Phân tích ứng xử bất ổn định của tấm tăng cứng chịu tải nén và áp lực ngang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHẠM THỊ ANH PHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM TĂNG CỨNG CHỊU TẢI NÉN VÀ ÁP LỰC NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Long An, năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHẠM THỊ ANH PHƯƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM TĂNG CỨNG CHỊU TẢI NÉN VÀ ÁP LỰC NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Mã ngành : 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN Long An, năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố tạp chí khoa học cơng trình khác Các thông tin số liệu luận văn có nguồn gốc ghi rõ ràng./ Tác giả (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Xin cám ơn Thầy PGS.TS Trương Tích Thiện, Thầy đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài làm mạnh dạn tiếp cận với hướng nghiên cứu đồng thời, thầy người tận tụy giúp hệ thống hóa lại kiến thức quản lý định lượng phân tích hiểu biết thêm nhiều điều q trình nghiên cứu luận văn Để hồn thành đề cương luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận nhiều giúp đỡ tập thể cá nhân Tơi xin tỏ lịng biết ơn đến tập thể cá nhân dành cho giúp đỡ q báu Tơi xin chân thành cảm ơn Q Thầy Cô Khoa Xây dựng trường Đại Học Kinh tế Công nghiệp Long An tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học nghiên cứu khoa học Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong Q Thầy Cơ dẫn thêm để tơi bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả (Ký ghi rõ họ tên) iii TÓM TẮT Tấm mỏng dạng kết cấu dễ bị ổn định chịu tác động lực nén áp lực ngang Trong luận văn này, phương pháp phần tử hữu hạn với nhiều ưu điểm phân tích kết cấu chứng minh nghiên cứu trước sử dụng để phân tích hậu bất ổn định cho kết cấu vật liệu đẳng hướng vật liệu composite Các kết tính tốn thơng qua chương trình ANSYS kiểm chứng so với kết giải tích Luận văn thực phân tích ứng xử mơ hình tấm: đẳng hướng Composite Với mơ hình tấm: - Luận văn phân tích tải tới hạn chịu tải nén đơn trục, kết phân tích từ ANSYS so sánh với kết giải tích - Luận văn phân tích ảnh hưởng tải trọng ngang đến khả ổn định Kết cho thấy, có tải trọng ngang tác động tải tới hạn chịu nén đơn trục tăng lên iv ASBTRACT Thin plates are susceptible to buckling under compression and lateral pressure In this thesis, the finite element method (FEM) with many advantages in structural analysis has been demonstrated in previous studies to be used to analyze postbuckling behaviour of the isotropic plates and composite plates The result is analyzed by ANSYS and compared to the theoretical results Two plate models: isotropic and composite plate are analyzed in thesis For each plate model: - The critical load of the isotropic plate which is uniaxial compression is analyzed, the results from ANSYS are compared with the analytical results - The effect of horizontal load on the stability of the plate also being studied The results show that, the critical load of the plate under uniaxial compression will increase v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ASBTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT .vii DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ iv CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cần