Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Bất Ổn Định Phi Tuyến Trong Tấm Composite

Khám phá luận văn thạc sĩ về phân tích bất ổn định phi tuyến tấm composite, ứng dụng và phương pháp nghiên cứu trong kỹ thuật vật liệu.

• Tác giả: Lương Minh Giang
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Nguyên
• Trường học: Trường Đại Học Kinh Tế Công Nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Phân Tích Bất Ổn Định Phi Tuyến Tấm Composite
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Long An

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm về vật liệu composite
• 1.2. Phân loại composite theo cấu trúc vật liệu gia cường
• 1.3. Vai trò của các vật liệu thành phần
• 1.4. Vai trò của vật liệu gia cường
• 1.5. Vai trò của vật liệu nền
• 1.6. Khái niệm về ổn định và mất ổn định
• 1.7. Khái niệm ổn định theo Euler
• 1.8. Các dạng mất ổn định
• 1.9. Khái niệm ổn định theo Liapunov
• 1.10. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
• 1.11. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.12. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.13. Lý do chọn đề tài
• 1.14. Lợi ích của đề tài
• 1.15. Lợi ích khoa học
• 1.16. Lợi ích thực tiễn
• 1.17. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.18. Mục tiêu tổng quát
• 1.19. Mục tiêu cụ thể
• 1.20. Đối tượng nghiên cứu
• 1.21. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phương trình tổng quát của tấm composite
• 2.2. Mối liên hệ chuyển vị – biến dạng của tấm composite lớp
• 2.3. Quan hệ ứng suất biến dạng của tấm composite lớp
• 2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán ổn định tấm
• 2.5. Bài toán phi tuyến trong phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.6. Phân tích bất ổn định phi tuyến
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
• 3.1. Giới thiệu ANSYS
• 3.2. Phần tử SHELL181 trong ANSYS
• 3.3. Mô hình tính toán
• 3.4. Phân tích bất ổn định bài toán tấm có lỗ
• 3.5. Phân tích bất ổn định bài toán tấm không có lỗ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Ưu điểm của luận văn
• 4.2. Khuyết điểm của luận văn
• 4.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu 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. 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. Ở Ấn Độ, Hy Lạp và các nước khác, rơm hoặc trấu được trộn với đất sét để làm nhà cách đây hàng trăm năm là loại composite sợi ngắn. 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 chất vật lý như tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chảy mềm), tính chất điện (độ dẫn điện, tổn thất điện môi…), tính chất quang học, tính cách âm… Luan van 2 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 tổ hợp hay còn gọi là vật liệu composite. Vật liệu composite được xem là vật liệu cấu tạo bởi hai hay nhiều thành phần gồm một hay nhiều loại vật liệu gia cường (gián đoạn) phân bố trong thành phần vật liệu nền, liên tục. Vật liệu composite phổ biến gồm hai thành phần chính: Vật liệu gia cường (reinforcing material) và vật liệu nền (matrix) Hình 1.

1 Mô hình vật liệu composite Vật liệu nền đóng vai trò liên kết các vật liệu gia cường rời rạc tạo nên một sản phẩm liên tục. Dưới tác dụng ngoại lực, vật liệu gia cường là thành phần chính chịu tải trọng vì nó thường có tính chất cơ lý cao hơn vật liệu nền. Ngược lại, vật liệu nền thường có độ bền, độ cứng thấp hơn và dẻo dai hơn vật liệu gia cường. Dưới tác dụng ngoại lực vật liệu nền có vai trò chuyển ứng suất sang vật liệu gia cường.

Ngoài ra, vật liệu nền còn đóng vai trò chính trong việc bảo vệ composite khỏi sự tấn công của môi trường, hóa chất đồng thời đóng vai trò quyết định đến độ bền nhiệt, khả năng gia công… của vật liệu composite. 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 cốt sợi), composite gia cường hạt (composite cốt hạt) và composite cấu trúc. Luan van 3 a) Composite gia cường sợi 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. Nói chung, mục đích thiết kế FRC nhằm tạo sản phẩm có modul riêng (modul/khối lượng riêng) và độ bền riêng (độ bền/khối lượng riêng) cao.

Các sợi trong composite có thể được phân bố ngẫu nhiên hoặc có sự định hướng nhất định. Tùy thuộc vào tỉ số chiều dài (l)/đường kính (d) mà composite cốt sợi được phân thành composite sợi liên tục (sợi dài) và composite sợi gián đoạn (sợi ngắn). Composite sợi dài: là composite có tỉ số l/d của sợi tối thiểu là 200. Ngược lại, khi composite có có l/d của sợi nhỏ hơn 200 được xem là composite sợi ngắn.

Composite sợi dài (a) và sợi ngắn (b) Trong composite gia cường sợi, hiệu quả gia cường và khả năng điều chỉnh sự sắp xếp của sợi ngắn kém hơn sợi dài. Sự sắp xếp của sợi ngắn thường kém chặt chẽ hơn nên hàm lượng sợi trong composite sợi ngắn thường thấp hơn trong composite sợi dài. Tuy nhiên, tính chất bất đẳng hướng của composite sợi ngắn bé hơn so với composite sợi dài. b) Composite gia cường hạt Composite gia cường hạt (Particulate reinforced composite): là composite được gia cường bởi các hạt với các hình dạng (hình cầu, que, vảy.) và cỡ kích khác nhau như bột gỗ, than đen, talc, cao lanh, vảy mica, sắt, đồng, nhôm… Luan van 4 Các vật liệu gia cường hạt có kích cỡ macro, micro hoặc nano và thường có độ cứng cao hơn vật liệu nền.

