I. Tổng quan
Tấm và vỏ làm bằng vật liệu composite là kết cấu có nhiều ưu điểm nổi trội và được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực quan trọng như giao thông, cơ khí, xây dựng, hàng không, không gian. Trong thực tế, các kết cấu tấm và vỏ composite thường mỏng nên có thể xảy ra hiện tượng mất ổn định. Do vậy, vấn đề ổn định của kết cấu tấm và vỏ composite đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết và đạt được một số kết quả đáng kể qua các bài toán bất ổn định tĩnh học, bất ổn định phi tuyến. Vấn đề phân tích bất ổn định phi tuyến tấm composite được chú ý nhiều trong các ngành kỹ thuật hàng không và vũ trụ và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc khai thác được nhiều ưu điểm của kết cấu composite. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu về bất ổn định phi tuyến của các kết cấu tấm composite vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài phân tích bất ổn định phi tuyến tấm composite nhằm đóng góp vào ngành khoa học composite ở Việt Nam sao cho ngày càng phát triển.
1.1 Khái niệm về vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau về hình dạng hoặc thành phần hóa học nhằm tạo nên một vật liệu mới có tính năng vượt trội so với từng vật liệu thành phần. Nhiều vật liệu có nguồn gốc tự nhiên là composite. Ví dụ gỗ là một composite gồm những sợi cellulose trong nền liên kết là lignin, hoặc xương bền và nhẹ được hình thành do sự kết hợp của các tinh thể apatite (một hợp chất của canxi) và những sợi protein collagen. Sự tổ hợp hai hay nhiều vật liệu khác nhau trong composite nhằm tạo nên một sản phẩm với các tính chất tối ưu, bao gồm tính chất cơ học, tính chất hóa học và tính chất vật lý như tính chất nhiệt, tính chất điện, tính chất quang học, tính cách âm. Từ những năm 1960, xuất hiện nhu cầu ngày càng tăng về các vật liệu yêu cầu cứng và nhẹ hơn. Tuy nhiên, không có một vật liệu đơn nào (monolithic material) có thể đáp ứng được yêu cầu đó. Xuất phát từ nhu cầu đó, ý tưởng chế tạo vật liệu kết hợp từ một số vật liệu khác nhau ra đời và tạo nên một loại vật liệu mới đó là vật liệu composite.
1.2 Phân loại composite theo cấu trúc vật liệu gia cường
Dựa vào cấu trúc vật liệu gia cường, composite được phân thành 3 nhóm chính: composite gia cường sợi, composite gia cường hạt và composite cấu trúc. Composite gia cường sợi (fibre reinforced composite – FRC) là composite có vật liệu gia cường ở dạng sợi, ví dụ như composite sợi thủy tinh, composite sợi tự nhiên. Trong hệ composite này, sợi chịu tải trọng chính, vật liệu nền chỉ đóng vai trò phân bố tải trọng và truyền tải trọng sang sợi cũng như liên kết các sợi lại với nhau. Mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng và độ bền riêng cao. Các sợi trong composite có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có sự định hướng nhất định. Composite gia cường hạt là composite được gia cường bởi các hạt với các hình dạng và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, talc. Composite cấu trúc gồm 2 loại chính: composite dạng lớp và sandwich panel. Composite dạng lớp được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết.
II. Cơ sở lý thuyết
Phương trình tổng quát của tấm composite được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học vật rắn. Mối liên hệ chuyển vị – biến dạng của tấm composite lớp được mô tả thông qua các phương trình ứng suất biến dạng. Phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán ổn định tấm là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong phân tích bất ổn định phi tuyến. Bài toán phi tuyến trong phương pháp phần tử hữu hạn thường gặp phải những thách thức lớn trong việc xác định các trạng thái tới hạn. Phân tích bất ổn định phi tuyến là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, giúp hiểu rõ hơn về hành vi của tấm composite dưới tác động của tải trọng. Việc áp dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và đưa ra các kết quả chính xác hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc phân tích bất ổn định phi tuyến có thể giúp cải thiện thiết kế và tăng cường độ bền của các kết cấu composite.
2.1 Phương trình tổng quát của tấm composite
Phương trình tổng quát của tấm composite được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học vật rắn. Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong tấm composite, từ đó giúp xác định các trạng thái ổn định và không ổn định của kết cấu. Việc hiểu rõ các phương trình này là rất quan trọng trong việc phân tích bất ổn định phi tuyến. Các yếu tố như độ dày, hình dạng và vật liệu của tấm composite đều ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Do đó, việc lựa chọn đúng phương trình và điều kiện biên là rất cần thiết để đạt được kết quả chính xác. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển và áp dụng các phương trình này trong phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite.
2.2 Mối liên hệ chuyển vị biến dạng của tấm composite lớp
Mối liên hệ giữa chuyển vị và biến dạng của tấm composite lớp được mô tả thông qua các phương trình ứng suất biến dạng. Các phương trình này cho phép xác định cách mà tấm composite phản ứng dưới tác động của tải trọng. Việc phân tích mối liên hệ này là rất quan trọng trong việc hiểu rõ hành vi của tấm composite trong các tình huống khác nhau. Các yếu tố như độ dày, hình dạng và vật liệu của tấm composite đều ảnh hưởng đến mối liên hệ này. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển và áp dụng các phương trình này trong phân tích bất ổn định phi tuyến của tấm composite.
