I. Tổng quan
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, việc nghiên cứu và ứng dụng các kết cấu tấm/vỏ composite nhiều lớp trở nên ngày càng quan trọng. Phân tích tĩnh các kết cấu này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của chúng. Tấm vỏ composite với khả năng chịu tải lớn và trọng lượng nhẹ là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong xây dựng và giao thông vận tải. Tuy nhiên, việc tính toán và mô phỏng hành vi của chúng dưới tác động của tải trọng vẫn là thách thức lớn. Do đó, việc phát triển các phương pháp phân tích chính xác như phần tử CS MITC3 là cần thiết để giải quyết vấn đề này.
1.1 Tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu về tấm/vỏ composite đã được thực hiện từ rất sớm, với nhiều lý thuyết và phương pháp khác nhau được phát triển. Lý thuyết Kirchhoff-Love là một trong những lý thuyết đầu tiên, nhưng không thể áp dụng cho các tấm dày do bỏ qua biến dạng cắt ngang. Các lý thuyết như FSDT và HSDT đã được phát triển để khắc phục những hạn chế này. Đặc biệt, phương pháp MITC đã chứng minh được hiệu quả trong việc khử hiện tượng khóa cắt, giúp cải thiện độ chính xác trong phân tích các kết cấu tấm/vỏ nhiều lớp. Việc áp dụng các phương pháp này trong nghiên cứu và thiết kế kết cấu composite là rất cần thiết.
II. Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết cho phân tích tĩnh tấm/vỏ composite nhiều lớp dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT). Lý thuyết này cho phép mô phỏng chính xác hơn các ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ, đặc biệt là trong các trường hợp có chiều dày lớn. Mô hình phần tử CS MITC3+ được phát triển để giải quyết các vấn đề liên quan đến biến dạng cắt và ứng suất. Phương pháp này sử dụng các phần tử tam giác 3 nút với 6 bậc tự do cho mỗi nút, cho phép tính toán chính xác hơn các ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ composite. Việc áp dụng MATLAB trong lập trình và tính toán giúp tăng cường khả năng mô phỏng và phân tích các ví dụ số.
2.1 Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất
Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) cho phép mô phỏng chính xác hơn các ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ composite. Theo lý thuyết này, các pháp tuyến sau biến dạng vẫn còn thẳng nhưng không còn vuông góc với mặt phẳng trung bình. Điều này giúp cải thiện độ chính xác trong việc tính toán ứng suất cắt ngang. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng FSDT trong phân tích tấm/vỏ composite giúp đạt được kết quả đáng tin cậy hơn so với các lý thuyết trước đó. Tuy nhiên, vẫn cần phát triển thêm các phương pháp để khắc phục những hạn chế còn tồn tại.
III. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn này là phương pháp phần tử hữu hạn trơn (CS-FEM) với phần tử MITC3+. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ composite nhiều lớp. Các phần tử tam giác 3 nút được sử dụng để mô phỏng tấm/vỏ, trong khi phần tử dầm 2 nút được sử dụng để mô phỏng sườn. Việc sử dụng MATLAB trong lập trình và tính toán giúp tăng cường khả năng mô phỏng và phân tích các ví dụ số. Kết quả cho thấy phương pháp này có độ chính xác cao và khả năng hội tụ tốt trong các trường hợp phân tích tĩnh.
3.1 Công thức phần tử MITC3
Công thức phần tử MITC3+ được phát triển để giải quyết các vấn đề liên quan đến biến dạng cắt và ứng suất trong tấm/vỏ composite. Phần tử này cho phép tính toán chính xác hơn các ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ, đặc biệt là trong các trường hợp có chiều dày lớn. Việc áp dụng phương pháp này trong phân tích tĩnh giúp đạt được kết quả đáng tin cậy hơn so với các phương pháp trước đó. Kết quả số cho thấy phương pháp MITC3+ có khả năng hội tụ tốt và cho kết quả chính xác trong các trường hợp phân tích tĩnh.
IV. Kết quả và thảo luận
Kết quả phân tích cho thấy phương pháp CS MITC3+ cho kết quả hội tụ tốt và chính xác trong việc phân tích tĩnh các kết cấu tấm/vỏ composite nhiều lớp. Các ví dụ số được thực hiện cho thấy độ chính xác của phương pháp này trong việc dự đoán ứng suất và biến dạng. Việc so sánh với các phương pháp khác cho thấy CS MITC3+ có ưu thế vượt trội trong việc khử hiện tượng khóa cắt và cải thiện độ chính xác trong phân tích. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc nghiên cứu và ứng dụng các kết cấu composite trong thực tế.
4.1 Phân tích ví dụ số
Các ví dụ số được thực hiện để kiểm chứng độ chính xác và khả năng hội tụ của phương pháp CS MITC3+. Kết quả cho thấy phương pháp này có thể dự đoán chính xác ứng suất và biến dạng trong các kết cấu tấm/vỏ composite nhiều lớp. Việc so sánh với các phương pháp khác cho thấy CS MITC3+ có khả năng khử hiện tượng khóa cắt hiệu quả, từ đó nâng cao độ tin cậy trong phân tích. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng các kết cấu composite trong thực tế.
V. Kết luận
Luận văn đã trình bày một phương pháp mới trong phân tích tĩnh tấm/vỏ composite nhiều lớp có sườn bằng phần tử CS MITC3+. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong phân tích mà còn mở ra hướng đi mới cho việc nghiên cứu và ứng dụng các kết cấu composite trong thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp CS MITC3+ có khả năng hội tụ tốt và cho kết quả chính xác trong các trường hợp phân tích tĩnh. Điều này có thể giúp các kỹ sư và nhà thiết kế tối ưu hóa các kết cấu composite trong các ứng dụng thực tế.
5.1 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo
Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng phương pháp CS MITC3+ để áp dụng cho các loại kết cấu phức tạp hơn, cũng như nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng trong tấm/vỏ composite. Việc phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong thiết kế và ứng dụng các kết cấu composite trong thực tế.