thiết đề tài 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 1.1.3 Kết luận 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Câu hỏi nghiên cứu giả thuyết nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Trạng thái ổn định kết cấu 2.1.2 Trạng thái bất ổn định kết cấu 2.2 Lý thuyết mỏng 2.2.1 Tấm đẳng hướng 2.2.2 Tấm Composite 11 2.3 Lý thuyết bất ổn định mỏng chịu tải nén đơn trục 15 2.3.1 Tấm đẳng hướng 15 vi 2.3.2 Tấm Composite 17 2.4 Lý thuyết bất ổn định mỏng chịu tải nén đơn trục lực theo phương ngang 22 2.4.1 Ứng xử biến dạng lớn 22 2.4.2 Phân tích bất ổn định chịu tải kết hợp 23 2.4.3 Phân tích sau bất ổn định chịu tải kết hợp 25 CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH VÀ HẬU BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM ĐẲNG HƯỚNG 24 3.1 Phân tích bất ổn định chịu nén đơn trục 24 3.1.1 Thông số vật liệu 24 3.1.2 Điều kiện biên – tải trọng 24 3.1.3 Kết tính toán 25 3.2 Phân tích hậu bất ổn định chịu tải kết hợp 28 3.2.1 Phân tích tuyến tính 28 3.2.2 Phân tích phi tuyến (biến dạng lớn) 29 CHƯƠNG 4.BẤT ỔN ĐỊNH VÀ HẬU BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE 38 4.1 Phân tích bất ổn định composite chịu nén đơn trục 38 4.2 Phân tích hậu bất ổn định composite chịu tải kết hợp 40 4.2.1 Phân tích tuyến tính (bài tốn biến dạng bé) 40 4.2.2 Phân tích phi tuyến (biến dạng lớn) 42 4.2.3 Kết luận 45 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 5.1 Kết luận 46 5.1.1 Những ưu điểm luận văn 46 5.1.2 Những thiếu sót luận văn 47 5.2 Hướng phát triển 47 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO` 48 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ PP PTHH Phương pháp phần tử hữu hạn viii DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ FEM Finite element method ANSYS Analysis System 34 Hình 3.13 Đồ thị tải nén- chuyển vị với tải phân bố p1 đẳng hướng - Khi đặt lực Hình 3.14 Trường chuyển vị trước bất ổn định 35 Hình 3.15 Trường chuyển vị lúc xảy bất ổn định Hình 3.16 Trường chuyển vị sau bất ổn định Hình 3.17: Đồ thị tải nén chuyển vị dọc trục với tải p2 đẳng hướng 36 - Khi đặt tải Hình 3.18 Trường chuyển vị trước bất ổn định Hình 3.19 Trường chuyển vị lúc xảy bất ổn định Hình 3.20 Trường chuyển vị sau bất ổn định 37 Hình 3.21 Đồ thị tải nén - chuyển vị dọc trục với tải P3 đẳng hướng Từ kết bảng đồ thị lực nén dọc trục- độ co chiều dài ta rút kết luận: - Tải phân bố vng góc với làm trì hỗn giai đoạn bắt đầu xảy bất ổn định làm cho chịu nén có lực tới hạn lớn dẫn đến tăng độ cứng - Độ cứng tăng nhẹ với tải vng góc nhỏ tăng nhanh với với tải vng góc lớn - Trong tốn biến dạng lớn, tải vng góc có lợi cho khả ổn định việc trì hỗn giai đoạn bắt đầu bất ổn định 38 CHƯƠNG BẤT ỔN ĐỊNH VÀ HẬU BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE 4.1 Phân tích bất ổn định composite chịu nén đơn trục Cho mơ hình mỏng hình chữ nhật làm từ vật liệu carbon epoxy lớp đơn hướng IM7/8552 chịu tải nén đơn trục lực phân bố bề mặt theo phương vng góc với Để đơn giản hóa mơ hình, ta sử dụng mơ hình giống mơ hình 480 đẳng hướng trình bày chương với thơng số chiều dài 120 rộng , bề dày chiều Các thơng số vật liệu trình bày bảng 4.1 Bảng 4.1 Thông số vật liệu ) 150 9080 5290 0.32 0.125 Bảng 4.2 Các thông số lớp composite Loại Tấm Góc thớ Tổng bề dày 45 / 45 /0 /90 Điều kiện biên, tải trọng