng dụng nhiều trong công nghiệp hàng không và đóng tàu. Các gân gia cường giúp kết cấu chịu được tải trọng lớn hơn mà không tăng đáng kể khối lượng. Để thiết kế tối ưu cần giải các bài toán cơ học: tính toán chuyển vị, ứng suất, tần số dao động riêng. Luận văn này tập trung vào phân tích tĩnh và động tấm composite lớp có gân gia cường bằng phần tử hữu hạn. Các gân gia cường làm từ vật liệu composite lớp, mặt cắt ngang chữ nhật, chữ T và chữ U, có thể song song trục x, trục y hoặc một góc bất kỳ. Các nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp dải hữu hạn, phương pháp không lưới.
1.1. Ưu điểm của vật liệu composite có gân gia cường
Vật liệu composite sợi carbon có tỷ lệ độ bền trên khối lượng vượt trội so với các vật liệu truyền thống như thép và nhôm. Gia cường bằng sợi carbon giúp tăng đáng kể độ cứng tấm composite và khả năng chịu lực. Ứng dụng tấm composite trong hàng không giảm trọng lượng máy bay, tiết kiệm nhiên liệu. Ứng dụng tấm composite trong ô tô tăng hiệu suất và giảm khí thải. Ứng dụng tấm composite trong xây dựng tạo ra các kết cấu bền vững và nhẹ.
1.2. Thách thức trong phân tích tấm composite có gân
Phân tích tấm composite có gân phức tạp do tính dị hướng của vật liệu. Mô hình hóa tấm composite đòi hỏi số lượng lớn các phần tử hữu hạn, tăng thời gian tính toán. Các phương pháp giải tích khó áp dụng cho hình dạng gân phức tạp. Cần phần mềm mô phỏng tấm composite chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác. Nghiên cứu cần tập trung vào tối ưu hóa hình học gân gia cường để đạt hiệu quả cao nhất.
II. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM Tính Tấm Composite
Luận văn xây dựng thuật toán và lập trình tính Matlab để giải bài toán uốn và dao động tự do cho tấm composite lớp có gân gia cường mặt cắt ngang chữ nhật dựa trên lý thuyết biến dạng cắt ngang bậc nhất. Tấm được mô hình bằng phần tử tứ giác 9 nút, mỗi nút có 5 bậc tự do. Gân được mô hình bằng phần tử dầm 3 nút, mỗi nút có 3 bậc tự do. Gân có thể được đặt song song với trục x, song song với trục y hoặc theo đường chéo của tấm. Cấu hình gân có thể gồm các lớp xếp song song hoặc vuông góc với mặt phẳng tấm.
2.1. Mô hình hóa tấm bằng phần tử tứ giác 9 nút
Phần tử tứ giác 9 nút cho phép mô tả chính xác hơn biến dạng của tấm so với phần tử 4 nút. Mỗi nút có 5 bậc tự do (3 chuyển vị và 2 xoay) giúp mô hình hóa hiện tượng uốn và cắt. Ma trận độ cứng phần tử được tính toán dựa trên lý thuyết biến dạng cắt ngang bậc nhất. Phương pháp này phù hợp cho phân tích FEM tấm composite chịu tải trọng uốn và dao động.
2.2. Mô hình hóa gân bằng phần tử dầm 3 nút
Phần tử dầm 3 nút đơn giản hóa quá trình tính toán so với phần tử vỏ. Mỗi nút có 3 bậc tự do (1 chuyển vị và 2 xoay) mô tả hành vi chịu uốn của gân. Ma trận độ cứng phần tử được tính toán dựa trên lý thuyết dầm Euler-Bernoulli hoặc Timoshenko. Phương pháp này phù hợp cho phân tích FEM gân gia cường có chiều dài lớn so với kích thước mặt cắt ngang.
2.3. Kết nối phần tử tấm và phần tử gân trong mô hình FEM
Việc kết nối các phần tử tấm và phần tử gân đòi hỏi sự chính xác để đảm bảo truyền tải lực và mômen một cách chính xác. Điều kiện tương thích chuyển vị được đảm bảo tại các nút chung giữa tấm và gân. Các phương trình ràng buộc được sử dụng để liên kết các bậc tự do của tấm và gân. Độ chính xác của kết quả FEM phụ thuộc vào việc xây dựng mô hình kết nối tấm-gân chính xác.
III. Ứng Dụng Phần Mềm Ansys Phân Tích Tấm Composite Có Gân
Tần số dao động riêng, độ võng và ứng suất trong tấm composite lớp có mặt cắt gân phức tạp (chữ T, U) được tính toán bằng phần mềm Ansys. Kết quả tính toán cho thấy tấm composite lớp có gân chữ U cứng và bền hơn gân mặt cắt chữ nhật và chữ T. Luận văn đã xây dựng mô hình (hình học và lưới phần tử) để tính tấm-gân với gân có mặt cắt ngang chữ nhật bằng phần tử shell99 và solid46 (phần mềm Ansys).
