Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xây dựng, hàng không, giao thông nhờ các đặc tính ưu việt như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tốt. Theo ước tính, các kết cấu tấm composite mỏng thường gặp hiện tượng mất ổn định khi chịu tải trọng nén, ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và hiệu quả sử dụng công trình. Vấn đề phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm nâng cao tính chính xác trong thiết kế và dự báo ứng xử cơ học của kết cấu.

Luận văn tập trung nghiên cứu phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite nhiều lớp dạng sợi, sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS để đánh giá ứng xử cơ học dưới tải trọng nén. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tấm composite có cấu trúc lớp với các góc phương sợi khác nhau, mô phỏng các trường hợp tấm có và không có lỗ khoan, áp dụng tải trọng nén tập trung. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2020 tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định lực tới hạn gây mất ổn định phi tuyến, mô phỏng hậu bất ổn định và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu nhằm tăng cường độ an toàn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc giảm chi phí thử nghiệm vật lý, rút ngắn thời gian thiết kế và nâng cao hiệu quả ứng dụng vật liệu composite trong công nghiệp hàng không và xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về vật liệu composite và phân tích bất ổn định phi tuyến của kết cấu tấm:

  • Lý thuyết vật liệu composite lớp: Composite được cấu tạo từ nhiều lớp sợi gia cường định hướng xen kẽ, với vật liệu nền liên kết các lớp. Mối liên hệ chuyển vị – biến dạng theo lý thuyết Kirchhoff-Love được sử dụng để mô tả biến dạng phi tuyến của tấm composite. Quan hệ ứng suất – biến dạng được xác định qua ma trận độ cứng lớp Q, điều chỉnh theo góc phương sợi θ.

  • Lý thuyết ổn định và mất ổn định: Ổn định theo Euler và Liapunov được áp dụng để phân tích trạng thái cân bằng của kết cấu. Mất ổn định được phân loại thành mất ổn định vị trí và mất ổn định dạng cân bằng, với các dạng phổ biến như nén đúng tâm, biến dạng đối xứng và uốn phẳng.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp số này được sử dụng để giải các bài toán phi tuyến phức tạp, trong đó ma trận độ cứng phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và biến dạng. Thuật toán Newton-Raphson được áp dụng để giải các phương trình phi tuyến, đảm bảo hội tụ lời giải.

  • Phân tích bất ổn định phi tuyến và hậu bất ổn định: Phân tích tĩnh phi tuyến với tải tăng dần được thực hiện để xác định tải trọng tới hạn và mô phỏng quá trình hậu bất ổn định, bao gồm các yếu tố như không hoàn hảo hình học và tải gây nhiễu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng số trên phần mềm ANSYS, sử dụng mô hình tấm composite nhiều lớp với các thông số vật liệu thực tế như mô đun đàn hồi EL = 18.6×10^6 psi, mô đun trượt GLT = 0.832×10^6 psi, độ dày tổng 0.12 in.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần tử SHELL181 trong ANSYS để mô hình hóa kết cấu tấm composite. Phân tích được thực hiện theo hai bước: phân tích bất ổn định tuyến tính để xác định các mode bất ổn định đầu tiên và phân tích phi tuyến để mô phỏng sự phát triển của bất ổn định và hậu bất ổn định.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình CAD, chia lưới phần tử, thiết lập điều kiện biên và tải trọng, thực hiện phân tích tuyến tính và phi tuyến, tổng hợp kết quả và đề xuất giải pháp. Mỗi bước được thực hiện tuần tự trong năm 2020.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tính toán được xây dựng với kích thước tấm 9.5 in vuông, có lỗ tròn bán kính 1.5 in, bố trí 12 lớp sợi với góc phương sợi thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến lực tới hạn. Các điểm quan trọng A, B, C trên tấm được chọn để theo dõi chuyển vị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lực tới hạn bất ổn định tuyến tính và phi tuyến: Kết quả phân tích tuyến tính cho thấy lực tới hạn mode 1 là khoảng 6.119 lb, trong khi phân tích phi tuyến với sự không hoàn hảo hình học cho lực tới hạn giảm còn khoảng 5.000 lb, thấp hơn 18% so với giá trị tuyến tính. Điều này chứng tỏ ảnh hưởng rõ rệt của các yếu tố phi tuyến và không hoàn hảo đến khả năng chịu tải của tấm composite.

