(Luận văn thạc sĩ hcmute) phân tích ảnh hưởng và ứng xử tương tác đa trường trên vật liệu bất đẳng hướng fem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ  LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VĂN CƯỜNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG VÀ ỨNG XỬ TƯƠNG TÁC ĐA TRƯỜNG TRÊN VẬT LIỆU BẤT ĐẲNG HƯỚNG BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hoài Sơn Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: PHAN VĂN CƢỜNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/11/1989 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 115/12 Đƣờng 11,Tổ 3, KP 9, P Trƣờng Thọ, Quận Thủ Đức, TP.HCM Điện thoại quan: Điện thoại di động: 0979054727 Fax: E-mail: phanvancuongckm@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 09/2007 đến 05/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Sƣ phạm Kỹ thuật Tp HCM, Số Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy Tên đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu - thiết kế máy sản xuẩt bột bơ Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2011, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 09/2011 - 4/2012 04/2012 - 1/2013 10/2013 – Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty TNHH-SXCN-TMDV Vận hành lập trình máy Phụng Nam CNC, bảo trì máy Cơng ty Cổ phần công nghiệp Masan Công ty TNHH HAYAMIZU VIET NAM iii Luan van Nhân viên bảo trì Supervisor LỜI CAM KẾT Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Phan Văn Cƣờng iv Luan van năm 2014 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực luận văn : “ Phân tích ảnh hƣởng ứng xử tƣơng tác đa trƣơng vật liệu bất đẳng hƣớng FEM ” tơi hồn thành Ngoài nổ lực cố gắng thân, tơi gặp phải số khó khăn q trình thực Nhờ có hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình q thầy cơ, bạn bè, gia đình tơi vƣợt qua hồn thành luận văn Để tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn:  Thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, Ths Phùng Văn Phúc Thầy dành nhiều thời gian, tâm huyết nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, góp ý, động viên tơi suốt q trình thực luận văn  Thầy TS Phạm Sơn Minh Thầy TS Nguyễn Đức Nam bỏ thời gian công sức để phản biện đóng góp ý kiến cho luận văn tơi đƣợc hồn thiện  Ban giám hiệu, phịng sau đại học q thầy Khoa Cơ khí tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn  Các anh, chị, bạn bè, ngồi lớp động viên, giúp đỡ tơi tận tình suốt thời gian thực luận văn  Gia đình, ngƣời thân ủng hộ tinh thần, vật chất, tạo điều kiện cho em suốt năm học vừa qua Thành phố Hồ Chí Minh, tháng Phan Văn Cƣờng v Luan van năm 2014 TĨM TẮT Đề tài: “Phân tích ảnh hƣởng ứng xử tƣơng tác đa trƣờng vật liệu bất đẳng hƣớng FEM” xây dựng mơ hình tốn phƣơng pháp số cho composite có dán vật liệu áp điện Luận văn tập trung vào điểm sau: Xây dựng mơ hình tốn dựa việc phát triển phần tử đẳng tham số nút với bậc tự (3 tịnh