Luận Án Tiến Sĩ Về Phân Tích Tính Ổn Định Kết Cấu Dầm Bơm Hơi Vật Liệu Composite

Luận án tiến sĩ phân tích tính ổn định kết cấu dầm bơm hơi từ vật liệu composite, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và hiệu quả trong xây dựng.

• Tác giả: Phan Thi Dang Thu
• Người hướng dẫn: Assoc. Phan Dinh Huan
• Trường học: Hcm City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Phân Tích Tính Ổn Định Kết Cấu Dầm Bơm Hơi Composite
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hcm City

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH CÁ NHÂN
• ORIGINALITY STATEMENT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Motivation of the thesis
• 1.2. The objectives and scope of the study
• 1.3. Outline of the thesis
• 1.4. Original contributions of the thesis
• 1.5. Significances of the thesis
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. An overview of fibous composite materials
• 2.2. Advantages of composite
• 2.3. Practical applications of inflating composite structures
• 2.3.1. Civil engineering and architecture
• 2.3.2. Other fields of application
• 2.4. Analyses of inflating structures
• 3. CHAPTER 3: THEORETICAL FORMULATIONS
• 3.1. Overview and basics of Isogeometric Analysis
• 3.2. Advantages of IGA in comparison with FEM
• 3.3. Disadvantages of IGA
• 3.4. B-Spline Basis Functions
• 3.5. NURBS-based elements for IGA
• 3.6. Isogeometric Analysis versus Classical Finite elementing Analysis
• 3.7. Cotinnum-based governign equations of stability problems of inlfating beams
• 3.8. Mathematical description of inflating beams
• 3.9. Virtual work principle
• 4. CHAPTER 4: IGA-BASED BUCKLING ANALYSIS OF INFLATING COMPOSITE BEAMS
• 4.1. IGA-based formulations for the buckling problems of inflating composite beams
• 4.2. Linear eigen buckling
• 4.3. Implementation of an iterative algorithm in solving nonlinear model
• 4.4. Linear buckling analysis
• 4.4.1. Simply-supported beam
• 4.4.2. Fixed – Free beam
• 4.5. Simply-supported beam
• 4.6. Fixed-free beam
• 5. CHAPTER 5: BUCKLING EXPERIMENTS OF INFLATING BEAMS
• 5.1. Material properties and selection of fabrics
• 5.2. The woven fabric materials
• 5.3. Mechanical properties of woven fabric composites
• 5.4. Test of joint’s durable strength
• 5.4.1. Glued joint PVC 1cm
• 5.4.2. Glued joint PVC 1cm thermal
• 5.4.3. Glued joint PVC 2cm thermal
• 5.4.4. Glued joint PVC 2.5 cm with thermal attachment
• 5.5. Inflatable beam specimens
• 5.6. Buckling test set-up
• 5.7. Experimental results and discussion
• 5.7.1. Load vs displacement u relation of beam at pressure
• 5.7.1.1. Beams inflated with different air pressures
• 5.7.1.2. Comparison of 3 beams at pressure p = 80 kPa
• 5.7.2. Load vs displacement v relation of beam at pressure
• 5.7.2.1. Beams inflated with different air pressures
• 5.7.2.2. Comparison of 3 beams at pressure p = 80 kPa
• 5.7.3. Comparison between experimental and IGA numerical methods
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FURTHER STUDIES
• LIST OF PUBLICATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tính ổn định của kết cấu dầm bơm hơi composite. Dầm bơm hơi composite là một loại kết cấu mới, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, hàng không và vũ trụ. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định tính ổn định của dầm composite khi chịu tải trọng nén trục. Phương pháp phân tích kết cấu được sử dụng là Isogeometric Analysis (IGA), cho phép mô hình hóa chính xác các đặc tính hình học và cơ học của dầm. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính ổn định của dầm bơm hơi mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong thực tiễn.

