1.Nghiên cứu lý thuyết chảy dẻo liên tục dụa trên các nguyên lý nhiệt động lục học (lý thuyết hyperplasticity và lý thuyết continuous hyperplasticity).2.Xác định các hàm thế năng cho các mô hình đàn hồi dẻo kết hợp với tái bền.3.Vận dụng lý thuyết chảy dẻo cùng với phương pháp phần tử hữu hạn cho các bài toán phân tích phi tuyến bằng phuơng pháp NewtonRaphson cải tiến và áp dụng cho một số bài toán cơ bản, phân tích ứng xử duới tác dụng của tải trọng lặp cho (i) bài toán thanh một chiều, (ii) bài toán dầm ứng suất phẳng, (iii) bài toán ống biến dạng phẳng.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÂN NGUYÊN HẢI ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CHẢY DẺO LIÊN TỤC TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU Chuyên ngành: Mã Ngành: KTXD Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Sỹ Lâm Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến Quốc Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Chu Quốc Thắng PGS.TS ĐỖ Kiến Quốc PGS.TS Nguyễn Trung Kiên PGS.TS Nguyễn Xuân Hùng PGS.TS Lưưng Văn Hải CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG PGS.TS CHU QUỐC THẮNG PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: THẦN NGUYÊN HẢI MSHV: 7140044 Ngày, tháng, năm sinh: 31/05/1991 Nơi sinh: Vĩnh Long Chun ngành: KTXD Cơng Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp Mã số: 60 58 02 08 I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CHẢY DẺO LIÊN TỤC TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu lý thuyết chảy dẻo liên tục dụa nguyên lý nhiệt động lục học (lý thuyết hyperplasticity lý thuyết continuous hyperplasticity) Xác định hàm cho mơ hình đàn hồi dẻo kết hợp với tái bền Vận dụng lý thuyết chảy dẻo với phương pháp phần tử hữu hạn cho tốn phân tích phi tuyến phuơng pháp Newton-Raphson cải tiến áp dụng cho số tốn bản, phân tích ứng xử duới tác dụng tải trọng lặp cho (i) toán chiều, (ii) toán dầm ứng suất phẳng, (iii) toán ống biến dạng phẳng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Sỹ Lâm Tp Hồ Chí minh, ngày tháng năm CHỦ TỊCH HỘI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỒNG NGÀNH TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG TS NGUYỄN SỸ LÂM PGS.TS BÙI CÔNG THÀNH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Từ tận đáy lịng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy, TS Nguyễn Sỹ Lâm, người cho định hướng nghiên cứu, ln dành thời gian để tận tình hướng dẫn đưa gợi ý để tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Giáo sư Guy T Houlsby (University of Oxford) dành thời gian quý báu để giải đáp thắc mắc đưa lời khun để tơi đạt kết quan trọng đầu tiên, tiền đề để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Định Giang (University of Adelaide) chia sẻ cho nguồn code OXFEM quý giá để tơi hồn thiện luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến người anh, NCS Nguyễn Chánh Hồng (Imperial College London), nhóm lên lửa, cho niềm tin mạnh mẽ để theo đường nghiên cứu khoa học giúp tơi trì lửa đến ngày hơm Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Anh Hồng, Anh Dưong, Chị Yến, Anh Triết anh chị em công ty Gouvis Engineering giúp đỡ, tạo nhiều điều kiện cho thời gian công tác cơng ty để tơi vừa đảm bảo tài chính, vừa có đủ thời gian để hồn thành việc học tập Tơi xin gửi lời cám ơn đến người bạn Lê Nguyên Hải, Duy Sang, Thái Hồng, MinhTuấn, Tâm Thảo, Bình An, Anh Hậu, Chị Thanh, Chị