Mô hình hóa và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng

Mô hình hóa và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  BÙI VĂN BÌNH MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  BÙI VĂN BÌNH MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 62.44.21.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. TRẦN ÍCH THỊNH 2. PGS.TS. TRẦN MINH TÚ HÀ NỘI - 2012 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Bùi Văn Bình Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Người cam đoan Bùi Văn Bình LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn : GS. TS. Trần Ích Thịnh, PGS. TS. Trần Minh Tú đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ m ôn. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thành viên trong nhóm Seminar "Cơ học Vật rắn biến dạng" - ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Công nghệ, ĐH Xây Dựng, ĐH Kiến Trúc, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, ĐH Giao Thông Vận tải, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐH T hái Nguyên đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Đạt – Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Thủy sản Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ, giảng viên Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí nghiệm kiểm soát Rung và Ồn - Viện Cơ học Việt Nam giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt quá t rình đo đạc thực nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ giảng viên khoa Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Điện lực đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn c ác bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả: Bùi Văn Bình MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục hình vẽ - đồ thị Danh mục các bảng MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5 1.1. MỞ ĐẦU 5 1.2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 5 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI CỦA LUẬN ÁN 8 1.3.1 Tóm lược chung về tì nh hình nghiên cứu kết cấu tấm composite trên thế giới 8 1.3.2 Tóm lược chung về tình hình nghiên cứu kết cấu tấm composite ở Việt Nam 15 1.3.3 Tình hình nghiên cứu về kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng 16 1.4. NHẬN XÉT VỀ TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 19 1.5 ĐỀ XUẤT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN 20 1.6. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN 21 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu 21 1.6.2. Nhiệm vụ của luận án 21 1.7. KẾT LUẬN C HƯƠNG 1 22 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TẤM COMPOSITE LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG 23 2.1. MỞ ĐẦU 23 2.2. PHƯƠNG TRÌNH CẤU THÀNH CỦA TẤM COMPOSITE LỚP 24 2.2.1. Trường chuyển vị 25 2.2.2. Trường biến dạng 25 2.2.3. Trường ứng suất 25 2.2.4. Các thành phần nội lực 28 2.2.5. Phương trình ứng xử cơ học của tấm nhiều lớp 29 2.3. PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU TẤM COMPOSITE LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG 30 2.3.1. Lựa chọn phần tử 30 2.3.2. Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử, m a trận khối lượng và véctơ lực nút phần tử 32 2.3.3. Ghép nối ma trận độ cứng và ma trận khối lượng tổng thể 34 2.3.4. Tích phân số 35 2.3.5. Các phương trình tổng quát 37 2.4. THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 38 2.4.1. Các tiêu chuẩn sử dụng nhằm xác định tải trọng phá hủy của kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp, lượn sóng 38 2.4.1.1. Tiêu chuẩn ứng s uất lớn nhất 38 2.4.1.2. Tiêu chuẩn bền Tsai-Wu 39 2.4.2. Phân tích phá huỷ kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp 39 2.4.3 Thuật toán tích phân Newmark [31] 43 2.4.4 Thuật toán GA 44 2.4.5. Các chương trình tính 47 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 48 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA CÁC KẾT CẤU TẤM DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 49 3.1 MỞ ĐẦU 49 3.2. CÁC BÀI TOÁN KIỂM TRA THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH 50 3.2.1 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tĩnh 50 3.2.2 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán dao động 52 3.2.3 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tối ưu 53 3.3. PHÂN TÍCH TĨNH CÁC KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 56 3.3.1. Bài toán 1: Khảo sát ảnh hưởng của góc gấp nếp đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp một lần 57 3.3.2. Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của gó c gấp nếp đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần 60 3.3.3. Bài toán 3. Khảo sát ảnh hưởng gân và cách bố trí gân đến độ võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp 62 3.3.4. Bài toán 4: Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học đến độ võng, ứng suất của tấm lượn sóng hình thang 64 3.3.4.2 Ảnh hưởng của số lớp đến độ võng và ứng suất của tấm composit e dạng lượn sóng hình thang 65 3.3.4.1 Ảnh hưởng của góc gấp nếp (độ cao sóng) đến độ võng và ứng suất của tấm composite dạng lượn sóng hình thang 67 3.3.5 Bài toán 5. Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp 68 3.3.5.1 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp 2 lần 69 3.3.5.2 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm composite dạng gấp nếp dạng mũ (Hat-type folded plate) 71 3.4. PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CÁC KẾT CẤU TẤM GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG 73 3.4.1 Bài toán 6: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên đến tần số dao động riêng, dạng dao động riêng của tấm gấp nếp 75 3.4.2 Bài toán 7: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên, góc phương sợi đến đáp ứng động lực học của tấm gấp nếp 78 3.4.3 Bài toán 8: Ảnh hưởng của cách bố trí gân, điều kiện biên và cấu hình góc sợi đến tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của kết cấu tấm gấp nếp có gân gia cường 81 3.4.3.1. Ảnh hưởng của cách bố trí gân, điều kiện biên, cấu hình 81 góc sợi đến tần số dao động riêng, dạng dao động riêng 3.4.3.2. Ảnh hưởng của cách bố trí gân đến đáp ứng động lực học tấm 84 3.4.3.3. Ảnh hưởng của điều kiện biên đến đáp ứng động lực học tấm 85 3.4.3.4. Ảnh hưởng của cấu hình góc sợi đến đáp ứng động lực học tấm 87 3.4.4 Bài toán 9: Tối ưu tần số dao động ri êng kết cấu tấm gấp nếp theo cấu hình góc sợi bằng thuật toán di truyền 89 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 95 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 98 4.1. MỞ ĐẦU 98 4.2. XÂY DỰNG CÁC MẪU THÍ NGHIỆM 98 4.2.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm và cơ tính 98 4.2.2. Quy cách mẫu thí nghiệm 98 4.2.3 Các loại mẫu thí nghiệm 100 4.3 ĐỒ GÁ 102 4.4 THIẾT BỊ ĐO, GHI DỮ LIỆU 104 4.5 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍC H TẦN SỐ FFT 105 4.6 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 106 4.7. KẾT QUẢ ĐO TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 108 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 Các công trì nh đã công bố của tác giả liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo Phụ lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU (1,2,3) Các phương chính của lớp vật liệu [] A Ma trận độ cứng màng []B Ma trận độ cứng tương tác màng-uốn []C Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu dị hướng [] D Ma trận độ cứng vật liệu ĐKB Điều kiện biên i E Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i f i ( 1,in ) Tần số dao động riêng thứ i ij G Mô đun đàn hồi trượt GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) []K Ma trận độ cứng tổng thể của tấm k Số thứ tự lớp [] e k Ma trận độ cứng phần tử của tấm L Kích thước tấm LA Luận án ,, x yxy M MM Các thành phần momen uốn và xoắn  M Ma trận khối lượng tổng thể của tấm  e m Ma trận khối lượng phần tử của tấm ,, x yxy N NN Các thành phần lực màng n Số lớp composite PTHH Phần tử hữu hạn , x y QQ Các thành phần lực cắt [] ij Q Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (1,2,3) ' ij []Q Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (x,y,z) q(x,y) Tải trọng uốn tác dụng lên tấm []S Ma trận độ mềm trong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu dị hướng T Động năng của hệ [T] Ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ t Chiều dày tấm t k Chiều dày lớp vật liệu thứ k của tấm U Năng lượng biến dạng đàn hồi của hệ u,v,w Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z u o ,v o ,w o Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z tại mặt phẳng trung bình của tấm W Công ngoại lực W Kích thước chiều rộng tấm (x,y,z) Phương của hệ quy chiếu tổng thể (x’,y’,z’) Phương của hệ tọa độ phần tử α Góc gấp nếp ,, , , x yxyxzyz     Các thành phần biến dạng trong hệ tọa độ x,y,z xyxyoyoxo      ,,,, Các thành phần biến dạng tại mặt trung bình của tấm trong hệ tọa độ x,y,z i  Góc phương sợi lớp vật liệu thứ i của tấm , x y   Các thành phần góc xoay quanh các trục x, y tại mặt phẳng trung bình của tấm xyxyyx kkk   ,,,, Các thành phần độ cong tại mặt phẳng trung bình của tấm trong hệ toạ độ x,y,z ij  Hệ số Poisson của vật liệu theo phương ij ,,,, x yxyxzyz     Các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ x,y,z ξ, η Hệ toạ độ tự nhiên i   Tần số dao động riêng không thứ nguyên thứ i [...]