CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ---- 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Vật liệu compsite với nhiều ưu điểm nổi trội nên chúng đã được ứng dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Khi làm việc tấm composite chịu tải tác dụng trong môi trường nhiệt độ, tấm composite có xu hướng bị võng, bị biến dạng, cơ tính giảm. Đây là một bài toán cơ học khó đã được một số nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu. Tuy nhiên ở Việt Nam đề cập đến vấn đề này còn hạn chế.
Vì vậy đề tài: Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt” là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN Sự phát triển của khoa học kỹ thuật là yếu tố quyết định cho sự ra đời của các thành tựu khoa học. Những thành tựu này thể hiện rõ trên mọi lĩnh vực nói chung và trong ngành cơ học nói riêng. Trong đó, sự xuất hiện các loại vật liệu mới với công nghệ cao đã và đang mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và nâng cao tuổi thọ làm việc cho các máy móc nói chung và các chi tiết cơ khí nói riêng. Vật liệu composite là loại vật liệu đã được con người sáng tạo và sử dụng từ rất lâu.
Nhẹ - chắc - bền - không gỉ - chịu được các yếu tố tác động của môi trường, đó là những ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite. Sự ra đời của vật liệu composite là cuộc cách mạng về vật liệu nhằm thay thế cho vật liệu truyền thống và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, cơ khí, xây dựng dân dụng và được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Mặc dù composite là loại vật liệu đã có từ lâu, nhưng các ngành khoa học về vật liệu này lại vô cùng non trẻ. Khoa học vật liệu composite mới được hình thành gắn với sự xuất hiện đầu tiên của nó trong công nghệ tên lửa ở Mỹ vào những năm 1950 của thế kỷ XX.
Cho đến nay, ngành khoa học này đã phát triển vượt bậc không chỉ ở Mỹ, Nga mà còn ở các nước công nghiệp như Anh, Pháp, Đức, Nhật Bản,… 1 Luan van Nhưng vấn đề cần đặt ra là làm thế nào để xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử cơ học của chi tiết, kết cấu tấm composite lớp nhằm dự báo khả năng làm việc hiện tại của kết cấu để có những giải pháp ngăn ngừa các hư hỏng có thể xảy ra khi mà vật liệu composite có rất nhiều điểm khác biệt so với vật liệu kim loại: nhẹ, độ bền riêng và mô đun riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt và cũng là loại vật liệu có tính dị hướng rất cao. Hơn nữa, độ bền và tuổi thọ của các kết cấu composite phụ thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và đặc biệt cấp độ chính xác của mô hình tính toán và thiết kế. Tất cả những điều trên cho thấy cần phải có những mô hình cơ học xác thực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâu sắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu tấm composite lớp khi chịu tác dụng của tải trọng và môi trường. Trong những thập niên gần đây, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để đưa ra các phương pháp để giải quyết một cách chính xác các vấn đề về ứng xử cơ học trên vật liệu composite lớp: M.
Hyer, “Phân tích ứng suất trong vật liệu composite cốt sợi”[12], TanS.C, “Sự tập trung ứng suất trong composite lớp”[13].M Jones “Cơ học trong kết cấu vật liệu composite”[28]. Bên cạnh đó, lĩnh vực tính toán số các kết cấu tấm composite lớp hiện nay rất được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Trong đó, lý thuyết tấm bậc nhất của Mindlin được sử dụng rất phổ biến: Timoshenko S đã phát triển lý thuyết tấm kinh điển cho bài toán tấm nhiều lớp trong “Lý thuyết tấm vỏ”[14]. Reddy, “Cơ học tấm composite lớp, lý thuyết và phân tích”[15].
Panda và Natarajan đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán cơ học cho tấm composite dựa trên lý thuyết tấm bậc nhất “Phân tích phần tử hữu hạn cho tấm composite lớp”[16]. Reisser đã nghiên cứu cơ học tấm composite lớp chịu uốn khi kể đến biến dạng cắt ngang theo lý thuyết tấm bậc nhất “Ảnh hưởng của biến dạng cắt ngang khi kéo của tấm đàn hồi”[15,17]. Tuy nhiên, việc tính toán các ứng xử trên vật liệu compsite lớp cũng gặp nhiều khó khăn vì ứng suất và biến dạng trong tấm composite lớp không những phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu đặc trưng hình học và môi trường làm việc của kết cấu. Thêm vào đó, phân bố ứng suất trong vật liệu composite lớp phức tạp hơn nhiều so với vật liệu đẳng hướng.