Thư, Chị Trâm Anh giúp giai đoạn khác chặng đường qua Tôi không quên giúp đỡ người Sau cùng, xin cảm ơn Ba Mẹ, người điểm tựa to lớn, tin tưởng, động viên động lực lớn để cố gắng ngày hôm Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm HVCH Thân Nguyên Hải TÓM TẮT LUẬN VĂN • TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CHẢY DẺO LIÊN TỤC TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU Lý thuyết hyperplasticity cách tiếp cận lý thuyết chảy dẻo dựa nguyên lý nhiệt động lực học Một đặc điểm quan trọng lý thuyết tồn ứng xử mơ hình đuợc định nghĩa từ hai hàm Lý thuyết sau mở rộng thành lý thuyết continuous hyperplasticity có khả mơ tả đường quan hệ ứng xử chuyển từ miền đàn hồi sang miền tái bền gần với thực tế Ưu điểm lý thuyết continuous hyperplasticity khả xây dựng mơ hình vật liệu với nhiều mặt chảy dẻo Trong phạm vi luận văn này, mơ hình vật liệu đàn hồi dẻo kết hợp tái bền dựa lý thuyết chảy dẻo hyperplasticity continuous hyperplasticity với ba dạng tái bền (tái bền đẳng hướng, tái bền động học tái bền hỗn hợp) giới thiệu Các hàm phép biến đổi toán học mơ hình trình bày với mục đích áp dụng vào tốn xác định ứng xử đàn hồi dẻo mơ hình vật liệu chiều đa chiều Trong toán đa chiều, tiêu chuẩn chảy dẻo Von Mises luật chảy dẻo kết hợp sử dụng Các Ví dụ áp dụng vào tốn phân tích phi tuyến thực phương pháp Newton-Raphson cải tiến kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn Chương trình Matlab cơng cụ hỗ ttợ ttong luận văn Một ttong ưu điểm lý thuyết dẻo dựa nguyên lý nhiệt động học giới thiệu khả mô tả ứng xử hệ tác dụng tải ừọng lặp Bên cạnh đó, khác dạng tái bền thấy có q trình dỡ tải Vì vậy, Ví dụ ừong luận văn chủ yếu tập trung vào ứng xử hệ tác dụng tải ttọng lặp Ba tốn phân tích ứng xử dùng luận văn toán chiều chịu tải ttọng dọc trục, tốn dầm cơng-xơn ứng suất phẳng chịu lực tập trung toán ống biến dạng phẳng chịu áp lực bề mặt SUMMARY OF THESIS THESIS TITLE: APPLICATIONS OF HYPERPLASTICITY AND CONTINUOUS HYPERPLASTICITY IN STRUCTURE ANALYSIS Hyperplasticity is an approach to plasticity theory based on principles of thermodynamic The key feature of this concept is that all the behavior of a model can be defined by only two scalar potential functions This theory later has been extended to continuous hyperplasticity in which smooth transitions between elastic and plastic behavior can be modelled more realistic One of the advantages of this development is the ability to derive the multiple-yield-surface model In this thesis, the formulations of elasto-plastic models with strain hardening using hyperplasticity and continuous hyperplasticity will be introduced Three types of hardening (isotropic hardening, kinematic hardening and mixed hardening) will be considered Potential functions and the formulation of each model will be described in order to derive the behavior of models in one-dimension and multi-dimension In case of multi-dimension, the Von Mises yield criterion and associated flow rule are employed Formodels are numerical implemented examples, for nonlinear the modified solution Newton-Raphson Athe Matlab code method is made plasticity for this theory work isthe One the of ability the advantages to capture of the this behaviors of between under of cyclic hardening loading can be Besides, seen in unloading difference process focus ontypes Therefore, the behavior of applications models under cyclic thesis