... của kết cấu Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về các ứng xử cơ học (tính toán số cũng như thực nghiệm) của kết cấu composite dạng gấp nếp, lượn sóng còn rất mới mẻ và còn ít kết quả công bố Căn cứ vào thực tế ứng dụng và tình hình nghiên cứu hiện nay về các kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng, luận án đặt vấn đề nghiên cứu: Mô hình hoá và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng ... thuật toán cho bài toán tĩnh 41 Hình 2.8 Sơ đồ thuật toán cho bài toán động 42 Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán tối ưu tần số dao động riêng bằng GA 46 Hình 3.1 Tấm composite gấp nếp 1 lần 51 Hình 3.2- Tấm composite gấp nếp hai lần, góc gấp nêp α 52 Hình 3.3 Hình dạng hình học của tấm composite lớp gấp nếp 1 lần và 2 lần 54 Hình 3.4 Tấm gấp nếp dạng mái dốc kép (W-shape), góc gấp α 57 Hình 3.5 Tấm composite. .. 1.7 Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục) 8 Hình 2.1 Kết cấu tấm composite gấp nếp có gân gia cường dạng tấm 23 Hình 2.2 Kết cấu tấm lượn sóng hình thang 24 Hình 2.3 Mô hình tấm composite lớp 24 Hình 2.4 Phần tử qui chiếu 30 Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối ma trận độ cứng phần tử vào ma trận độ cứng tổng thể 35 Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán tính tải trọng phá huỷ lớp đầu tiên 40 Hình. .. thuật toán phần tử hữu hạn tính toán kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng Trình bày cách thiết lập thuật toán PTHH để tính toán tấm composite dạng gấp nếp (có và không có các gân gia cường), dạng lượn sóng dựa trên trường chuyển vị bậc nhất của Mindlin Các gân gia cường trong mô hình PTHH được mô tả như các phần tử tấm Chương 3: Nghiên cứu ứng xử tĩnh và động của các kết cấu tấm dạng gấp nếp, lượn. .. Nhiều kết cấu tấm composite gấp nếp trong thực tế được gia cường thêm bằng các gân mỏng (dạng tấm) như: kết cấu sàn composite, kết cấu composite làm vách bảo ôn… 1.2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG * Ứng dụng của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp: - Trong các kết cấu mái che: Nhằm tăng cường độ cứng vững, các kết cấu tấm composite thường được làm dưới hình dạng gấp nếp... của kết cấu Hình 1.7 Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục) Việc chế tạo và ứng dụng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang (với độ cao sóng lớn) trên thực tế hiện nay hầu hết đều dựa vào kinh nghiệm mà chưa có những tính toán, mô hình nào giải quyết đầy đủ các bài toán liên quan như bài toán tĩnh, bài toán động, bài toán tối ưu Vì vậy, việc xây dựng mô. .. cường chịu tải trọng uốn 63 Hình 3.13 Độ võng của tấm composite gấp nếp năm lần có và không có gân gia cường 64 Hình 3.14 Tấm composite dạng lượn sóng hình thang 65 Hình 3.15 Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố 65 Hình 3.15 Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố 66 Hình 3.17 Phân bố ứng suất (σx, σy, σxy) theo chiều dầy của tấm khi góc gấp nếp α = 900, 1050, 1200,... MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1 Mái che sử dụng tấm composite dạng gấp nếp 6 Hình 1.2 Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp 6 Hình 1.3 Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần 6 Hình 1.4 Tấm phẳng được gia cường bởi các tấm gấp nếp 7 Hình 1.5 Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng mũ (lõi rời rạc) 7 Hình 1.6 Tấm gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi, cầu nối của dầm composite 7 Hình. .. trọng phá hủy, tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của chuyển vị, xác định góc sợi tối ưu của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang - Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học và vật liệu: góc gấp nếp (α), vị trí các gân gia cường, điều kiện biên, số lớp vật liệu composite, góc sợi, đến ứng xử tĩnh và dao động của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang - Thiết... để mô hình hóa và tính toán số các kết cấu tấm composite có độ dày trung bình và lớn dưới tác dụng của tải trọng gây uốn, nhiệt độ và độ ẩm bằng phương pháp phần tử hữu hạn,… Trong các nghiên cứu [15-19], tác giả Hoàng Xuân Lượng và các công sự đã công bố nhiều các kết quả tính toán tĩnh, dao động và ổn định của tấm và vỏ làm 16 bằng vật liệu composite lớp Trong [15] trình bày các kết quả tính toán . dầm composite 7 Hình 1.7. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục) 8 Hình 2.1. Kết cấu tấm composite gấp nếp có gân gia cường dạng tấm 23 Hình 2.2. Kết cấu tấm lượn. về kết cấu tấm composite có dạng lượn sóng, gấp nếp. Chương 2: Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn tính toán kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng Trình bày cách thiết lập thuật toán. tĩnh và dao động của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang. - Thiết kế, chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm đo tần số dao động riêng của một số kết cấu tấm composite dạng gấp