Tính toán vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích và nhiệt độ

i LỜI CAM ĐOAN Tôi Trần Ngọc Cảnh, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả Trần Ngọc Cảnh ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Phạm Tiến Đạt PGS.TS Nguyễn Văn Hưng, tận tình giúp đỡ cho nhiều dẫn khoa học có giá trị giúp tơi hồn thành luận án Sự động viên, khuyến khích, kiến thức khoa học chuyên môn mà Thầy chia sẻ nhiều năm qua giúp nâng cao lực khoa học, phương pháp nghiên cứu lòng yêu nghề Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ mơn Cơ học vật rắn, Khoa Cơ khí, Phòng Sau đại học quản lý tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Bộ mơn Tơi cảm ơn nhóm nghiên cứu Đỗ Văn Thơm, thầy nhà khoa học Học viện Kỹ thuật Quân giúp đỡ q trình hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự, đồng nghiệp bạn bè thông cảm, động viên chia sẻ lúc khó khăn tơi, cổ vũ tinh thần vật chất để tơi hồn thành luận án Tác giả luận án iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vật liệu composite phương pháp tính tốn kết cấu composite 1.2 Các nghiên cứu kết cấu vỏ composite lớp 1.3 Mơ hình tải trọng sóng xung kích (SXK) 10 1.4 Về kết nghiên cứu kết cấu tấm, vỏ composite 15 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 15 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 25 1.5 Về tính tốn kết cấu composite nhiều lớp liên kết với chốt lớp đàn hồi 28 1.6 Nhận xét kết đạt vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 29 1.7 Những nội dung luận án cần tập trung giải 30 1.8 Kết luận Chương 30 CHƯƠNG TÍNH TỐN VỎ THOẢI COMPOSITE LỚP CHỊU TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI TẢI TRỌNG SĨNG XUNG KÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ 32 2.1 Mơ hình tốn giả thiết 32 2.1.1 Mơ hình tốn 32 2.1.2 Các giả thiết 32 2.2 Quan hệ ứng xử học vỏ composite lớp 33 2.2.1 Quan hệ ứng xử học vỏ thoải composite lớp 33 2.2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng 36 2.2.3 Các thành phần nội lực 38 2.2.4 Các hàm lượng vỏ thoải composite lớp .40 iv 2.2.5 Phương trình lượng 41 2.3 Thuật toán PTHH tính tốn động lực học vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 41 2.3.1 Mơ hình phần tử 41 2.3.2 Các véc tơ phần tử vỏ thoải 42 2.3.3 Nội lực phần tử 48 2.3.4 Các hàm lượng phần tử 48 2.3.5 Phương trình vi phân dao động phần tử vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 49 2.3.6 Phương trình vi phân dao động vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng sóng xung kích nhiệt độ 53 2.3.7 Chương trình tính kiểm tra mức tin cậy chương trình 58 2.4 Tính tốn số vỏ composite lớp 58 2.4.1 Kết cấu panel trụ composite lớp 58 2.4.2 Kết cấu panel cầu composite lớp 65 2.5 Kết luận Chương 67 CHƯƠNG TÍNH TỐN VỎ THOẢI COMPOSITE SANDWICH CĨ CHỐT LIÊN KẾT CHỊU TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI TẢI TRỌNG SĨNG XUNG KÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ 68 3.1 Mơ hình toán giả thiết 68 3.2 Quan hệ ứng xử học 69 3.2.1 Trường chuyển vị 69 3.2.2 Quan hệ biến dạng chuyển vị 70 3.2.3 Quan hệ ứng suất biến dạng 71 3.2.4 Các thành phần nội lực 72 3.3 