Luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa độ tin cậy tấm composite laminate sử dụng thuật toán di truyền

Bài toán tối ưu hóa được đặt ra với hai vấn đề chính: tìm kiếm chiều dày và hướng sợi tối ưu cho tấm composite, đồng thời đảm bảo các điều kiện về độ tin cậy. Để giải quyết bài toán này, tác giả đã sử dụng lý thuyết tấm FSDT, phương pháp phần tử hữu hạn trơn CS-DSG3 và phương pháp FORM2. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng kết hợp chúng lại giúp tối ưu hóa hiệu quả hơn. Bài toán được chia thành hai phần: phần tối ưu hóa xác định, nơi các thông số được xác định chính xác, và phần tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy, nơi các thông số có thể thay đổi ngẫu nhiên. Mục tiêu cuối cùng là tối ưu hóa thiết kế để đạt được độ tin cậy cao nhất cho tấm composite.

Vật liệu composite ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhờ vào những đặc tính vượt trội như cường độ cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Trong nghiên cứu này, tấm composite nhiều lớp được xem xét, trong đó mỗi lớp có thể là vật liệu gia cường sợi. Các loại composite được phân loại thành composite gia cường hạt và sợi, mỗi loại có những ứng dụng và ưu điểm riêng. Tấm composite nhiều lớp có thể được tối ưu hóa để cải thiện các thuộc tính cơ học, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của kết cấu. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu composite không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực xây dựng mà còn trong hàng không, hàng hải và các ngành công nghiệp khác.

Phương pháp phần tử hữu hạn trơn (CS-FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích kết cấu phức tạp. Phương pháp này giúp giải quyết các bài toán liên quan đến độ tin cậy và tối ưu hóa tấm composite bằng cách chia nhỏ kết cấu thành các phần tử nhỏ hơn, dễ dàng tính toán và phân tích. CS-FEM cho phép mô phỏng chính xác ứng xử của vật liệu dưới tác động của các lực và điều kiện khác nhau. Bằng cách sử dụng phương pháp này, có thể tính toán được các thông số như chuyển vị, tần số và ứng suất, từ đó đưa ra các ràng buộc cần thiết trong bài toán tối ưu hóa. Kết quả từ phương pháp này sẽ được sử dụng để so sánh với các phương pháp tối ưu hóa khác nhằm xác định hiệu quả và tính khả thi của giải pháp.

Có nhiều phương pháp để đánh giá độ tin cậy của tấm composite, trong đó FORM2 và Monte Carlo Simulation (MCS) là hai phương pháp phổ biến. FORM2 cung cấp một cách tiếp cận nhanh chóng và hiệu quả để tính toán độ tin cậy thông qua việc sử dụng các hàm trạng thái. Ngược lại, MCS cho phép mô phỏng sự phân bố của các biến ngẫu nhiên, từ đó đánh giá độ tin cậy một cách chi tiết hơn. Sự kết hợp giữa hai phương pháp này giúp tăng cường độ chính xác trong việc phân tích độ tin cậy và đảm bảo rằng thiết kế cuối cùng đáp ứng được các tiêu chuẩn an toàn.

Khi thực hiện tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy (RBDO), việc thiết lập các ràng buộc độ tin cậy là rất quan trọng. Các ràng buộc này đảm bảo rằng thiết kế không chỉ đạt được mục tiêu tối ưu hóa mà còn phải an toàn trong các điều kiện vận hành thực tế. Các ràng buộc này thường được mô tả bằng các hàm trạng thái, trong đó xác định các giới hạn cho các biến thiết kế như chiều dày tấm và hướng sợi. Việc đưa vào các ràng buộc này sẽ làm cho bài toán tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn, nhưng cũng giúp đảm bảo rằng thiết kế cuối cùng sẽ có độ tin cậy cao hơn trong thực tế.

Khi so sánh với các phương pháp tối ưu hóa khác, thuật toán di truyền cho thấy ưu thế rõ rệt trong việc tìm kiếm nghiệm tối ưu. Các kết quả từ các bài toán tối ưu hóa có ràng buộc cho thấy rằng thuật toán di truyền có khả năng tìm ra nghiệm tối ưu trong các điều kiện phức tạp hơn. Sự kết hợp giữa tính linh hoạt và khả năng xử lý các biến ngẫu nhiên đã chứng minh rằng thuật toán này là một công cụ hiệu quả trong việc tối ưu hóa thiết kế của tấm composite.

Kết quả nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xây dựng đến hàng không. Việc tối ưu hóa độ tin cậy của tấm composite laminate không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho các kết cấu. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, như trong ngành hàng không và vũ trụ, nơi mà sự an toàn của kết cấu là ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu composite trong thiết kế kết cấu hiện đại.