II. Tính toán kết cấu dầm

Phân tích kết cấu dầm bơm hơi composite yêu cầu một phương pháp tính toán chính xác. Trong nghiên cứu này, tính toán kết cấu được thực hiện dựa trên nguyên lý kinh nghiệm Timoshenko. Mô hình 3D của dầm được xây dựng với sự chú ý đến phi tuyến tính hình học. Các phương trình cân bằng phi tuyến được thiết lập dựa trên nguyên lý công việc ảo. Việc sử dụng các hàm cơ sở NURBS trong IGA giúp cải thiện độ chính xác của mô hình. Kết quả cho thấy rằng mô hình này có thể dự đoán chính xác tải trọng tới hạn mà tại đó dầm bắt đầu xuất hiện nếp gấp.

III. Phân tích ứng suất trong dầm

Phân tích ứng suất trong dầm là một phần quan trọng trong việc đánh giá tính ổn định của dầm bơm hơi composite. Nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm biaxial để xác định các đặc tính cơ học của vật liệu composite. Kết quả cho thấy rằng ứng suất trong dầm thay đổi theo áp suất bơm hơi. Đặc biệt, tải trọng tối đa mà dầm có thể chịu được liên quan chặt chẽ đến sự xuất hiện của nếp gấp đầu tiên. Việc xác định tải trọng tới hạn là rất quan trọng để đảm bảo an toàn trong thiết kế và ứng dụng của dầm bơm hơi.

IV. Thí nghiệm và kết quả

Thí nghiệm được thực hiện để kiểm tra tính ổn định của dầm bơm hơi composite dưới các áp suất khác nhau. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự tương đồng giữa các dự đoán từ mô hình IGA và kết quả thực nghiệm. Đặc biệt, đồ thị tải trọng so với độ lún cho thấy rõ ràng sự khác biệt trong hành vi của dầm khi áp suất thay đổi. Sự xuất hiện của nếp gấp đầu tiên được ghi nhận và phân tích kỹ lưỡng. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và chế tạo dầm bơm hơi.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính ổn định của kết cấu dầm bơm hơi composite có thể được phân tích hiệu quả thông qua phương pháp IGA. Các kết quả thu được từ thí nghiệm và mô hình hóa cho thấy rằng dầm composite có khả năng chịu tải tốt và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế dầm và mở rộng ứng dụng của dầm bơm hơi trong các lĩnh vực như xây dựng và hàng không. Việc nghiên cứu sâu hơn về vật liệu composite và các phương pháp phân tích mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các kết cấu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ---oo0oo--- PHAN THI DANG THU BUCKLING ANALYSIS OF INFLATABLE COMPOSITE BEAMS PHD THESIS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 HCM City, August 2021 luan an MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION --- oOo --- PHAN THI DANG THU BUCKLING ANALYSIS OF INFLATABLE COMPOSITE BEAMS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 Supervisor one : Assoc. Phan Dinh Huan Supervisor two : Assoc. Le Hieu Giang Reviewer 1: Reviewer 2: Reviewer 3: HCM City, August 2021 luan an luan an LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: PHAN THỊ ĐĂNG THƯ Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 05/11/1977 Nơi sinh: Tiền Giang Quên quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc Sỹ Kỹ thuật Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: B2-14/09 c/c Lê Thành, Phường An Lạc, Quận Bình Tân, TP.HCM Điện thoại liên hệ: 0903373645 Email: dangthu0511@yahoo.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp - Năm tốt nghiệp: 2000 2. Sau đại học - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

HCM - Việt Nam - Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Năm tốt nghiệp: 2004 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - 2000-2005: Giảng viên - Trường Cao đẳng Bán công Công nghệ và quản trị doanh nghiệp. - 2005-2019: Giảng viên, Trưởng khoa Cơ khí - Trường Cao đẳng nghề TPHCM - 2019-2020: Giảng viên, Giám đốc trung tâm - Viện khoa học An toàn vệ sinh lao động TPHCM i luan an - 2020 đến nay: Giảng viên - Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức TPHCM IV. LĨNH VỰC CHUYÊN MÔN - CAD/CAM/CNC - Gia công CNC - Thiết kế kỹ thuật cơ khí V.

