cTấm và vỏ cú gõn gia cường bằng vật liệu composite đó được ứng dụng cho nhiều ngành cụng nghiệp khỏc nhau đặc biệt trong hàng khụng và tầu thủy, với cỏc tớnh năng vượt trội của vật liệu
Mai văn hào Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học Cơ học kỹ thuật ngành : học kỹ thuật phân tích học kết cấu composite có gân gia cờng phơng pháp phần tử hữu hạn 2005 - 2007 mai văn hào Hà Nội - 2007 Hµ NéI - 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131786991000000 LỜI NÓI ĐẦU So với vật liệu kinh điểm, vật liệu composite có nhiều ưu điểm bật: độ bền riêng mô đun đàn hồi riêng cao, chống mài mịn tốt… Vì vậy, ngày ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp đại giới nước ta như: Ngành chế tạo máy, hàng không vũ trụ, xậy dựng, ô tô, chế tạo tàu, thuyền…và đời sống Để thiết kế tối ưu vật liệu kết cấu composite, cần thiết phải hiểu rõ chất qui luật ứng xử học phức tạp Ứng dụng composite ngành cụ thể khác nhau, cần thiết để nghiên cứu chuyên sâu ứng dụng loại kết cấu riêng biệt Kết cấu composite chia nhiều loại khác tấm, vỏ, có gân gia cường, vỏ có gân gia cường…Phân tích kết cấu phương pháp phần tử hữu hạn cho kết tốt đạt thông số hội tụ cao Vì vậy, hướng nghiên cứu luận văn phân tích kết cấu composite có gân gia cường phương pháp phần tử hữu hạn Toàn luận văn chia làm chương Chương giới thiệu tình hình ứng dụng vật liệu composite Chương tìm hiểu tổng quan vật liệu composite Chương nghiên cứu sở lý thuyết kết cấu gân gia cường Chương chương xây dựng phương trình thuật tốn cho tính tốn kết cấu composite Chương tìm hiểu ứng dụng Ansys cho tính tốn kết cấu composite Chương kết tính tốn cho kết cấu khác so sánh Do hạn chế điều kiện vật chất tiếp cận với kết mà giới đạt nên luận văn khơng tránh khỏi nhận định thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bỏ ích từ người đọc luận văn quan tâm đến kết cấu composite có gân gia cường Sau tơi xin trình bày nội dung chi tiết luận văn Trang BẢNG CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT [A] [B] [C] Ma trận độ cứng màng Ma trận độ cứng tương tác màng-uốn Ma trận độ cứng quan hệ ứng suất-biến dạng vật liệu dị hướng [D] Ma trận độ cứng uốn Ei Mô đun đàn hồi kéo, nén G ij Mô đun đàn hồi trượt Hệ số Poisson vật liệu ν ij h Chiều dày hk Chiều dày lớp vật liệu thứ k θ Góc phương vật liệu thứ k [κ] Ma trận độ cong q(x,y) Tải trọng ngang tác dụng lên [S] Ma trận độ mềm quan hệ ứng suất-biến dạng vật liệu dị hướng Tσ Ma trận biến đổi hệ sở ứng suất Tε Ma trận biến đổi hệ sở biến dạng (1,2,3) Phương lớp vật liệu (x,y,z) Phương hệ quy chiếu tông quát u,v,w Các thành phần chuyển vị theo phương x,y,z u0 ,v ,w Các thành phần chuyển vị theo phương x,y,z mặt phẳng trung bình [Q ij ] Ma trận độ cứng thu gọn hệ (1,2,3) ' [ Qij ] Ma trận độ cứng thu gọn hệ (x,y,z) [T ε ] Ten-xơ biến dạng [T σ ] Ten-xơ ứng suất εx , εy , γ xy , γ xz , γ yz Các thành phần biến dạng hệ toạ độ x,y,z 0 Các thành phần biến dạng mặt trung bình ε 0x , ε 0y , γ xy , γ xz , γ yz hệ toạ độ x,y,z Các thành phần ứng suất hệ toạ độ x,y,z σx , σ y , σxy , σxz , σyz N x , Ny , Nxy Các lực màng M x, M y, M z Các mô men uốn xoắn Q x , Qy Các lực cắt bx , b y Chiều ngang gân theo phương x,y hx , h y Chiều cao gân theo phương x,y t Bề dày gân Trang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU .7 ỨNG DỤNG .7 2.1 Ứng dụng ngành hàng không 2.2 Ứng dụng Composite ngành hàng hải 3.3 Tình hình nghiên cứu 11 CHƯƠNG 14 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 14 2.1 ĐỊNH NGHĨA 14 2.2 ĐẶC TÍNH CHUNG .14 2.