Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của vỏ trụ composite có cơ tính biến thiên chịu tải trọng cơ, nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao quasi 3d

i LỜI CAM ĐOAN Tôi Trần Văn Hùng, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình Hà Nội, ngày ……tháng 11 năm 2021 Tác giả luận án Trần Văn Hùng ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn tập thể hướng dẫn: TS Trần Ngọc Đoàn PGS.TS Vũ Quốc Trụ nhiệt tình hướng dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cám ơn thầy Bộ mơn Cơ học vật rắn/Khoa khí, Bộ môn Thiết kế hệ thống kết cấu thiết bị bay/Khoa Hàng khơng vũ trụ đồng chí cán bộ, nhân viên Phòng Sau đại học/Học viện Kỹ thuật Quân tận tình giúp đỡ tơi q trình thực luận án Tôi xin chân thành cám ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan Tăng thiết giáp, quan chức Nhà trường, lãnh đạo huy Khoa Kỹ thuật sở toàn thể đồng nghiệp tạo điều kiện, giúp đỡ động viên tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Tơi bày tỏ tình cảm trân trọng biết ơn tới gia đình, người thân bạn bè động viên, khích lệ, giúp đỡ tơi q trình thực luận án Tác giả luận án MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vật liệu composite lớp thơng thường có nhược điểm khơng tương thích tính vật liệu cốt Do đó, thường xảy tập trung ứng suất bề mặt liên kết, làm việc mơi trường có nhiệt độ cao Điều dẫn đến phá hủy kết cấu dạng tách lớp, nứt, v.v [85] Vật liệu có tính biến thiên (FGM) vật liệu composite tiên tiến, chế tạo từ hai hay nhiều pha thành phần với biến đổi liên tục tính từ bề mặt đến bề mặt khác Vì vậy, vật liệu FGM không xảy tượng tập trung ứng suất vật liệu composite lớp thông thường Do có nhiều ưu điểm trội ứng dụng nhiều ngành kỹ thuật, nên vật liệu FGM thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ hay động tên lửa, kết cấu thiết bị thường phải đảm bảo yêu cầu khắt khe khối lượng, phải có độ bền cao chịu tác dụng tải cơ-nhiệt phức tạp Việc đánh giá xác trạng thái ứng suất-biến dạng kết cấu, cho phép đề biện pháp hiệu để tăng cường độ bền, đồng thời giảm khối lượng kết cấu Do đó, việc đánh giá xác trạng thái ứng suất-biến dạng kết cấu tác dụng đồng thời tải trọng cơ-nhiệt vấn đề mang tính cấp thiết khoa học Trong tính tốn trạng thái ứng suất vỏ FGM, thường sử dụng lý thuyết vỏ cổ điển [65] lý thuyết biến dạng trượt bậc [73] Khi sử dụng lý thuyết tính tốn vỏ, thường bỏ qua ảnh hưởng biến dạng trượt bậc cao, đặc biệt biến dạng theo phương pháp tuyến, dẫn đến kết tính tốn vùng nguy hiểm kết cấu có độ xác chưa cao [47, 48, 49] Vì vậy, để đảm bảo an tồn cho kết cấu vùng nguy hiểm, ta thường phải áp dụng biện pháp gia cố, làm dày lớp vật liệu vị trí liên kết, gia cố đai gia cường, v.v Để khắc phục hạn chế này, cần sử dụng lý thuyết khác lý thuyết biến dạng trượt bậc cao có tính đến ảnh hưởng biến dạng pháp tuyến (Quasi-3D) Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất vỏ trụ FGM lý thuyết chưa quan tâm nghiên cứu nhiều, tính phức tạp mơ hình tốn khối lượng tính tốn lớn [113] Từ phân tích trên, kết luận rằng, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng vỏ trụ composite có tính biến thiên chịu tải trọng cơ, nhiệt sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao quasi-3D” vấn đề mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn - Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng mô hình tốn học sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao kiểu Quasi-3D chương trình