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Số NỘI DUNG TT 1 T. Huynh-Van, Thu D. Nguyen-Xuan “Isogeometric nonlinear bending and buckling analysis of variablethickness composite plate structures”; Composite Structures 1 January 2017, Pages 818-826. 2 Phan Thi Dang Thu, Phan Dinh Huan and Nguyen Thanh Truong “Effect parametric to properties of a 2D orthogonal plain classical woven fabric composite”; ISBN: 978-604-913-367-1, pages 509-517.

3 Phan Thi Dang Thu, Phan Dinh Huan and Nguyen Thanh Truong “Biaxial beam inflation test on orthotropic fabric beam”; ISBN: 978-604-913-213-1, pages 1169-1176. 4 Nguyen Thanh Truong, Phan Dinh Huan, Phan Thi Dang Thu “Discretizing an analytical inflating beam model by the shellmembrane finite elelment”; ISBN: 978-604-913-213-1, pages 1221-1228. 5 Phan Thi Dang Thu, Le Manh Tuan, Nguyen Xuan Hung, Nguyen Thanh Truong “Geometrically nonlinear behaviour of composite beams of variable fiber volume fraction in isogeometric analysis”; ISBN: 978-604-82-2028-0, Pages: 1404-1409. 6 Thu Phan-Thi-Dang, Tuan Le-Manh, Giang Le-Hieu, Truong Nguyen- Thanh “Buckling of cylindrical inflating composite beams using isogeometric analysis”; ISBN: 978-604-73-3691-3, Pages 821-826.

luan an Số NỘI DUNG TT 7 Phan Thi Dang Thu, Nguyen Thanh Truong, Phan Dinh Huan “Mô hình dầm hơi composite phi tuyến chịu uốn”; ISBN: 976-604-82-2026-6, Page 697-704. 8 Phan Thi Dang Thu, Nguyen Thanh Truong, Phan Dinh Huan, Le Dinh Tuan “Biaxial experiments for determining material properties and joint strength of textile plain woven fabric composites”; ISBN: 978-604-913-722- 8, Page 1174-1181. HCM, ngày 12 tháng 8 năm 2021 Nghiên cứu sinh Phan Thị Đăng Thư iii luan an ORIGINALITY STATEMENT I, Phan Thị Đăng Thư, hereby assure that this dissertation is my own work, done under the guidance of Assoc. Phan Dinh Huan and Assoc.

Le Hieu Giang with the best of my knowledge. All results and data that are stated and presented in this dissertation are honest. And they have not been published by any previous works. Ho Chi Minh City, August 2021 Phan Thi Dang Thu luan an ACKNOWLEDGEMENTS The dissertation is implemeted at the Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Viet Nam.

The conducting process of this thesis not only brings motivation, but it also takes several challenges and difficulties. Without any support and coopperating by my professors, colleagues as well as my students, this thesis would not be achieved completely and fluently. That is why, first of all, I would like to express my appreciation to Assoc. Phan Dinh Huan and Assoc.

Le Hieu Giang, for accepting me as a PhD student and for their enthusiastic guidance during my research. Moreover, I would like to kindly thank Dr. Nguyen Thanh Truong, Dr. Le Manh Tuan, Mr.

Duong Chi Hung (a young brothers), for their helpful supporting in every first steps of doing research. They conscientiously helped me to overcome during my hardest time. Secondly, I would like to acknowledge Assoc. Le Dinh Tuan, Faculty of Transportation Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam, who troubleshooted my troubles and helped to solve problems incidentally occurring in my study.

Thirdly, I also take this chance to thank all my talent colleagues for their professional instruction and advice, as well as to my lovely students for their nicely support. Last but not least, the family’s love and encouragement are definitely my biggest motivation. They gave me plenty of valuable assistance with their love and affection. Phan Thi Dang Thu v luan an ABSTRACT This thesis presents a numerical modeling and an experimental program approach to investigate the buckling behavior of inflatable beams made from woven fabric composite materials.