Các hàm lượng vỏ 75 3.3.1 Thế biến dạng đàn hồi vỏ 75 3.3.2 Động vỏ 75 3.3.3 Công tải trọng tác dụng lên vỏ 75 v 3.4 Phương trình vi phân dao động cưỡng vỏ thoải composite sandwich 76 3.5 Thuật tốn PTHH tính tốn vỏ thoải composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 76 3.5.1 Mơ hình phần tử 76 3.5.2 Quan hệ véc tơ biến dạng véc tơ chuyển vị nút phần tử vỏ 81 3.5.3 Nội lực phần tử vỏ 87 3.5.4 Các hàm lượng phần tử vỏ composite sandwich 88 3.5.5 Thành lập phương trình vi phân dao động cưỡng phần tử chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 92 3.5.6 Phương trình vi phân dao động vỏ composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời sóng xung kích nhiệt độ 97 3.5.7 Kiểm tra độ tin cậy chương trình 98 3.6 Tính tốn số 102 3.7 Kết luận Chương 107 CHƯƠNG KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG VỎ COMPOSITE SANDWICH CÓ LIÊN KẾT CHỐT 108 4.1 Khảo sát ảnh hưởng số thông số đến dao động riêng vỏ 108 4.1.1 Các dạng dao động riêng kết cấu 108 4.1.2 Ảnh hưởng tỉ số a/h 109 4.1.3 Ảnh hưởng tỷ số hc/ht (ht=hb) 110 4.1.4 Ảnh hưởng tỷ lệ a/b 110 4.1.5 Ảnh hưởng hệ số độ cứng cắt ks chốt liên kết 111 4.2 Khảo sát ảnh hưởng số thông số đến đáp ứng động vỏ tác dụng tải trọng sóng xung kích môi trường nhiệt độ .111 4.2.1 Đáp ứng động lực học panel cầu sandwich (S-C-S) 112 4.2.2 Ảnh hưởng tỉ số a/h 114 4.2.3 Ảnh hưởng tỉ số hc/ht (ht=hb) 115 4.2.4 Ảnh hưởng tỷ số a/b 117 vi 4.2.5 Ảnh hưởng hệ số cắt ks chốt liên kết 119 4.2.6 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi hai lớp so với lớp (E c/Et) 121 4.2.7 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi hai lớp (tỉ số E b/Et) 123 4.3 Kết luận Chương 124 KẾT LUẬN 126 NHỮNG CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 PHỤ LỤC 142 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a Chiều rộng vỏ; b Chiều dài vỏ; Rx , Ry Bán kính vỏ; h, hk Chiều dày kết cấu, chiều dày lớp k vật liệu; Chỉ số ký hiệu lớp k=t,c,b; Ek Mô đun đàn hồi lớp k; Gk Mô đun trượt lớp k; k Hệ số Poisson lớp k; p(t) Tải trọng tác dụng theo phương pháp tuyến x, y, z bề mặt vỏ; Các tọa độ đề các; uk, vk, wk Các thành phần chuyển vị điểm lớp k; uok , vok , wo Chuyển vị điểm mặt trung bình lớp k; , xk Góc xoay mặt cắt ngang lớp k sau biến dạng; yk u Véc tơ chuyển vị điểm bất kỳ; u0 Véc tơ chuyển vị điểm mặt N trung bình; Ma trận hàm dạng phần tử; qj Véc tơ chuyển vị nút phần tử; qe Véc tơ chuyển vị phần tử; B0 B Ma trận tính biến dạng màng mặt trung bình; Ma trận tính biến dạng màng uốn; Véc tơ hệ số biến dạng màng B nhiệt; Ma trận tính biến dạng cắt; m B viii B Ma trận tính biến dạng màng ; Ma trận tính biến dạng Véc tơ biến dạng điểm; m Véc tơ biến dạng màng mặt trung bình; s T m Véc tơ biến dạng màng uốn điểm; Véc tơ biến dạng cắt điểm; Véc tơ biến dạng màng nhiệt; T s Véc tơ biến dạng cắt nhiệt; Q m Q s Q ksc Ma trận hệ số độ cứng; Ma trận hệ số độ cứng màng; Ma trận hệ số độ cứng cắt; Hệ số độ cứng cắt chốt; m Véc tơ ứng suất điểm; s Véc tơ ứng suất màng điểm; Ne Véc tơ ứng suất cắt điểm; Me Véc tơ nội lực màng phần tử ; Qe Véc tơ nội lực mô men uốn – xoắn phần tử ; A Véc tơ nội lực cắt phần tử ; B Ma trận độ cứng màng phần tử; D Ma trận độ cứng tương tác màng- uốn-xoắn phần tử; H Ma trận độ cứng uốn-xoắn phần tử; Ma trận độ cứng cắt phần tử; e sh e ix sc Thế biến dạng vỏ composite phần tử (shell); e Ae Thế biến dạng chốt phần tử (shear connector); Te Thế biến dạng phần tử; e Công tải trọng sóng xung kích; L e Động phần tử; Me Ma trận khối lượng riêng phần tử; C e K e Ma trận khối lượng phần tử; Pt FT Ft Hàm Lagrange cho phần tử ; e Ma trận cản phần tử; Ma trận độ cứng phần tử; e e Véc tơ tải trọng nút sóng xung kích phần tử; Véc tơ tải trọng nút nhiệt phần tử; PTHH Véc tơ tải trọng nút phần tử; SXK LCS SLCS SS C-C-C-C C-F-C-F CHỮ VIẾT TẮT Phần tử hữu hạn; Sóng xung kích; Vỏ composite lớp (Laminated composite shell); Vỏ composite sandwich (Sandwich laminated composite shell); Tựa đơn (simply supported); Ngàm bốn cạnh (Clamped); Ngàm-Tự (Clamped-Free- Clamped-Free) 143 Pi 0 A Pi 0 i 0 40 0 Pi A i 13 104 Pi 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Pi 13 104 P r s i i i r s r s2 r s r s2 i i i i i i i i 18 với i=1:8 Tọa độ nút M1 (-1,-1), M2(0,-1), M3(1,-1), M4(1,0), M5(1,1), M6(0,1), M7(-1,1), M8(-1,0) - Ma trận Jacobi s2 x 1 s 2r s J r 2s 1 r 2s r x6 - Các đạo hàm riêng hàm dạng theo r,s 144 N 13 13 104 - Các thành phần ma trận quan hệ véc tơ biến dạng màng tải trọng điểm mặt trung bình với véc tơ chuyển vị điểm mặt trung bình lớp phần tử 104 B 0t t NB t1 313 , B B 104 B 104 313 B ,B c10 13 13 B ,B b10 13 13 145 J 11* B ti J 21 N * J B i 11 0 R Ni B 0 0 Với i=1:8 - Các thành phần ma trận quan hệ véc tơ biến dạng màng uốn với véc tơ chuyển vị điểm mặt trung bình lớp phần tử R t 31 146 c 31 0000 b 31 00000000 B B ci ti * B 00000000 bi 00000000 J Với i=1:8 - Các thành phần ma trận quan hệ véc tơ biến dạng cắt điểm lớp với chuyển vị nút phần tử 147 1 R xy R xc 0000 0 B ti N i 0000 B ci 0000 B bi với i=1:8 - Biến đổi thành phần biểu thức phần tử vỏ + Thế biến dạng màng phần tử vỏ 148 n k m V ke n k n n n k1 40 n k V ke 401 n n n B0 40 n Vke dV dV qT e 40 Se với Se 149 n AT 40 n BT 40 + Thế biến dạng cắt n k s s k1V 402 Cs k T s 22 dV T k 40 22 C s k 12 T ke T B q dV 21 ke 240 n m k1 Vke n T k k1 Vke qT e 40 qT shell e e Se 40 qT e Se 40 qT 40 B e T H2 S e 22 40 B dS 40 150 tr T 0 0 0 0 0 0 T tr Chương trình Matlab LAMINATED_COMPOSITE_SHELL (CT1): tính tốn cho vỏ composite lớp, lớp bám dính tuyệt SANDWICH_LAMINATED_CPS_SHELL_WITH_SC (CT2): tính tốn cho vỏ sandwich composite liên kết chốt với nhau, lớp dạng vỏ composite lớp ... 2: Tính tốn vỏ thoải composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ Thiết lập hệ thức vỏ composite lớp theo lý thuyết vỏ thoải, quan hệ ứng xử học vỏ biểu thức năng, động... đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 92 3.5.6 Phương trình vi phân dao động vỏ composite sandwich có chốt liên kết chịu tác dụng đồng thời sóng xung kích nhiệt độ 97 3.5.7 Kiểm tra độ tin... kết chốt, dạng vỏ trụ thoải vỏ thoải hai độ cong, chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng xung kích nhiệt độ 4 * Phạm vi nghiên cứu: xác định đáp ứng động lực học cho vỏ thoải composite làm việc