loading will Three fixed structure at one end cases and axial are considered loaded at in other, this a work: plane asttess bar cantilever cylinder under beam pressure under point load and a plane sttain i i i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công việc thực hướng dẫn TS Nguyễn Sỹ Lâm Các kết luận văn trung thực, khách quan chưa công bố nghiên cứu tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm HVCH Thân Nguyên Hải MỤC LỤC X DANH MỤC BÀI BÁO 87 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 88 93 Với mơ hình có số mặt chảy dẻo nhiều hom, biến dạng dẻo xuất sớm biến dạng lớn so với mơ hình mặt chảy dẻo cấp tải Tuy nhiên tất mặt chảy dẻo kích hoạt, đường quan hệứng suất biến dạng cỏ độ dốc chạy song song với Trong Ví dụ tiếp theo, số mặt chảy dẻo sử dụng N=20 Hình 4.29 Ảnh hưởng số mặt chảy dẻo N 94 Hình 4.30 Ảnh hưởng hệ số 4.4.1.2 Ảnh hưởng hệ số TfoinừM Hệ sô % qui định phân bô mặt chảy dẻo, ảnh hưởng hệ sơ TỊÚ thể Hình 4.30 Có thể thấy, hệ số lớn chảy dẻo xuất chậm đoạn cong chuyển từ trạng thái đàn hồi sang đàn hồi dẻo bị thu hẹp lại Do ĩjQilialcó ảnh hưởng quan trọng tới hình dạng đường biểu diễn 4.4.1.3 Ảnh hưởng số mũ b Số mũ b qui định giá trị hệ số tái bền mặt chảy dẻo, ảnh hưởng mũ b thể Hình 4.31 95 Như thể ttong Hình 4.31, số mũ b lớn dẫn đến thay đổi đường biểu diễn Sự chênh lệch từ b= đến b=15 khơng lớn Khi b=15 thấy đường biểu diễn mơ hình 20 mặt chảy dẻo có dạng giống với mơ hình mặt chảy dẻo 4.4.1.4 Ảnh hưởng hệ số r Tương tự sổ mũ b ảnh hưởng hệ số r thể Hình 4.32 Hình 4.32 Ảnh hưởng hệ sổ r Từ kết thu ta thấy việc chọn hệ số ảnh hưởng đến kết toán Tùy trường hợp ta thu kết khác Do đố để thu kết gần với thực tế cần cố so sánh với kết thí nghiệm để lựa chọn cảc hệ số thích hợp cho loại vật liệu 4.4.2 Ví dụ 4.5: So sánh mơ hình mặt chảy dẻo mơ hình nhiều mặt chảy dẻo Mơ hình nhiều mặt chảy dẻo cố khả mô tả quan hệ ứng suất biến dạng không thuận nghịch từ bắt đầu gia tải trình tải trọng đổi chiều Các kết Ví dụ thể ưu điểm Các thơng số vật liệu tương tự Ví dụ 4.1 với bốn Chu trình tải frọng khác áp dụng thể Bảng 4.7 97 Bảng 4.7 Thơng số đầu vào-Ví dụ 4.5 Thông số vật liệu Mô-đun đàn hồi Young E(Mpa) 210000 ứng suất chảy dẻo Ợp (Mpa) 240 Hệ số tái bền Hkine(O) (Mpà) TTA * ~,initùđ Hệ sô ĨJQ số mũ 30000 Các số • Hệ số r 0.8 Bước đến 45 Các Chu trình tải trọng p ịkN) đến 57 đến 39 đến 57 45 đến -45 57 đến 39 tân-54 57 đến-54 -45 đến 48 đến 63 -54 đến 63 -54 đến 63 Trong đỏ HkìneịO) hệ số tái bền động học Ho trường hợp N=ĩ Hệ số tải bền lấy tương tự Ví dụ 4.1 cho mơ hình chiều Mơ hình nhiều mặt chảy dẻo sử dụng sổ mặt chảy dẻo N=20 Các kết thu được trình bày từ Hình 4.33 đến Hình 4.36 Ở Chu trình 1, với mơ hình mặt chảy dẻo, ứng suất chưa đạt đến giá trị chảy dẻo hai trình kéo nén nên úng xử hồn tồn đàn hồi Mơ hình nhiều mặt chảy dẻo ứng xử không thuận nghịch sớm nên ta cố thể thấy quan hệ ứng suất Hình 4.33 Đối với Chu trình 2, ứng suất khỉ tăng tải vượt qua giả trị chảy dẻo khỉ trình dỡ tải chưa đạt đến giả trị chảy dẻo mơ hình mặt chảy dẻo Mơ hình nhiều mặt chảy dẻo thể quan hệ cố thể xem phi tuyến trình tăng tải giảm tải kết thu Hình 4.34 Dưới tác dụng tải trọng Chu trình (Hình 4.35), mơ hình mặt chảy dẻo ứng xử đàn hồi chịu kéo xuất chảy dẻo khỉ tải trọng đổi chiều, ứng xử phi tuyến thể haỉ trình kéo nén mơ hình nhiều mặt chảy dẻo Với Chu trình 4, đường quan hệ ứng suất biến dạng thề úng xử