In the numerical study, the Isogeometric Analysis (IGA) is utilized to analyze the bucking response of inflatable beams subject to axial compressive load and predict the critical load at which the first wrinkle occurs. In the numerical model, the Timoshenko’s kinematics principle is used to build a 3D model of inflating orthotropic beams. In this modeling process, geometrical non-linearity is considerated by using the energy concept that accounts for the change in membrane and strain energies when the beams are bent. By using Lagrangian and virtual work principles, nonlinear equilibrium equations were derived.

These equations are then discretized by using NURBS basis functions inherited from IGA approach to derive the global nonlinear equation. The well-known Newton-Raphson algorithm is then used to solve the nonlinear equation. The numerical results are then calibrated with the experimental one. It was found that a good agreement between IGA predictions and test results is achieved.

The numerical model could be used for other parametric studies to investigate the influences of material and geometrial parameters on the buckling behaviour of inflatable beams. In the experiment study, the mechanical properties of the woven fabric composite material used in frabrication of inflatable beams are determined and the biaxial buckling test is carried out. The experimental studies are performed under various inflation pressures to characterize the orthotropic mechanical properties and the nonlinear buckling behaviors. Load versus deflection curve of inflating beams beam with different air pressures obtained from the experimentsare are illustrated., and the first wrinkles of the beams when buckling happens is also monitored.

Therefore, the maximum load carrying capacity of the inflating beam with respect to the appearance of the first wrinkle is totally found. In addition, the critical buckling luan an load is determined through distinct load cases. Then, the discrepancy is evaluated among the proposed orthotropic and isotropic models in literature. vii luan an Contents BIOGRAPHY.

VIII NOTATIONS AND CONVENTIONS .XII LIST OF FIGURE. XVIII LIST OF TABLE. XXIII CHAPTER 1: INTRODUCTION .2 Motivation of the thesis .3 The objectives and scope of the study .5 Outline of the thesis .6 Original contributions of the thesis .7 Significances of the thesis .5 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW .1 An overview of fibous composite materials .4 Advantages of composite .2 Practical applications of inflating composite structures .2 Civil engineering and architecture .3 Other fields of application .3 Analyses of inflating structures .27 CHAPTER 3: THEORETICAL FORMULATIONS .1 Overview and basics of Isogeometric Analysis .1 Advantages of IGA in comparison with FEM .2 Disadvantages of IGA .2 B-Spline Basis Functions .9 NURBS-based elements for IGA.10 Isogeometric Analysis versus Classical Finite elementingAnalysis .2 Cotinnum-based governign equations of stability problems of inlfating beams 49 3.1 Mathematical description of inflating beams .3 Virtual work principle .65 CHAPTER 4: IGA-BASED BUCKLING ANALYSIS OF INFLATING COMPOSITE BEAMS .67 ix luan an 4.2 IGA-based formulations for the buckling problems of inflating composite beams .1 Linear eigen buckling .3 Implementation of an iterative algorithm in solving nonlinear model .1 Linear buckling analysis .1 Simply-supported beam .2 Fixed – Free beam .1 Simply-supported beam .2 Fixed-free beam .90 CHAPTER 5: BUCKLING EXPERIMENTS OF INFLATING BEAMS .2 Material properties and selection of fabrics .1 The woven fabric materials .3 Mechanical properties of woven fabric composites .3 Test of joint’s durable strength .1 Glued joint PVC 1cm .2 Glued joint PVC 1cm thermal .3 Glued joint PVC 2cm thermal .4 Glued joint PVC 2.5 cm with thermal attachment .4 Inflatable beam specimens .5 Buckling test set-up .6 Experimental results and discussion .1 Load vs displacement u relation of beam at pressure .1 Beams inflated with different air pressures .2 Comparison of 3 beams at pressure p = 80 kPa .2 Load vs displacement v relation of beam at pressure .1 Beams inflated with different air pressures .2 Comparison of 3 beams at pressure p = 80 kPa .7 Comparison between experimental and IGA numerical methods .148 CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FURTHER STUDIES .152 LIST OF PUBLICATIONS .