I. Giới thiệu về vật liệu FGM
Vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM) là một loại vật liệu composite tiên tiến, được phát triển từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều pha vật liệu khác nhau. Sự biến đổi giữa các pha này thường tuân theo một quy luật nhất định, cho phép điều chỉnh tính chất của vật liệu theo yêu cầu sử dụng. Vật liệu FGM có khả năng khắc phục những vấn đề thường gặp ở vật liệu composite truyền thống như hiện tượng bong tách và tập trung ứng suất. Ứng dụng đầu tiên của FGM được thực hiện tại Nhật Bản vào năm 1984, với mục đích chế tạo tấm FGM cho phần mũi máy bay, nơi phải chịu nhiệt độ cao và biến thiên nhiệt độ lớn. Vật liệu này được cấu tạo từ gốm và kim loại, mang lại sự kết hợp hoàn hảo giữa tính kháng nhiệt và độ bền dẻo. Các ứng dụng của FGM hiện nay rất đa dạng, từ ngành hàng không, ô tô đến y học và quang điện tử.
1.1. Tính chất cơ học của vật liệu FGM
Tính chất cơ học của vật liệu FGM được xác định từ cấu trúc không đồng nhất ở cấp độ vi mô. Các mô hình như mô hình hỗn hợp (sơ đồ Voigt) và mô hình Mori-Tanaka thường được sử dụng để phân tích tính chất hiệu dụng của vật liệu. Mô hình Voigt cho phép xác định giới hạn trên và dưới của tính chất đàn hồi hiệu dụng, giúp các nhà thiết kế có thể dự đoán ứng xử của vật liệu trong các điều kiện khác nhau. Các tính chất như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và hệ số giãn nở nhiệt đều phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích của các thành phần trong vật liệu FGM. Điều này cho thấy sự linh hoạt trong việc thiết kế và ứng dụng vật liệu FGM trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
II. Phân tích ứng xử của kết cấu vỏ thoải FGM
Phân tích ứng xử tĩnh và động của kết cấu vỏ thoải FGM hai độ cong trong môi trường nhiệt độ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Việc xây dựng các phương trình chủ đạo và thiết lập nghiệm giải tích cho bài toán này là cần thiết để hiểu rõ hơn về ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ. Các mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng và phân tích ứng xử của vỏ thoải FGM, cho phép khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu, kích thước hình học và điều kiện biên đến độ võng và ứng suất. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong thiết kế và bảo trì các kết cấu làm việc trong môi trường nhiệt độ cao.
2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử của kết cấu
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của vật liệu FGM. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự biến thiên nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định của kết cấu. Việc phân tích ứng suất trong môi trường nhiệt là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các kết cấu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Các phương pháp phân tích như phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp giải tích được áp dụng để xác định ứng suất và biến dạng của vỏ thoải FGM dưới tác động của nhiệt độ. Kết quả từ các nghiên cứu này cung cấp thông tin quý giá cho các kỹ sư trong việc thiết kế và tối ưu hóa kết cấu.
III. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng
Phương pháp nghiên cứu trong luận án này bao gồm cả phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn. Sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) để thiết lập các phương trình chủ đạo cho phân tích tĩnh và động của vỏ thoải FGM. Đồng thời, xây dựng mô hình phần tử hữu hạn và viết chương trình tính toán trên nền tảng Matlab để khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu và điều kiện biên đến ứng xử của kết cấu. Những kết quả thu được từ nghiên cứu này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn, giúp các kỹ sư lựa chọn các thông số kết cấu phù hợp với yêu cầu sử dụng.
3.1. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu
Nghiên cứu về ứng xử của kết cấu vỏ thoải FGM trong môi trường nhiệt có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế các bộ phận máy móc, cấu kiện công trình làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như lò phản ứng hạt nhân, động cơ tên lửa và các bộ phận trong ngành công nghiệp ô tô. Việc hiểu rõ ứng xử của vật liệu FGM dưới tác động của nhiệt độ giúp cải thiện độ bền và độ tin cậy của các kết cấu, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.