  2. Ảnh hưởng góc phương sợi đến lực tới hạn: Khi góc phương sợi α thay đổi trong khoảng 15° đến 60°, lực tới hạn Pcr dao động trong khoảng 5.14 lb đến 6.16 lb. Đặc biệt, khi α nằm trong khoảng 20° đến 45°, lực tới hạn có xu hướng tăng lên, đạt giá trị lớn nhất tại α = 36°, với lực tới hạn cao nhất trong các trường hợp khảo sát.

  3. Chuyển vị và dạng biến dạng bất ổn định: Mô phỏng phi tuyến cho thấy tấm composite bị biến dạng lớn với dạng cong tương tự mode 1 của phân tích tuyến tính, tuy nhiên chuyển vị tại các điểm A, B, C lớn hơn do sự không hoàn hảo hình học. Đồ thị lực – chuyển vị thể hiện rõ hai giai đoạn bất ổn định phi tuyến và hậu bất ổn định, với độ cứng tiếp tuyến giảm dần khi tải trọng tăng.

  4. Ảnh hưởng của lỗ khoan trên tấm composite: Mô hình tấm có lỗ khoan cho thấy lực tới hạn thấp hơn so với tấm không có lỗ, do sự tập trung ứng suất quanh vùng lỗ làm giảm khả năng chịu tải. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế và bố trí lỗ khoan hợp lý trong kết cấu composite.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lực tới hạn phi tuyến thấp hơn so với tuyến tính là do sự xuất hiện của các yếu tố không hoàn hảo hình học và tải gây nhiễu, làm giảm độ ổn định của kết cấu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm mô phỏng cho trường hợp tấm nhiều lớp tại Việt Nam.

Ảnh hưởng của góc phương sợi đến lực tới hạn phản ánh tính bất đẳng hướng của vật liệu composite, khi sự định hướng sợi ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ cứng của tấm. Việc xác định góc phương sợi tối ưu giúp tăng cường hiệu quả thiết kế kết cấu composite trong thực tế.

Dữ liệu chuyển vị và đồ thị lực – chuyển vị có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng đường cong tải – chuyển vị tại các điểm quan trọng, giúp trực quan hóa quá trình mất ổn định và hậu bất ổn định. So sánh giữa tấm có và không có lỗ khoan cũng có thể được minh họa bằng bảng số liệu lực tới hạn và chuyển vị tương ứng.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng phần mềm mô phỏng để dự báo chính xác hơn hành vi cơ học của kết cấu composite, giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm vật lý, đồng thời nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong thiết kế công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa góc phương sợi trong thiết kế tấm composite: Khuyến nghị các nhà thiết kế lựa chọn góc phương sợi trong khoảng 20° đến 45°, ưu tiên góc 36° để đạt lực tới hạn tối đa, nâng cao khả năng chịu tải và độ ổn định của kết cấu. Thời gian áp dụng: trong các dự án thiết kế mới; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu.

  2. Áp dụng mô phỏng phi tuyến bằng phần mềm ANSYS trong quy trình thiết kế: Khuyến khích sử dụng phân tích bất ổn định phi tuyến và mô phỏng hậu bất ổn định để đánh giá chính xác hơn hành vi kết cấu, giảm thiểu sai số do giả định tuyến tính. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển, kỹ sư phân tích kết cấu.

  3. Kiểm soát và giảm thiểu không hoàn hảo hình học trong sản xuất: Đề xuất áp dụng các tiêu chuẩn kiểm soát dung sai sản xuất nhằm giảm thiểu các không hoàn hảo hình học, từ đó nâng cao lực tới hạn và độ bền của tấm composite. Thời gian áp dụng: trong quy trình sản xuất; Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất vật liệu composite.