3.1. So sánh phần tử Shell99 và Solid46 trong Ansys
Phần tử Shell99 là phần tử vỏ lớp, phù hợp cho mô hình hóa tấm mỏng và có thể mô phỏng vật liệu composite. Phần tử Solid46 là phần tử khối, cho phép mô hình hóa chi tiết hơn cấu trúc và sự phân bố ứng suất. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) tấm composite bằng Shell99 nhanh hơn so với Solid46, nhưng độ chính xác có thể thấp hơn. Việc lựa chọn phần tử phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác và thời gian tính toán.
3.2. Đánh giá ảnh hưởng của hình dạng gân đến khả năng chịu lực
Kết quả tính toán cho thấy gân chữ U có khả năng chịu lực tốt hơn so với gân chữ nhật và chữ T. Gân chữ U tạo ra sự phân bố ứng suất đều hơn, giảm nguy cơ tập trung ứng suất. Tối ưu hóa hình học gân là yếu tố quan trọng để tăng cường khả năng chịu lực của tấm composite. Nghiên cứu cần xem xét các yếu tố như chiều cao, chiều rộng và độ dày của gân để đạt hiệu quả tối ưu.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Tính Toán Bàn Đẩy Composite Có Gân Chữ U
Trong phần nghiên cứu ứng dụng, luận văn đã tính toán uốn bàn đẩy mũi tàu đẩy đoàn xà lan tại Đông Triều, Quảng Ninh. Tải trọng tới hạn của bàn đẩy tính theo thuyết bền Tsai-Wu. Kết quả tính toán bằng lập trình tương đồng với kết quả tính bằng Ansys và kết quả của một số tác giả khác. Bàn đẩy mũi tàu được làm từ vật liệu composite polymer.
4.1. Mô tả bài toán và điều kiện biên
Bàn đẩy mũi tàu chịu tải trọng uốn do lực đẩy của tàu. Điều kiện biên được áp đặt bằng cách cố định các cạnh của bàn đẩy. Mục tiêu là xác định ứng suất và biến dạng của bàn đẩy dưới tác dụng của tải trọng. Kết quả tính toán được sử dụng để đánh giá độ bền và độ an toàn của bàn đẩy.
4.2. Đánh giá độ bền của bàn đẩy theo thuyết Tsai Wu
Thuyết bền Tsai-Wu là tiêu chí phá hủy phổ biến cho vật liệu composite. Thuyết này xem xét cả ứng suất kéo, nén và cắt để dự đoán sự phá hủy. Tải trọng tới hạn được xác định khi giá trị của hàm Tsai-Wu đạt đến 1. Phương pháp này cho phép đánh giá độ bền của bàn đẩy dưới tác dụng của tải trọng phức tạp.
V. Phân Tích Dao Động Tự Do Của Tấm Composite Có Gân Gia Cường
Luận văn đã thực hiện phân tích dao động tự do của tấm composite có các loại gân gia cường khác nhau. Kết quả cho thấy sự hiện diện của gân gia cường làm tăng đáng kể tần số dao động riêng của tấm, từ đó cải thiện khả năng chống rung. Tối ưu hóa hình học gân cũng ảnh hưởng đáng kể đến các tần số dao động.
5.1. Ảnh hưởng của hình dạng và kích thước gân đến tần số dao động
Hình dạng và kích thước của gân có ảnh hưởng lớn đến tần số dao động riêng của tấm composite. Gân có chiều cao lớn và độ cứng cao sẽ làm tăng tần số dao động nhiều hơn. Tối ưu hóa hình học gân để đạt được tần số dao động mong muốn là một bài toán quan trọng trong thiết kế.
5.2. So sánh kết quả dao động tự do giữa các loại gân khác nhau
Kết quả so sánh cho thấy gân chữ U mang lại hiệu quả tăng tần số dao động tốt hơn so với gân chữ nhật và gân chữ T. Điều này cho thấy hình dạng gân có vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng chống rung của tấm composite.
VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Tấm Composite
Luận văn đã thành công trong việc xây dựng mô hình và thuật toán tính toán tấm composite lớp có gân gia cường bằng phần tử hữu hạn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và tối ưu hóa các kết cấu composite trong thực tế. Nghiên cứu đã cho thấy tấm composite lớp có gân chữ U cứng và bền hơn gân mặt cắt chữ nhật và chữ T.
6.1. Tổng kết kết quả nghiên cứu và đóng góp
Luận văn đã đóng góp vào việc phát triển các phương pháp phân tích tấm composite có gân gia cường. Các kết quả tính toán có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của các kết cấu composite.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa tấm composite
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hình học gân gia cường bằng các thuật toán tối ưu hóa. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại vật liệu composite mới và các điều kiện tải trọng phức tạp hơn. Việc kết hợp phân tích FEM với thử nghiệm thực tế sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả.