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU COMPOSITE .15 2.3.1 Phân loại theo hình dạng 15 2.3.2 Phân loại theo chất vật liệu thành phần 15 2.4 VẬT LIỆU THÀNH PHẦN COMPOSITE 16 2.4.1 Nhựa 16 2.4.2 Sợi vải 16 2.4.3 Dạng nhiều phương 17 2.4.4 Các loại sợi 18 2.5 CẤU TRÚC VẬT LIỆU COMPOSITE 20 2.5.1 Vật liệu composite nhiều lớp 20 2.5.2 Kết cấu composite nhiều lớp 23 2.5.3 Vật liệu composite "ba lớp" 23 2.5 CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE DỊ HƯỚNG 24 2.5.1 Định luật Hooke tổng quát 24 2.5.2 Biểu diễn số độ cứng độ mềm qua mô đun kỹ thuật 26 2.6 LÝ THUYẾT VỀ LỚP COMPOSITE 27 2.6.1 Lớp composite đồng phương 27 2.6.2 Tenxơ biến dạng hệ tọa độ 27 2.6.3 Ten xơ ứng suất hệ tọa độ 28 2.6.4 Ma trận độ cứng 29 2.6.5 Trạng thái ứng xuất phẳng 29 2.6.5 Phương trình đàn hồi trạng thái ứng suất phẳng 30 2.6.6 Ma trận số độ cứng thu gọn hệ trục 30 2.6.7 Liên hệ số độ cứng thu gọn trục lệnh trục 30 CHƯƠNG 31 Trang CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẤM-GÂN GIA CƯỜNG 31 3.1 LÝ THUYẾT TẤM MỎNG 32 3.2 CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN 32 3.3 TRƯỜNG CHUYỂN VỊ .32 3.3.1 Xây dựng phương trình theo mơ hình Mindlin 32 3.3.2.Trường chuyển vị theo sơ đồ bậc 34 3.4 TRƯỜNG BIẾN DẠNG 36 3.4.1 Biểu thức tổng quát 36 3.4.2 Sơ đồ bậc 37 3.5 TRƯỜNG ỨNG SUẤT 37 3.5.1 Biểu thức tổng quát 37 3.5.2 Biểu thức đơn giản 38 3.5 LỰC VÀ MOMEN 39 3.5.1 Lực màng 39 3.5.2 Lực cắt 40 3.5.3 Mômen uốn mômen xoắn 40 3.6 MỘT SỐ QUAN HỆ CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT TẤM NHIỀU LỚP 41 3.6.1 Phương trình học vật liệu 41 3.6.2 Hệ thức liên hệ lực màng 42 3.6.3 Hệ thức liên hệ lực cắt 43 3.6.4 Hệ thức liên hệ mômen 45 3.6.5 Tóm tắt hệ thức 46 3.6.5 Bài toán tĩnh học vật rắn biến dạng 48 3.7 CƠ SỞ TÍNH TỐN GÂN GIA CƯỜNG 48 3.7.1 Biểu thức tổng quát 49 CHƯƠNG 51 CƠ SỞ TÍNH TỐN TẤM – GÂN GIA CƯỜNG 51 4.1 PHƯƠNG TRÌNH CẤU THÀNH CỦA TẤM COMPOSITE lỚP 51 4.1.1 Giả thiết 51 4.1.2 Biểu thức xác định lực mômen 53 4.2 PHƯƠNG TRÌNH CẤU THÀNH GÂN .56 CHƯƠNG 58 PHƯƠNG TRÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CỦA KẾT CẤU TẤM-GÂN 58 5.1 PHƯƠNG TRÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỐI VỚI TẤM 58 5.1.1 Các yêu cầu 58 5.1.2 Chọn kiểu phần tử 60 5.1.3 Ma trận chuyển vị nút-biến dạng [B] 62 5.2 PHƯƠNG TRÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỐI VỚI GÂN 63 5.2 TỔ HỢP PHƯƠNG TRÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN TẤM - GÂN 64 5.3 CHƯƠNG TRÌNH LUẬN VĂN 69 5.3.1 Giao diện chương trình 69 Trang 5.3.2 Thuật giải tổng quát chương trình 70 5.3.3 Thuật giải tính ma trận quan hệ ứng suất-biến dạng [Q] 75 5.3.4 Thuật giải tính ma trận độ cứng vật liệu 75 5.3.5 Thuật giải chia lưới phần tử 77 5.3.6 Thuật giải xác định ma trận hàm dáng N ma trận Jacobian J 81 5.3.7 Thuật giải tính ma trận quan hệ chuyển vị biến bạng B 83 5.3.6 Thuật giải tính ma trận khối lượng [M] 84 5.3.7 Thuật giải tính ma trận độ cứng [K] 87 CHƯƠNG 89 BÀI TỐN TRÊN MƠI TRƯỜNG ANSYS 10.0 89 6.1 TỔNG QUAN 89 6.2 XÁC ĐỊNH CẤU HÌNH CỦA LỚP VẬT LIỆU 89 6.2.1 Định rõ thuộc tính lớp 90 6.2.2 Xác định ma trân độ cứng 92 6.2.3 Xây dựng mô hình phương pháp tính 92 6.2.4 Tạo mặt cắt composite 93 6.2.5 Vấn đề liên quan mặt diện tích mặt cắt 93 6.2.5 Tạo mặt cắt ngang cho dầm 94 6.3 TỔNG QUAN VỀ PHẦN TỬ SHELL99 .96 6.3.1 Thông số đầu vào SHELL99 97 6.3.2 Kết tính tốn phần tử SHELL99 99 6.