Những nghiên cứu gần đây về lĩnh vực đánh giá các ứng xử cơ học của tấm vật liệu composite lớp: Wang Và Crossman, “Một số kết quả mới của việc ảnh hưởng biên lên tấm composite lớp đối xứng”.S và Choi I, “Ảnh hưởng biên tự do lên tấm composite 2 Luan van lớp”[.J, “Ứng suất giữa các lớp trong tấm vật liệu composite dưới tác dụng của tải trọng kéo”[30].L, “Ứng xử của các cấu trúc vật liệu composite”[18,19]. Trong số các phương pháp mới đang nghiên cứu và vận dụng hiện nay thì việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) đang mang lại nhiều kết quả thiết thực trong việc giải quyết các vấn đề tính toán cơ học của vật liệu composite. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã được đề cập đến phương pháp này.Xren đã phân tích tĩnh và động đối với kết cấu composite lớp sử dụng lý thuyết tấm bậc cao “Mô hình FEM của các kết cấu composite dùng lý thuyết tấm bậc cao”[31]. Jiang và Olson sử dụng phần tử băng thông và phần tử dầm để phân tích động học tấm và vỏ composite lớp.
Kolli và Chandrasekhara sử dụng phần tử tứ đẳng tham số với các hàm nội suy khác nhau cho tấm và dầm để phân tích ứng xử phi tuyến của tấm composite.G “Ứng dụng phần tử bậc cao để phân tích ứng suất trên biên tấm composite”. Ở Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào việc giải quyết các vấn đề cơ học trong tấm vật liệu composite khá nhiều nhưng cách tiếp cận vẫn còn mới mẻ.TS Ngô Như Khoa “Mô hình hóa tính toán vật liệu - kết cấu composite”[4].TS Nhữ Phương Mai “Nghiên cứu và tính toán ứng suất, biến dạng của vật liệu composite cốt sợi và tấm nhiều lớp”[5].TS Trần Ích Thịnh “Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu composite cốt vải chịu tải trọng và môi trường”.TS Trần Ích Thịnh “Mô hình hóa và tính toán số kết cấu composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc cao”. Trần Ích Thịnh, PGS. Lê Ngọc Thạch “Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến độ bền và ổn định của kết cấu composite lớp”.
Các đề tài về vật liệu composite đã được nghiên cứu khá rộng rãi trong và ngoài nước. Tuy nhiên, việc phân tích ứng xử tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt còn ít người quan tâm. Đặc biệt là các đề tài nghiên cứu composite khi không chịu tải nhiệt còn rất hạn chế. Tóm lại: Nghiên cứu về bài toán tấm luôn có ý nghĩa lớn lao cho việc ứng dụng vào các kết cấu hữu dụng hiện hữu xung quanh chúng ta: sàn nhà, vách, nắp hoặc đáy thùng, hồ 3 Luan van nước,… Các tính toán giải tích truyền thống đa phần dựa trên lý thuyết tấm mỏng của Kirchhoff với giả thuyết về mặt trung bình không biến dạng đã được phát triển dù rất tốt với các lời giải của Ritz, Reyleigh, Lévy, Navier,… dưới dạng chuỗi nhưng cũng chỉ giới hạn với một số điều kiện biên nhất định và phần lớn chỉ là dùng để giải tìm nội lực mà thôi.
Đối với phân tích ứng xử hệ tương tác tấm composite thì các nghiên cứu giải tích dựa trên định luật Newton, phương trình ứng dụng nguyên lý công ảo,. Một số các phương pháp xấp xỉ như phương pháp biến phân, Galerkin,… cũng được phát triển để giải quyết các khó khăn của các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên cũng gặp phải các khó khăn tương tự. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính hiện nay, các tiếp cận sử dụng phương pháp số như phần tử hữu hạn, phần tử biên, phương pháp không phần tử (meshless),… đã được nghiên cứu áp dụng và cho kết quả tốt.
Các khó khăn vì khối lượng tính toán nhiều đã được máy tính với tốc độ cao và khả năng xử lý cao giải quyết. Trong tất cả các phương pháp số thì phương pháp phần tử hữu hạn có thể được xem như một công cụ rất mạnh để giải quyết hầu hết các bài toán cơ hiện nay, đặc biệt là bài toán tấm. Với mong muốn đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề cơ học vật liệu của Việt Nam; tác giả đã chọn đề tài: “Phân tích ứng xử của hệ tương tác tấm composite trong môi trường nhiệt”.3 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Sự thay đổi cấu trúc, thành phần, nhiệt độ để nhận được các vật liệu có tính năng khác nhau theo như mong muốn là ưu điểm lớn nhất của vật liệu composite. Vì vậy, việc mô hình hóa và tính toán số vật liệu, kết cấu composite lớp có ý nghĩa cả về lý thuyết lẫn thực tiễn, thu hút sự quan tâm của nhiều người.
Đặc biệt phân tích ứng xử cơ học của vật liệu composite trong môi trường nhiệt, còn rất ít tác giả đưa ra phương pháp tính toán để hỗ trợ cho việc đánh giá tình trạng và khả năng làm việc của chi tiết. Vì vậy, mục đích chính của luận văn là nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng lý thuyết tấm theo mô hình chuyển vị bậc nhất của Mindlin để phân tích chuyển vị của tấm composite trong môi trường nhiệt.