hai dạng mô hình ứng suất vượt qua giới hạn đàn hồi trình kéo nén (Hình 4.36) E x1ơ'a Hình 4.33 Quan hệ «7 - £ , Chu trình 1-VÍ dụ 4.5 ( M P Ê Hình 4.34 Quan hệ - £ Chu trình 2-Ví dụ 4.5 * 10'3 € Hình 4.35 Quan hệ «7 - £ , Chu trình 3-VÍ dụ 4.5 ( M P Hình 4.36 Quan hệ - £, Chu trình 4-VÍ dụ 4.5 x1ÍJ-a 4.43 Ví dụ 4.6: So sánh mơ hình tái bền động học tái bền hSn hợp tác dụng tải trọng lặp Trong việc thiết lập mơ hình nhiều mặt chảỵ dẻo, tính chất tái bền động học tồn Do hai dạng tải bền giối thiệu tải bền động học tái bền hỗn hợp Thông số đầu vào Ví dụ 4.6 giới thiệu Bảng 4.8 Bảng 4.8 Thơng số đầu vào-Ví dụ 4.6 Thơng số vật liệu Mô-đun đàn hồi Young E (Mpa) 210000 ứng suất chảy dẻo ơp (Mpa) 240 Hệ số tái bền Hỉứneịi) (Mpa) 30000 Hệ số tái bền Hkine(2) (Mpà) Hệ số tái bền Hiso(2} (Mpa) 24000 6000 Các hệ số SỔ mặt chảy dẻo N 20 TTA Ẵ ^initial Hệ sô ựõ Sổ mũ ỉ’ Hệ số r 0.8 Các Chu trình tải trọng p (kN) Bước đến 57 đến 57 57 đến-54 57đến-60 -54 đến 60 -60 đến 66 60 đến -57 -57 đến 63 66 đến -69 -69 đến 75 63 đến -60 75 đến -78 -60 đến 66 -78 đến 84 66 đến -63 84 đến -87 -63 đến 69 69 đến -66 -87 đến 93 93 đến -96 -66 đến 72 -96 đến 99 10 11 Hai chu trình tải trọng giới thiệu nhằm quan sát đặc điểm dạng mơ hình tái bền Chu trình cho mơ hình tái bền động học Chu trình cho mơ hình tái bền hỗn hợp Bên cạnh đỗ, khả mô tả ứng xử tác dụng tải trọng lặp thể Ví dụ hệ số tái bền cho trường hợp số mặt chảy dẻo N= theo điều kiện hàm tái bền (2.117) cho mơ hình tái bền đẳng hướng, Hỉdne(2) NÌ Hiso(2) hệ số tái bền động học đẳng hướng cho mơ hình tải bền hỗn hợp Như thảo luận trọng Ví dụ 4.1, điều kiện đặt để dộ dốc giai đoạn tái bền giống cho hai trường hợp tái bền Hỉdne(2)+ Hiso(2ị= Hkineịl) Hình 4.37 Quan hệ ứng suất biến dạng mơ hình chiều tái bền động học nhiều mặt chảy dẻo tác dụng tải trọng lặp Chu trình 1-VÍ dụ 4.6 Hình 4.38 Quan hệ úng suất biến dạng mơ hình chiều tái bền hỗn hợp nhiều mặt chảy dẻo tác dụng tải ưọng lặp Chu trình 2-Ví dụ 4.6 Dễ thấy mơ hình nhiều mặt chảy dẻo tái bền động học, luật Masỉng thể tương tự Ví dụ 4.2 Ví dụ 4.3 Đối với mơ hình tái bền hỗn hợp, cỏ mở rộng mặt chảy dẻo nên đường tăng tải giảm tải không trùng với giai đoạn tăng giảm tải trước đố mà mức ứng suất lớn Bên cạnh đố, thay đổi vị trí kích thước mặt chảy dẻo nên có thề quan sát thấy bước tăng giảm tải sau có đoạn cong chuyền từ giai đoạn đàn hồi sang tái bền bị thu nhỏ lại Tuy nhiên, dộ dốc giai đoạn đàn hồi giai đoạn tái bền không thay đổi 4,4.4 Nhận xét Các kết thu thể ưu điểm mơ hình nhiều mặt chảy dẻo so với mơ hình chảy dẻo Với việc áp dụng mơ hình nhiều mặt chảy dẻo, đường quan hệ ứng suất biến dạng xem phỉ tuyến Các hiến dạng không hồi phục xuất vừa gia tải q trình cất tải Vận dụng mơ hình nhiều mặt ... TÀI: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CHẢY DẺO LIÊN TỤC TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU Lý thuyết hyperplasticity cách tiếp cận lý thuyết chảy dẻo dựa nguyên lý nhiệt động lực học Một đặc điểm quan trọng lý thuyết. .. Dân Dụng Và Cơng Nghiệp Mã số: 60 58 02 08 I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CHẢY DẺO LIÊN TỤC TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu lý thuyết chảy dẻo liên tục dụa nguyên lý. .. luật chảy dẻo phụ thuộc ứng suất tổng quát hóa /ý ừong với lý thuyết dẻo truyền thống, biến dạng dẻo liên quan đến đạo hàm hàm dẻo (hay hàm chảy dẻo trường hợp luật chảy dẻo kết hợp) theo ứng