I. Tổng quan tình hình nghiên cứu về vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu hỗn hợp được hình thành từ hai hay nhiều loại vật liệu thành phần. Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Ngành khoa học vật liệu composite được hình thành gắn liền với sự phát triển trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Ở Việt Nam, vật liệu này chỉ được du nhập vào những năm 1980. Hiện nay với nhu cầu cao về phát triển cơ sở hạ tầng như cầu đường, công trình năng lượng, các khu đô thị mới., nhu cầu các loại vật liệu có những tính chất ưu việt hơn so với vật liệu truyền thống về độ bền của vật liệu, giá cả, khả năng thân thiện môi trường, chịu được nhiệt độ cao lên đến 3000oC,… chỉ có composite mới đáp ứng đầy đủ. Vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.
1.1. Ứng dụng của vật liệu composite trong xây dựng
Một số các sản phẩm trong ngành xây dựng được tạo ra từ vật liệu composite như: hệ thống lan can, cầu thang, xà gồ, dầm chịu lực, cốt pha, mái che, các công trình cầu cảng, công trình thủy lợi.; trong ngành hàng hải như: vỏ tàu làm bằng vật liệu composite …; trong lĩnh vực quân sự như: vỏ máy bay, tên lửa;
1.2. Phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite có thể được phân loại dựa trên loại vật liệu thành phần: vật liệu composite thành phần cốt sợi (Hình 1.4a), vật liệu composite thành phần cốt hạt (Hình 1.4b). Composite cốt sợi: là composite được gia cường bởi sợi, nó có độ bền và mođun đàn hồi cao. Ví dụ: composite sợi thuỷ tinh, cacbon, … Composite cốt hạt: là composite được gia cường bởi các hạt với các dạng và cỡ kích khác nhau (Bê tông, gỗ ép, … Một số cốt hạt như: vảy mica, hạt cao lanh, CaCO3, bột hoặc vảy sắt, đồng, nhôm, bột gỗ,.
II. Tổng quan tình hình nghiên cứu về dầm composite
Khả năng ứng dụng rộng rãi vật liệu và kết cấu composite dưới dạng kết cấu dầm trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau đã dẫn đến sự phát triển nhiều lý thuyết dầm khác nhau nhằm dự báo một cách hợp lý ứng xuất của loại kết cấu này trong điều kiện tải trọng cơ, nhiệt và độ ẩm khác nhau, trong đó có thể tóm tắt một số lý thuyết như sau: Lý thuyết dầm cổ điển (CBT) được biết đến như là dầm Euler-Bernoulli là lý thuyết đơn giản nhất và chỉ phù hợp đối với dầm mỏng. Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FOBT) được biết đến như là dầm Timoshenko được phát triển nhằm vượt qua giới hạn của dầm CBT vì lý thuyết có tính đến hiệu ứng biến dạng cắt ngang. Tuy nhiên, lý thuyết này cần một hệ số hiệu chỉnh cắt khi tính toán lực cắt ngang do sự phân bố không hợp lý của lực cắt ngang tại vị trí biên trên và biên dưới. Để khắc phục vấn đề này, lý thuyết dầm biến dạng cắt bậc cao (HOBT) được phát triển để tránh sử dụng hệ số hiệu chỉnh cắt và có sự dự đoán tốt hơn về đáp ứng của dầm. Lý thuyết HOBT có thể phát triển dựa vào giả thuyết sự thay đổi bậc cao của chuyển vị trong mặt phẳng hoặc cả chuyển vị trong và ngoài mặt phẳng của dầm.
2.1. Nghiên cứu về dầm composite trong nước
Một số luận văn thạc sỹ trong nước liên quan đến đề tài đã được thực hiện có thể kể đến như sau: Tam [30] đã phân tích dao động và ổn định của dầm composite sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao và lý thuyết quasi-3D; trong luận văn này, phương pháp Ritz với hàm dạng đa thức và lý thuyết biến dạng cắt bậc cao đã được sử dụng để phân tích ứng xử dầm composite dưới tác dụng tải trọng cơ học. Linh [31] đã nghiên cứu phân tích ứng xử dầm composite sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao với các điều kiện biên khác nhau; trong luận văn này, phương pháp Ritz với hàm dạng đa thức và lý thuyết biến dạng cắt bậc cao đã được sử dụng để phân tích ứng xử dầm composite trên nền đàn hồi Winkler dưới tác dụng tải trọng cơ học.
2.2. Nghiên cứu về dầm composite ngoài nước
Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng phổ biến cho việc phân tích dầm composite. Mathew và cộng sự [5] phân tích ổn định của dầm composite chịu ảnh hưởng nhiệt độ dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất. Murthy và cộng sự [6], Vo và Thai [7] phân tích các ứng xử của dầm composite chịu uốn dựa vào lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Vo và Thai [7] cũng sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao để phân tích ổn định và dao động của dầm composite dưới tác dụng tải trọng cơ học. Bên cạnh đó Kant [8] nghiên cứu đặc trưng động học của dầm composite dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc cao và sử dụng lời giả Navier. Emam và Eltaher [9] nghiên cứu ổn định và mất ổn định của dầm composite trong môi trường nhiệt độ và độ ẩm trong đó lời giải Navier cho điều kiện biên S-S được sử dụng.
III. Mục tiêu đề tài
Trong luận văn này, học viên thực hiện phân tích ổn định và dao động của dầm composite dưới tác dụng của tải trọng cơ và nhiệt, độ ẩm. Mục tiêu cụ thể là: Sử dụng phương trình Lagrange để thiết lập phương trình năng lượng. Sử dụng phương pháp lời giải Ritz và kết hợp hàm dạng đa thức để thiết lập phương trình đặc trưng cho các điều kiện biên khác nhau. Phân tích ứng xử của dầm composite khi thay đổi lực dọc dầm. Phân tích ứng xử của dầm composite khi thay đổi hướng sợi. Phân tích ứng xử của dầm composite khi nhiệt độ thay đổi. Phân tích ứng xử của dầm composite khi độ ẩm thay đổi.
IV. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn này là phương pháp phân tích lý thuyết và phương pháp phân tích số. Phương pháp phân tích lý thuyết được sử dụng để thiết lập phương trình năng lượng và phương trình đặc trưng cho các điều kiện biên khác nhau. Phương pháp phân tích số được sử dụng để giải phương trình đặc trưng và phân tích ứng xử của dầm composite.
V. Tính mới đề tài
Đề tài này có tính mới ở chỗ là sử dụng phương pháp lời giải Ritz và kết hợp hàm dạng đa thức để phân tích ứng xử của dầm composite dưới tác dụng của tải trọng cơ và nhiệt, độ ẩm. Đây là một phương pháp mới và hiệu quả trong việc phân tích ứng xử của dầm composite.