  4. Thiết kế hợp lý vị trí và kích thước lỗ khoan trên tấm composite: Khuyến nghị nghiên cứu kỹ lưỡng ảnh hưởng của lỗ khoan đến lực tới hạn, tránh bố trí lỗ tại các vùng chịu tải trọng cao hoặc tăng cường gia cố vùng lỗ để giảm tập trung ứng suất. Thời gian áp dụng: trong thiết kế và gia công; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu composite: Nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của góc phương sợi và các yếu tố phi tuyến đến độ ổn định tấm composite, từ đó tối ưu hóa thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích bất ổn định phi tuyến, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu sâu hơn về vật liệu composite và ứng dụng phần mềm mô phỏng.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm vật liệu composite: Thông tin về ảnh hưởng của cấu trúc lớp, không hoàn hảo hình học và tải trọng đến tính năng cơ học giúp cải tiến quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật xây dựng, cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp phần tử hữu hạn, phân tích phi tuyến và mô phỏng kết cấu composite, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân tích bất ổn định phi tuyến khác gì so với phân tích tuyến tính?
    Phân tích phi tuyến xem xét các yếu tố như không hoàn hảo hình học, biến dạng lớn và tải gây nhiễu, cho kết quả chính xác hơn trong dự báo tải tới hạn và hành vi hậu bất ổn định, trong khi phân tích tuyến tính chỉ dựa trên giả định nhỏ và không hoàn hảo.

  2. Tại sao góc phương sợi ảnh hưởng đến lực tới hạn của tấm composite?
    Góc phương sợi quyết định hướng chịu lực chính của vật liệu composite, ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu tải. Góc phù hợp giúp tối ưu hóa phân bố ứng suất và tăng lực tới hạn.

  3. Làm thế nào để mô phỏng không hoàn hảo hình học trong ANSYS?
    Không hoàn hảo hình học được mô phỏng bằng cách thêm biến dạng hình sin nhỏ với biên độ khoảng 10% độ dày tấm, tạo điều kiện cho sự khởi đầu của bất ổn định phi tuyến trong mô hình.

  4. Phần tử SHELL181 có ưu điểm gì trong mô phỏng tấm composite?
    SHELL181 phù hợp cho kết cấu vỏ mỏng đến vừa, có 6 bậc tự do mỗi nút, hỗ trợ phân tích phi tuyến với biến dạng lớn và xoay lớn, giúp mô phỏng chính xác ứng xử cơ học của tấm composite nhiều lớp.

  5. Ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu này là gì?
    Kết quả giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm vật lý, nâng cao độ an toàn và hiệu quả thiết kế kết cấu composite trong hàng không, xây dựng và các ngành công nghiệp khác, đồng thời hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite nhiều lớp bằng phần mềm ANSYS, xác định lực tới hạn và mô phỏng hậu bất ổn định với các góc phương sợi khác nhau.
  • Kết quả cho thấy lực tới hạn phi tuyến thấp hơn khoảng 18% so với phân tích tuyến tính do ảnh hưởng của không hoàn hảo hình học và tải gây nhiễu.
  • Góc phương sợi ảnh hưởng rõ rệt đến lực tới hạn, với giá trị tối ưu tại khoảng 36°, giúp nâng cao độ ổn định của tấm composite.
  • Mô hình tấm có lỗ khoan cho thấy lực tới hạn giảm do tập trung ứng suất, nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế lỗ khoan hợp lý.
  • Đề xuất áp dụng mô phỏng phi tuyến trong thiết kế, kiểm soát không hoàn hảo hình học và tối ưu hóa cấu trúc lớp để nâng cao hiệu quả và an toàn kết cấu composite.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu với các loại tải trọng khác, vật liệu composite đa dạng hơn và thử nghiệm thực tế để xác nhận mô phỏng. Khuyến khích áp dụng kết quả vào thiết kế công nghiệp.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng phương pháp phân tích phi tuyến và mô phỏng hậu bất ổn định trong thiết kế và phát triển vật liệu composite nhằm nâng cao chất lượng và độ an toàn công trình.