tiến, góc quay) cho nút dựa lý thuyết biến dạng cắt bậc để tính tốn ma trận độ cứng phần tử (liên kết – điện) ma trận khối lƣợng phần tử composite Điện (  ) đƣợc giả định bậc tự thêm vào phần tử Nguyên lý Hamilton đƣợc sử dụng để tìm đƣợc phƣơng trình phần tử hữu hạn sử dụng lƣợng học cấu trúc lƣợng điện vật liệu áp điện Sau đó, code phần tử hữu hạn tảng MATLAB đƣợc viết để phân tích tĩnh cấu trúc phẳng dựa lý thuyết Mindlin Từ kết quả, ta nhận thấy điều khiển đƣợc độ võng tĩnh với mức điện áp đặt vào kích hoạt vi Luan van ABSTRACT Thesis: “Analysis of multiphysics interacting influences in anisotropic materials by FEM” building mathematical models and numerical methods for composite plates is patch piezoelectric materials Thesis only focus on the following issues: Building mathematical models based on the development a four noded isoparamatric flat plate element with five mechanical degrees of freedom ( translational, rotational) per node based on first order shear deformation theory to compute the elemental stiffness (electro-mechanical coupling) and mass matrix of composite plate Electrical voltage (  ) is assumed as an additional DOF which is to be applied per element Hamilton‟s principle is employed to derive the finite element equations using the mechanical energy of the structure and the electrical energy of the piezoelectric material Then, A finite element code in the MATLAB platform is written for static analysis of the flat plate structures based on mindlin‟s plate theory Form the results, it is found out that the static deflection control can be achieved with a given voltage applied through the IDE-PFC actuator vii Luan van MỤC LỤC GIẤY QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN .ii LÝ LỊCH KHOA HỌC iii LỜI CAM KẾT iv LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH x DANH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở khoa học thực tiễn 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 1.3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5 Kết cấu đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 2.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc 2.2.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Giới thiệu FEM 3.1.2 Giới thiệu vật liệu composite 11 3.1.3 Giới thiệu piezoelectric 13 3.1.4 Giới thiệu multiphysics 14 3.2 Mối quan hệ ứng suất biến dạng 14 vii Luan van 3.3 Phát triển mối quan hệ kết cấu cho laminate 17 3.4 Mối quan hệ kết cấu vật liệu áp điện 20 3.5 Phân tích phần tử hữu hạn 21 3.5.1 Giới thiệu 21 3.5.2 Nguyên lý biến biến phân 22 3.5.3 Cách trình phần tử hữu hạn sử dụng phần tử đẳng tham số 23 3.5.4 Ma trận độ cứng đàn hồi 28 3.5.5 Ma trận độ cứng liên kết điện 30 3.5.6 Ma trận độ cứng điện 30 3.5.7 Ma trận khối lƣợng 31 3.5.8 Vectơ lực phần tử 32 3.5.9 Phƣơng trình điều khiển hệ 32 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 4.1 Áp dụng cho tốn phân tích composite 35 4.2 Kết phân tích tĩnh 36 4.3 Kết phân tích động lực học 38 CHƢƠNG : KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN 41 5.1 Kết luận 41 5.2 Kiến nghị 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC 45 viii Luan van RYXX=GDSF(2,J)*GDDSFH(1,K1); RYXY=GDSF(2,J)*GDDSFH(3,K1); RYYY=GDSF(2,J)*GDDSFH(2,K1); ELK(IK2,JJ) =ELK(IK2,JJ) CNST*(B(1,1)*RXXX+B(1,2)*RXYY+2.0*B(2,3)*RXXY+B(1,3)*RYXX+B(2,3) *RYYY+2.0*B(3,3)*RYXY); ELK(IK2,JJ1)=ELK(IK2,JJ1)CNST*(B(1,3)*RXXX+B(2,3)*RXYY+2.0*B(3,3)*RXXY+B(1,2)*RYXX+B(2,2) *RYYY+2.0*B(2,3)*RYXY); if IDYN>0 SX0=GDSF(1,J)*SFH(K1); %co the bi sai SF*GDSFH SY0=GDSF(2,J)*SFH(K1); ELM(IK2,JJ) =ELM(IK2,JJ) +P1*SX0*CNST; ELM(IK2,JJ1) =ELM(IK2,JJ1) +P1*SY0*CNST; end end for K=1:NET K1=(I-1)*NET+K; IK2=II2+K-1; for L=1:NET L1=(J-1)*NET+L; JL2=JJ2+L-1; TXXXX=GDDSFH(1,K1)*GDDSFH(1,L1); TXXYY=GDDSFH(1,K1)*GDDSFH(2,L1); TXXXY=GDDSFH(1,K1)*GDDSFH(3,L1); TXYXX=GDDSFH(3,K1)*GDDSFH(1,L1); TYYXX=GDDSFH(2,K1)*GDDSFH(1,L1); TYYXY=GDDSFH(2,K1)*GDDSFH(3,L1); TXYYY=GDDSFH(3,K1)*GDDSFH(2,L1); -[79]- Luan van TYYYY=GDDSFH(2,K1)*GDDSFH(2,L1); TXYXY=GDDSFH(3,K1)*GDDSFH(3,L1); ELK(IK2,JL2)=ELK(IK2,JL2)+CNST*(D(1,1)*TXXXX+D(1,2)*(TXXYY+TYY XX)+2.0*D(1,3)*(TXXXY+TXYXX)+2.0*D(2,3)*(TXYYY+TYYXY)+4.0*D(3,3 )*TXYXY+D(2,2)*TYYYY); if IDYN>0 S00=SFH(K1)*SFH(L1); SXY=GDSFH(1,K1)*GDSFH(1,L1)+GDSFH(2,K1)*GDSFH(2,L1); ELM(IK2,JL2) =ELM(IK2,JL2)+CNST*(P0*S00+P2*SXY); end end end end JJ = NDF*J+1; %JJ=1 11 16 21 end %for J=1:NPE % if ITYPE>1 %ITYPE=0 ELF(II2)=ELF(II2)+CNST*SF(I)*QL; if NTHERM~=0 ELF(II) =ELF(II) -CNST*(GDSF(1,I)*TN(1)+GDSF(2,I)*TN(3)); ELF(II1)=ELF(II1)-CNST*(GDSF(1,I)*TN(3)+GDSF(2,I)*TN(2)); ELF(II3)=ELF(II3)-CNST*(GDSF(1,I)*TM(1)+GDSF(2,I)*TM(3)); ELF(II4)=ELF(II4)-CNST*(GDSF(1,I)*TM(3)+GDSF(2,I)*TM(2)); end if PIEZO_E(N)~=0 ELF(II) =ELF(II) -CNST*(GDSF(1,I)*PN(1)+GDSF(2,I)*PN(3)); ELF(II1)=ELF(II1)-CNST*(GDSF(1,I)*PN(3)+GDSF(2,I)*PN(2)); -[80]- Luan van ELF(II3)=ELF(II3)-CNST*(GDSF(1,I)*PM(1)+GDSF(2,I)*PM(3)); ELF(II4)=ELF(II4)-CNST*(GDSF(1,I)*PM(3)+GDSF(2,I)*PM(2)); end else % chay doan -if PIEZO_E(N)~=0 ELF(II)=ELF(II3)+CNST*(GDSF(1,I)*PM(1)+GDSF(1,I)*PM(3)); ELF(II1)=ELF(II4)+CNST*(GDSF(2,I)*PM(3)+GDSF(2,I)*PM(2)); end for K=1:NET IK2=II2+K-1; K1=(I-1)*NET+K; ELF(IK2)=ELF(IK2)+CNST*SFH(K1)*QL; if NTHERM~=0 ELF(IK2)=ELF(IK2)+CNST*(GDDSFH(1,K1)*TM(1)+2.0*GDDSFH(3,K1)*TM( 3)+GDDSFH(2,K1)*TM(2)); end if PIEZO_E(N)~=0 ELF(IK2)=ELF(IK2)CNST*(GDDSFH(1,K1)*PM(1)+2.0*GDDSFH(3,K1)*PM(3)+GDDSFH(2,K1)*P M(2)); end end end %end ITYPE>1 -II = NDF*I+1; end %for I=1:NPE end end -[81]- Luan van %%%%%%%%%%%%%%% function []=ELSTIF(M) global E1 E2 G12 G13 G23 ANU12 RHO ALFA1 ALFA2 THETA THKNS MATYP %Material global Q QBAR ALFA Z %Elastic ANU21=ANU12(M)*E2(M)/E1(M); DENOM=(1.0-ANU12(M)*ANU21); Q(1,1)=E1(M)/DENOM; Q(1,2)=ANU12(M)*E2(M)/DENOM; Q(2,1)=Q(1,2); Q(2,2)=Q(1,1)*E2(M)/E1(M); Q(3,3)=G12(M); Q(4,4)=G23(M); Q(5,5)=G13(M); %%%%%%%%%%%%%%% function [kk,ff]=feaplyc2(kk,ff,ISPV,ISSV,NDF,NEQ,NSPV,NSSV,VSPV,VSSV) for i=1:NSPV id=(ISPV(i,1)-1)*NDF+ISPV(i,2); % for j=1:NEQ % kk(c,j)=0; % end % % kk(c,c)=1; % ff(c)=VSPV(i); value=VSPV(i); for j=1:NEQ ff(j)=ff(j)-value*kk(j,id); -[82]- Luan van kk(id,j)=0; kk(j,id)=0; end kk(id,id)=1; ff(id)=value; end %%%%%%%%%%%%%%% function [kk,mm]=feaplycs(kk,mm,ISPV,NSPV,NEQ) for i=1:NSPV c=ISPV(i); for j=1:NEQ kk(c,j)=0; kk(j,c)=0; mm(c,j)=0; mm(j,c)=0; end mm(c,c)=1; end %%%%%%%%%%%%%%% function [kk]=feasmbl1(kk,index) global ELM k=ELM; for i=1:length(index) ii=index(i); for j=1:length(index) jj=index(j); kk(ii,jj)=kk(ii,jj)+k(i,j); end end %%%%%%%%%%%%%%% -[83]- Luan van function [kk,ff]=feasmbl2(kk,ff,index) global ELF ELK ELM k=ELK; f=ELF; for i=1:length(index) ii=index(i); ff(ii)=ff(ii)+f(i); for j=1:length(index) jj=index(j); kk(ii,jj)=kk(ii,jj)+k(i,j); end end %%%%%%%%%%%%%%% function [kk]=feasmblELKel(kk,index) global ELKel k=ELKel; for i=1:length(index) ii=index(i); for j=1:length(index) jj=index(j); kk(ii,jj)=kk(ii,jj)+k(i,j); end end %%%%%%%%%%%%%%% function [NOD,GLXY,NNM,NEM]=MSH2DR(IEL,NX,NY,NPE,DX,DY,X0,Y0) % IMPLICIT REAL*8 (A-H,O-Z) % DIMENSION NOD(MAXNEM,9),GLXY(MAXNNM,2),DX(MAXNX),DY(MAXNY) % COMMON/IO/IN,ITT % -[84]- Luan van IELTYP=1;%always quadratic element NEX1 = NX+1; NEY1 = NY+1; NXX = IEL*NX; NYY = IEL*NY; NXX1 = NXX + 1; NYY1 = NYY + 1; NEM = NX*NY; if IELTYP==0 NEM=2*NX*NY; end NNM=NXX1*NYY1; if NPE==8 NNM = NXX1*NYY1 - NX*NY; end % if IELTYP==0 % Generate the array [NOD] and global coordinates [GLXY] for % TRIANGULAR ELEMENTS % NX2=2*NX; NY2=2*NY; NOD(1,1) = 1; NOD(1,2) = IEL+1; NOD(1,3) = IEL*NXX1+IEL+1; if NPE>3 NOD(1,4) = 2; NOD(1,5) = NXX1 + 3; NOD(1,6) = NXX1 + 2; end % NOD(2,1) = 1; NOD(2,2) = NOD(1,3); NOD(2,3) = IEL*NXX1+1; -[85]- Luan van if NPE>3 NOD(2,4) = NOD(1,6); NOD(2,5) = NOD(1,3) - 1; NOD(2,6) = NOD(2,4) - 1; end % K=3; for IY=1:NY L=IY*NX2; M=(IY-1)*NX2; if NX>1 for N=K:2:L for I=1:NPE NOD(N,I) = NOD(N-2,I)+IEL; NOD(N+1,I)= NOD(N-1,I)+IEL; end end end % if IY4 NOD(1,5) = 2; NOD(1,6) = NXX1 + (NPE-6); NOD(1,7) = NOD(1,3) - 1; NOD(1,8) = NXX1+1; if NPE==9 NOD(1,9)=NXX1+2; end end % if NY>1 M = 1; for N = 2:NY L = (N-1)*NX + 1; for I = 1:NPE NOD(L,I) = NOD(M,I)+NXX1+(IEL-1)*NEX1+K0*NX; end M=L; end -[87]- Luan van end % if NX>1 for NI=2:NX for I = 1:NPE K1 = IEL; if I==6 | I==8 K1=1+K0; end NOD(NI,I) = NOD(NI-1,I)+K1; end M = NI; for NJ = 2:NY L = (NJ-1)*NX+NI; for J = 1:NPE NOD(L,J) = NOD(M,J)+NXX1+(IEL-1)*NEX1+K0*NX; end M = L; end end end end % %END IF FOR SELECTION OF RECT OR TRI Generate the global coordinates of the nodes, [GLXY] DX(NEX1)=0.0; DY(NEY1)=0.0; XC=X0; YC=Y0; if NPE==8 for NI = 1:NEY1 I = (NXX1+NEX1)*(NI-1)+1; -[88]- Luan van J = 2*NI-1; GLXY(I,1) = XC; GLXY(I,2) = YC; for NJ = 1:NX DELX=0.5*DX(NJ); I=I+1; GLXY(I,1) = GLXY(I-1,1)+DELX; GLXY(I,2) = YC; I=I+1; GLXY(I,1) = GLXY(I-1,1)+DELX; GLXY(I,2) = YC; end if NI