Một số vật liệu gia cường dạng hạt có thể cải thiện các tính chất của composite như giảm co ngót, chống chảy, kháng mài mòn, chịu nhiệt… Tuy nhiên, khả năng cải thiện tính chất cơ lý của vật liệu gia cường dạng hạt thường bé hơn rất nhiều so với vật liệu gia cường dạng sợi và phụ thuộc rất nhiều vào kết dính tại bề mặt ranh giới phân chia pha. Chính vì vậy, vật liệu composite hạt thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu về độ bền không cao. Trong nhiều trường hợp các hạt được sử dụng trong chế tạo composite nhằm mục đích giảm giá thành và tăng độ cứng sản phẩm. c) Composite cấu trúc Composite cấu trúc gồm 2 loại chính: composite dạng lớp (laminate) và sandwich panel.

Composite dạng lớp: được tạo thành từ các lớp cơ sở, lớp thứ nhất là lớp chịu lực (thường là các composite cốt sợi đơn hướng) và lớp thứ hai đóng vai trò liên kết (thường là vật liệu đồng nhất) hoặc có thể được tạo thành từ cùng một loại vật liệu (thường là các composite cốt sợi đơn hướng), gồm nhiều lớp sắp xếp đổi hướng các lớp cho phù hợp yêu cầu thiết kế rồi ép lại sẽ thu được các bán thành phẩm dạng tấm dùng trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay… Hình 1. Composite dạng lớp Sandwich panel: Cấu tạo gồm hai lớp mặt, là vật liệu có độ bền và cứng cao như tấm cấu trúc composite dạng lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan… và lớp lõi ở giữa, là vật liệu nhẹ, có độ bền và độ cứng tương đối bé. Lớp lõi có tác dụng duy trì khoảng cách giữa hai tấm mặt và giảm biến dạng theo chiều vuông góc mặt tấm, tạo độ cứng nhất định, tránh hiện tượng cong vênh tấm. Lớp lõi thường làm bằng: polymer bọt, cao su nhân tạo, gỗ nhẹ, vật liệu dạng tổ ong.

Composite loại này được ứng dụng rất rộng Luan van 5 rãi: trần, sàn, tường trong xây dựng nhà cửa, làm vỏ thân cánh và đuôi các loại máy bay… Hình 1. Vai trò của các vật liệu thành phần 1. Vai trò của vật liệu gia cường Vật liệu gia cường thường đóng những vai trò chính sau: • Chịu tải trọng tác dụng lên vật liệu composite (đến 70 ÷ 90% tải trọng) nên tính chất cơ lý của vật liệu gia cường thường cao hơn so với vật liệu nền. • Tạo độ cứng, độ bền, ổn định nhiệt và các tính chất cấu trúc khác của composite.

• Tạo cho sản phẩm có tính cách điện hoặc dẫn điện tùy thuộc vào loại vật liệu gia cường. Vai trò của vật liệu nền Vật liệu nền thường chiếm 30 ÷ 40% thể tích của composite, nó đóng những vai trò chính sau: • Liên kết các vật liệu gia cường lại với nhau. • Phân bố tải trọng tác dụng lên vật liệu composite bằng cách truyền tải trọng sang vật liệu gia cường. • Bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của hóa chất và hơi ẩm.

• Bảo vệ bề mặt sợi khỏi bị phá hủy cơ học (do mài mòn…). • Tạo vẽ thẩm mỹ cho sản phẩm. • Ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu, độ dẻo dai, độ bền nhiệt, khả năng gia công… của composite. Ví dụ vật liệu nền dẻo dai sẽ tăng độ dẻo dai cho Luan van 6 sản phẩm.

Đối với những ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao nên lựa chọn vật liệu nền là polymer nhiệt dẻo. • Ngoài ra, mô hình phá hủy của composite bị ảnh hưởng nhiều bởi loại vật liệu nền cũng như tính tương thích với vật liệu gia cường. Khái niệm về ổn định và mất ổn định Hiện nay có hai quan điểm về ổn định: Quan niệm về ổn định tĩnh của Euler và ổn định về chuyển động của Liapunov. Khái niệm ổn định theo Euler Theo Euler: Trong lĩnh vực công trình, ổn định là tính chất của công trình có khả năng giữ được vị trí ban đầu hoặc dạng cân bằng ban đầu trong trạng thái biến dạng tương ứng với các tải trong tác dụng.

Tính chất của ổn định công trình thường có giới hạn khi tăng lực tác dụng lên công trình. Khi tính chất đó mất đi, công trình không đủ khả năng chịu đựng tải trọng. Lúc này, công trình được gọi là không ổn định. Như vậy vị trí của công trình hay dạng cân bằng của công trình ở trạng thái biến dạng có khả năng ổn định hoặc không ổn định.

Vị trí của công trình hay dạng cân bằng của công trình ở trạng thái biến dạng được gọi là ổn định, nếu sau khi gây cho công trình một độ lệch rất nhỏ khỏi vị trí ban đầu hoặc khỏi dạng cân bằng ban đầu bằng một nguyên nhân nào đó, rồi bỏ nguyên nhân đó đi, thì công trình có khuynh hướng quay trở về trạng thái ban đầu.