tính tốn số phục vụ phân tích vỏ trụ FGM chịu tác dụng tải trọng cơ, nhiệt cơ-nhiệt đồng thời sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D - Khảo sát ảnh hưởng số tham số kết cấu, vật liệu, tải trọng đến trạng thái ứng suất, biến dạng vỏ trụ FGM, từ đó, đề xuất khuyến cáo tính tốn thiết kế vỏ trụ làm từ vật liệu FGM Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Vỏ trụ composite có tính biến thiên, chịu tác dụng tải trọng cơ, nhiệt cơ-nhiệt đồng thời Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng tựa không gian (Quasi-3D) vỏ trụ FGM chịu tác dụng độc lập tải cơ, nhiệt chịu tải cơ-nhiệt đồng thời sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao (HOSNT) kiểu quasi-3D Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng cơng cụ giải tích kết hợp với tính tốn số Thực nghiên cứu sở lý thuyết, xây dựng thuật tốn chương trình tính tốn số để khảo sát toán So sánh kết nghiên cứu luận án với kết nghiên cứu phương pháp khác công bố để khẳng định tính đắn mơ hình tốn học chương trình tính tốn Chương trình tính tốn, khảo sát số lập trình Maple Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương kết luận Mở đầu : Trình bày tính cấp thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu luận án, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương 1: Tổng quan tính tốn vỏ FGM Chương 2: Xây dựng mơ hình tính tốn vỏ trụ FGM theo lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D Chương 3: Nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng vỏ trụ FGM phương pháp giải tích Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng số tham số kết cấu, vật liệu tải trọng cơ, nhiệt đến trạng thái ứng suất-biến dạng vỏ trụ FGM Kết luận kiến nghị: Trình bày kết chính, đóng góp luận án kiến nghị khác Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài Vật liệu FGM loại vật liệu có nhiều ưu điểm vượt trội nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Việc đánh giá xác ứng xử học kết cấu dạng vỏ có tính dị hướng cao vỏ composite FGM, composite lớp, v.v vỏ dày cần sử dụng lý thuyết bậc cao Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu theo hướng cịn chưa nhiều tính cồng kềnh mơ hình tốn học địi hỏi khối lượng tính tốn lớn Do đó, việc sử dụng lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D nghiên cứu, tính tốn vỏ trụ FGM chịu tác dụng tải trọng cơ, nhiệt mang ý nghĩa khoa học Mặt khác, cách tiếp cận giải tích sử dụng phân tích trường chuyển vị, thành phần ứng suất, biến dạng theo chuỗi lượng giác đơn phép biến đổi Laplace để giải toán biên vỏ trụ FGM góp phần làm phong phú thêm phương pháp nghiên cứu, tính tốn kết cấu Trong ngành kỹ thuật, kết cấu vỏ trụ sử dụng rộng rãi thân vỏ tàu, máy bay, tên lửa, động cơ, v.v Do vậy, nghiên cứu phân tích ứng xử học kết cấu vỏ trụ FGM chịu tác dụng dạng tải trọng phức tạp cơ, nhiệt có nhiều ý nghĩa thực tiễn Việc phân tích ảnh hưởng tham số kết cấu, hình học, tải trọng, điều kiện liên kết, v.v đến ứng suất, biến dạng kết cấu cho phép đưa khuyến cáo quan trọng q trình tính tốn, thiết kế khai thác, sử dụng kết cấu Mặt khác, việc sử dụng lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D cho phép đánh giá xác ứng suất, biến dạng kết cấu vùng nguy hiểm, khu vực có tập trung ứng suất, hiệu ứng biên mạnh, v.v Kết nghiên cứu có giá trị khoa học lẫn thực tiễn Chương TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN VỎ FGM Chương nêu tổng quan lý thuyết sử dụng để phân tích vỏ, sở luận án