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN TỬ DẦM BEAM189 99 6.4.1 Mô tả phần tử BEAM189 99 6.4.2 Thông số đầu vào phần tử dầm BEAM189 99 6.4.3 Các kết phần tử dầm BEAM189 100 CHƯƠNG 101 KẾT QUẢ TÍNH TỐN KẾT CẤU TẤM-GÂN 101 7.1 BÀI TOÁN KẾT CẤU TẤM-GÂN GIA CƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ĐẲNG HƯỚNG 101 7.1.1 Tính tần số dao động riêng 102 7.1.2 Tính tần số dao động riêng có gân gia cưởng 103 7.2 BÀI TỐN 2: KẾT CẤU TẤM-GÂN BẰNG COMPOSITE 104 7.2.2 Tính tần số dao động riêng với – gân ngàm cạch 105 7.2.3 Vẽ mode dao dộng riêng với –gân ngàm cạch 106 7.3 BÀI TỐN 3: TÍNH KẾT CẤU TẤM-GÂN CHỊU UỐN 108 7.3.1 Trường chuyển vị 108 7.3.2 Trường ứng suất phân bố theo Von Mises 109 7.3.3 Các đồ thị 109 7.4 BÀI TỐN TÍNH TẤM-GÂN GIA CƯỜNG CĨ KẾT CẤU PHỨC TẠP .110 7.4.1 Tính ba tần số dao động riêng khơng có gân 111 Trang 7.4.2 Tính ba tần số dao động riêng tấm- gân gia cường 114 7.4.3 Xác định dạng dao động riêng 117 7.5 BÀI TOÁN TÍNH KẾT CẤU TẤM-GÂN PHỨC TẠP CHỊU UỐN 118 7.5.1 Kết chương trình Matlab 119 7.5.2 Kết chương trình Ansys cho có gân gia cường 120 KẾT LUẬN CHUNG 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 Trang CHƯƠNG PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU Việc nghiên cứu loại vật liệu nhẹ, bền cứng để ứng dụng kết cấu nhiều lĩnh vực khác nhau: hàng không dân dụng, hàng không vũ trụ, hàng hải , y khoa, rô bốt, xây dựng, công nghiệp ô tô, đường sắt,… tập trung vào vật liệu composite Tấm vỏ có gân gia cường vật liệu composite ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác đặc biệt hàng không tầu thủy, với tính vượt trội vật liệu tỉ lệ sức bền với khối lượng, độ bền, sức bền phá hủy nhiều đặc điểm khác Với việc gia tăng ứng dụng nhờ thay đổi linh hoạt cấu trúc vật liệu composite, xuất nhiều báo cáo tập trung nghiên cứu ứng xử có gân hay khơng gân tăng cường Những nghiên cứu tập trung cấu trúc chịu tác động tải trọng gió tải trọng va đập nước ỨNG DỤNG 2.1 Ứng dụng ngành hàng không Hiện nay, hầu hết công ty hàng không phát triển sản phẩm làm từ vật liệu composite có gân tăng cường Cách ứng dụng composite nghiên cứu cách rộng khắp từ năm 1960 Giai đoạn đầu, mơ hình miếng vật liệu xây dựng thành Giai đoạn thứ hai, cách thay phần nhỏ chi tiết thuộc máy bay, mà phần thiết kế thay cho kim loại tồn trước Giai đoạn thứ ba, sản xuất miếng máy bay thiết kế từ bắt đầu thay đổi cách sản xuất đến vật liệu composite có gân tăng cường Giai đoạn cuối xây dựng toàn thân máy bay composite Trang Hình 1.1: Các tải trọng tác dụng lên cách máy bay a) Lực tác dụng theo phương x, b) Lực tác dụng theo phương y Hình 1.2: Kết cấu cánh máy bay vật liệu composite Trang Hình 1.3: Kết cấu thân chi tiết máy bay làm vật liệu composite có gân tăng cường 2.2 Ứng dụng Composite ngành hàng hải Hình 1.4: Vỏ loại thuyền nhỏ Hình 1.5: Các chi tiế vỏ thuyền nhỏ Trang