tương tự toán mục 3.1 Từ kết tốn mục 3.1, kích thước cạnh 10(mm) chọn để thiết lập chia lưới mơ hình Áp dụng tất thông số cho kết hợp với công thức từ phần lý thuyết, mục 2.4.3, ta tính lực tới hạn composite 2 15.27 39 Trong lực tới hạn composite có đơn vị Kết mode bất ổn định composite tính ANSYS Hình 4.1 Các mode bất ổn định Lực tới hạn composite chịu nén đơn trục trình bày bảng 4.3 Từ kết bảng 4.5, ta thấy: - Kết tính tốn từ ANSYS phù hợp với kết giải tích - Mật độ lưới phù hợp với mơ hình: × 24, với kích thước cạnh phần tử 20 (mm) 40 Bảng 4.3 Lực tới hạn composite chịu nén đơn trục Mật độ lưới Sai số Kích thước lưới(mm) lý thuyết 20 15.22 15.27 0.33% 10 15.03 15.27 1.6% 14.81 15.27 3.01% 2.5 14.70 15.27 3.73% 4.2 Phân tích hậu bất ổn định composite chịu tải kết hợp 4.2.1 Phân tích tuyến tính (bài tốn biến dạng bé) Tiến hành phân tích tải tới hạn bất ổn định cho mơ hình tốn mục 4.1 có bổ sung thêm lực tác động vng góc với mặt phẳng Bài tốn phân tích theo mơ hình biến dạng bé Hình 4.2 Mơ hình tốn 41 Kết tải bất ổn định tương ứng với mức tải pz khác Theo đó, lực tới hạn composite không bị ảnh hưởng lực phân bố theo phương vng góc với tốn biến dạng nhỏ Tương tự với đẳng hướng, phân tích tuyến tính khơng thực phù hợp cho chịu tải vng góc Vì cần xét tốn trường hợp phi tuyến Bảng 4.4 Kết tải bất ổn định tương ứng với mức tải pz Giá trị (MPa) Sai số , 15.03 15.27 1.6% 0.013 15.03 15.27 1.6% 0.065 15.02 15.27 1.6% 0.13 15.00 15.27 1.8% Kết trường chuyển vị tương ứng với mức tải hình 4.3 , 0.013 , 0,065 , 0.13 trình bày 42 Hình 4.3 Trường chuyển vị tương ứng với mức tải pz 4.2.2 Phân tích phi tuyến (biến dạng lớn) Thực phân tích lại mơ hình đưa mục 4.2.1 với tải theo phương vng góc với thay đổi theo thời gian Cụ thể, tải tăng dần từ đến 1s giữ nguyên giá trị 3s Bảng 4.5 Giá trị lực phân bố thay đổi theo thời gian tác dụng lên đẳng hướng Tải Giá trị 0s(MPa) Giá trị 1s(MPa) Giá trị 4s(MPa) 0 0 0.013 0.013 0.065 0.065 0.13 0.13 43 Kết giá trị lực tới hạn bất ổn định toán biến dạng lớn tương ứng mức tải pz trình bày bảng 4.5 Kết cho thấy tải pz có ảnh hưởng đến tải tới hạn Kết phù hợp với thực tế Bảng 4.6: Giá trị lực tới hạn composite trường hợp biến dạng lớn Tải (MPa) Giá trị lực tới hạn bất ổn định (kN) 14.80 15.85 24.41 50.21 Dạng biến dạng thời điểm: trước xảy bất ổn định, lúc xảy bất ổn định sau bất ổn định tương ứng với mức tải pz trình bày hình từ 4.4 đến 4.7 Hình 4.4 Dạng biến dạng trước sau bất ổn định tương ứng với mức tải p0 44 Hình 4.5 Dạng biến dạng trước sau bất ổn định tương ứng với mức tải p1 Hình 4.6 Dạng biến dạng trước sau bất ổn định tương ứng với mức tải p2 45 Hình 4.7 Dạng biến dạng trước sau bất ổn định tương ứng với mức tải p3 4.2.3 Kết luận Từ kết trên, ta rút số kết luận: - Tải phân bố vng góc với làm trì hỗn giai đoạn bắt đầu xảy bất ổn định làm cho chịu nén có lực tới hạn lớn dẫn đến tăng độ cứng - Độ cứng tăng nhẹ với tải vng góc nhỏ tăng nhanh với với tải vng góc lớn - Trong tốn biến dạng lớn, tải vng góc có lợi cho khả ổn định việc trì hỗn giai đoạn bắt đầu bất ổn định 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Từ kết phân tích cho mơ hình đơn giản hình chữ nhật vật liệu đẳng hướng hình chữ nhật vật liệu composite Ta rút rút kết luận chung ứng xử bất ổn định loại này: - Trong toán biến dạng nhỏ (linear), lực phân bố