tập trung phân tích tình hình nghiên cứu vỏ FGM nước giới Từ rút vấn đề nghiên cứu vỏ FGM đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm luận án 1.1 Tổng quan lý thuyết phân tích vỏ Lý thuyết vỏ lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn phát triển từ cuối kỷ 19 Việc giải toán đàn hồi 3D với kết xác, có độ xác cao phức tạp, quan tâm nghiên cứu, phát triển Để khắc phục khó khăn tính tốn, tốn nghiên cứu vỏ đơn giản hóa tốn 2D cách xem xét kết cấu đặc trưng có chiều dày nhỏ so với kích thước khác Trên thực tế nghiên cứu, lý thuyết vỏ phân loại Hình 1.1 Ở lớp lý thuyết vỏ thứ nhất, kết cấu vỏ nghiên cứu sở khai triển hàm ứng suất, biến dạng theo chiều dày Cauchy Poisson [58] xây dựng mơ hình tính tốn theo hướng để đơn giản hóa tốn 3D Kil’chevskiy [63] thực khai triển hàm biến dạng, ứng suất theo chuỗi MacLaurin bậc lũy thừa theo tọa độ chiều dày Đối với lớp lý thuyết vỏ thứ hai, lý thuyết biết đến với tên gọi “Bề mặt Cossenat” [12], vỏ xem xét vật thể biến dạng với tập hợp đường chuẩn biến dạng Lớp lý thuyết vỏ dạng mơ hình lý thuyết đàn hồi phi cổ điển, có tính đến ảnh hưởng số yếu tố phi tuyến Trong lớp lý thuyết vỏ thứ ba thực tích phân ứng suất theo chiều dày Sử dụng ứng suất trung bình ứng suất tương đương định nghĩa theo mặt trung hịa cho phép đưa tốn 3D phương pháp toán 2D sở ứng suất tuơng đương Phần lớn nghiên cứu dừng lớp lý thuyết Sử dụng phép gần nêu cho phép đơn giản hóa vấn đề phức tạp gặp phải giải toán 3D lý thuyết vỏ, đồng thời hướng tiếp cận áp dụng hiệu việc giải toán biên, toán trị riêng phức tạp Lý thuyết vỏ xây dựng sở ứng suất tương đương chia thành ba kiểu lý thuyết đây: 1) Lý thuyết vỏ cổ điển (CST) hay lý thuyết vỏ Love 2) Lý thuyết biến dạng trượt bậc (FSDT) 3) Các lý thuyết biến dạng trượt bậc cao (HSDTs), Các lý thuyết biến dạng trượt-pháp bậc cao (HOSNTs) Lý thuyết phân tích vỏ Bề mặt Cos ↓ Cosserat bro Lý thuyết thuyết KirchhoffFlugg Biezen Byrn Reissn Hình 1.1 Sơ đồ lý thuyết phân tích vỏ 1.1.1 Lý thuyết vỏ cổ điển Phần lớn nghiên cứu theo lý thuyết vỏ cổ điển sử dụng lý thuyết vỏ tuyến tính Bằng cách sử dụng giả thiết đơn giản lý thuyết PoissonKirchhoff, lý thuyết cổ điển phát triển cho vỏ Người sử dụng lý thuyết Poisson-Kirchhoff để phát triển cho lý thuyết vỏ Aron [16] Aron đưa phương trình uốn vỏ với biến dạng nhỏ chuyển vị hữu hạn Lý thuyết Aron chứa vài khiếm khuyết, sau Love khắc phục Love đưa giả thiết đơn giản sau: Vỏ mỏng, có tỷ số chiều dày với bán kính cong nhỏ h / Rmin 1, đây, h chiều dày vỏ, Rmin bán kính cong nhỏ vỏ Độ võng nhỏ so với kích thước vỏ Pháp tuyến mặt (z = 0) thẳng góc với mặt trước sau biến dạng Giá trị ứng suất pháp ngang nhỏ so với ứng suất mặt Lý thuyết vỏ cổ điển sử dụng trường chuyển vị [85] có dạng sau: u(x,y,z,t)=u(x,y,t)−z w0 , x w0 v ( x , y , z , t ) = v0 ( x , y , t ) − z (1.1) y , w( x , y , z , t ) = w0 ( x , y , t) đây, z tọa độ theo pháp tuyến tính từ mặt Oxy, u , v0 w0 chuyển vị mặt trung hòa theo phương x, y, z Tuy nhiên, lý thuyết cổ điển áp dụng cho vỏ mỏng Với vỏ có chiều dày trung bình vỏ dày, lý thuyết khơng cịn xác Do đó, để đánh giá tốt ứng xử vỏ cần sử dụng lý thuyết khác 1.1.2 Lý thuyết biến dạng trượt bậc Phát triển lý thuyết biến dạng cổ điển, lý thuyết biến dạng trượt bậc đề cập phổ biến lý thuyết Mindlin [73], tác giả đưa ảnh hưởng biến dạng trượt ngang (ứng suất chiều dày) kết cấu Lý thuyết biến dạng trượt bậc cho đường thẳng vng góc với mặt trung hòa thẳng sau biến dạng