vng góc với nói riêng tải gây nhiễu nói chung khơng ảnh hưởng đến lực tới hạn xảy bất ổn định - Trong toán biến dạng lớn (non-linear), lực phân bố vng góc với nói riêng tải gây nhiễu nói chung có ảnh hướng định đến giá trị lực tới hạn Nhìn chung, giá trị lực tới hạn xảy bất ổn định tăng, tùy vào độ lớn lực gây nhiễu mà mức độ tăng giá trị lực tới hạn khác Tuy nhiên tăng đến mức đó, đặt tải lớn, kết cấu bị phá hủy - Với phương pháp phần tử hữu hạn, kết tính tốn phụ thuộc nhiều vào q trình chia lưới Mơ hình chia với mật độ lưới phù hợp cho kết tính tốn hội tụ tốt Do đó, cần đánh giá mật độ lưới cho mơ hình để giảm thời gian tính tốn mà đảm bảo tính xác kết 5.1.1 Những ưu điểm luận văn - Tác giả tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết mỏng, composite - Tác giả nghiên cứu phương pháp giải toán kết cấu thơng qua chương trình ANSYS - Luận văn thực phân tích ứng xử cho mơ hình đẳng hướng composite, hai tốn có xét đến yếu tổ phi tuyến Các kết tính tốn có so sánh với giải tích có độ phù hợp cao 47 5.1.2 Những thiếu sót luận văn - Luận văn thực phân tích cho mơ hình lý thuyết, chưa phân tích toán thực tế - Luận văn chưa phân tích cho có gân 5.2 Hướng phát triển - Phân tích bất ổn định cho mơ hình thực tế, có gân… 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO`   [1] C t Constacom, 10 2016 [Online] Available: http://nhakhungthep.vn/nha-khungthep-va-san-deck-ad36.html [2] Ngô Như Khoa, Đỗ Tiến Dũng, "Xây dựng ma trận độ cứng phần tử – gân ứng dụng tính tốn kết cấu composite lớp có gân tăng cứng phương pháp phần tử hữu hạn," Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, vol 2, 2007 [3] N T Phương, Nghiên cứu ổn định tĩnh vỏ composite tính biến thiên có gân gia cường lệch tâm, Hà Nội: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2014 [4] N L Minh, Phân tích ổn định cho chữ nhật phương pháp phần tử hữu hạn trơn với 24 bậc tự do, Luận văn thạc sỹ, Tp HCM, 2015 [5] Reddy J N., Khdeir A A, "Buckling and vibration of laminated plates using various plate theories," AIAA Journal, vol 27, pp 1808-1817, 1989 [6] Y.V Satish Kumar, Madhujit Mukhopadhyay, "Finite element buckling analysis of stiffened plates," Computer & structure, vol 34, no 6, pp 795-803, 1990 [7] Mahesh Kolli, K Chandrashekhara, "Finite Element Analysis of Stiffened Laminated Plates under Transverse Loading," Composites Science and Technology, vol 56, pp 1355-1361, 1996 [8] E Ventsel and T Krauthammer, Thin Plates and Shells: Theory: Analysis, and Applications, CRC press, 2001 [9] C Kassapoglou, Design and Analysis of Composite Structures: with Applications to Aerospace Structures, John Wiley & Sons, 2013 ... 2.4.3 Phân tích sau bất ổn định chịu tải kết hợp 25 CHƯƠNG 3.PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH VÀ HẬU BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM ĐẲNG HƯỚNG 24 3.1 Phân tích bất ổn định chịu nén đơn trục ... CHƯƠNG 4.BẤT ỔN ĐỊNH VÀ HẬU BẤT ỔN ĐỊNH CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE 38 4.1 Phân tích bất ổn định composite chịu nén đơn trục 38 4.2 Phân tích hậu bất ổn định composite chịu tải kết... chịu tải nén áp lực ngang? ?? với hướng dẫn PGS TS Trương Tích Thiện 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận văn Phân tích ứng xử bất ổn định hậu bất ổn định (postbuckling) cho kết cấu tăng cứng chịu