khơng cịn vng góc với mặt trung hịa Trường chuyển vị [85] lý thuyết biểu diễn dạng sau: u (x , y , z ,t ) = v (x , y , z ,t ) = v0 w(x , y , z ,t ) x u (x , y ,t ) + z x (x , y ,t) (x , y ,t ) + z y (x , y ,t) = w0 (x , y ,t) u = z đây, u , v0 w0 chuyển vị mặt trung hòa, x y góc xuay pháp tuyến so với mặt trung hòa lân cận tiếp tuyến đường tọa độ x y tương ứng Lý thuyết FSDT cho phép xem xét vỏ có chiều dày tốt so với CST Tuy nhiên để đánh giá ứng suất chiều dày cần đưa thêm hệ số hiệu chỉnh cắt vào lý thuyết biến dạng trượt bậc 1.1.3 Lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Hildebrand, Reissner Thomas [53] thực khai triển chuyển vị theo chuỗi Taylor đến ba số hạng, phát triển ban đầu lý thuyết vỏ bậc cao Naghdi [76] tiếp tục đưa công thức cho toán với khai triển đến hai số hạng chuyển vị mặt khai triển đến ba số hạng thành phần chuyển vị theo chiều dày xét đến ảnh hưởng biến dạng pháp Kant [59] thiết lập đầy đủ phương trình vỏ 162 [125] Yu T, Hu H, Zhang J, & Tinh B.Q (2019), "Isogeometric analysis of size-dependent effects for functionally graded microbeams by a non-classical quasi-3D theory", Thin-Walled Structures, 138, pp 1-14 [126] Zhang W & Hao Y (2009), "Nonlinear dynamic of functionally graded cylindrical shells under the thermalmechanical loads", ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, pp 331-336 [127] Zhao X & Liew K.M (2009), "Geometrically nonlinear analysis of functionally graded shells", International Journal of Mechanical Sciences, 51(2), pp 131-144 [128] Reuss A (1929), "Berechnung der fließgrenze von mischkristallen auf grund der plastizitätsbedingung für einkristalle", ZAMM‐Journal of Applied Mathematics Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 9(1), pp 49-58 163 PHỤ LỤC Các hệ số hệ phương trình cân viết theo chuyển vị h/ H101 =0, −h/ Az h/ H11,111 = R A −h/ h/ H10,221 = R+z −h/ A h/ H13,221 = R + z 3! −h/ h/ H21,121 A = R+z −h/ h/ H23,121 = R+z −h/ A z h/ H31,11 = −h/ R+z h/ H =0, 10 −h/ H h/ 2 h/ 13 −h/ H A = 12,11 11 −h/ h/ H11,222 A = 44 −h/ 2 H 20,12 h/ = −h/ A 12 R+z h/ 2 H = A 22,12 12 −h/ h/ 2 H A = 23,12 12 −h/ 2 H 31,1 −h/ = h/ (A13 − A55) 164 h/ H =0, 10 −h/ h/ H133 A =− 55 1+ −h/ A h/ H12,113 = R −h/ A h/ H 11,223 44 = R+z −h/ A h/ H20,123 = R A −h/ h/ H22,123 = R −h/ A h/ H30,13 = R+z −h/ A h/ H32,13 12 = R+z −h/ H 10 =0, −h/ h/ H134 A =− 55 1+ −h/ h/ , H12,114 = −h/ A h/ H 11,224 44 = R+z −h/ h/ H20,124 = −h/ R A h/ H22,124 A = R −h/ A h/ H30,14 = 12 R+z6 −h/ h/ H32,14 −h/ = A 12 R + z 12 165 h/ H205 = − −h/ H235 = H22,115 H21,225 H10,125 = h/ H12,125 = H13,125 H30,25 = H32,25 = H 31,2 −h/ h/ −h/ A h/ H206 −h/ R = +z H 23 h/ =− R+z −h/ h/ H 21,11 = −h/ h/ , H20,226 = −h/ h/ H 23,226 −h/ R = +z A h/ H11,126 = −h/ A h/ H13,126 = −h/ H 31,2 −h/ = 166 h/ H 20 = A 66 R− −h/ H h/ A =− 22 66 R −h/ H 20,11 h/ = A = A 44 −h/ h/ H22,117 44 −h/ A h/ H 21,227 R+z = −h/ A h/ H10,127 −h/ = R A h/ H12,127 −h/ = R h/ H A = 30,2 −h/ 22 A h/ H31,27 = R + z 22R A −h/ h/ H32,27 = R −h/ H h/ 20 =− R =− R −h/ H −h/ 22 h/ A h/ 44 H20,118 −h/ = R A h/ = H23,118 44 R −h/ z H22,22 = H10,12 = z 4 −h/ H h/ + −h/ R + z A 44 1+ R + z + A z 21 dz , R R H12,128 = h/ −h/ A z3 21 RR6 z h/ H2 + + A z5 21 dz , R R12 dz , 167 h/ H31,28 = −h/ = h/ H32,28 = −h −h/ h/ /2 H309 = − −h/ R + −h/ h/ 2A H30,229 = −h/ h/ H11,19 A = −h/ 55 h/ H13,19 A = 55 −h/ h/ H21,29 (RA66 − A22 z ) = −h/ H h/ = 23,2 −h/ H To9 = −h /2 H3010 −h/ = H3110 −h H3210 /2 −h/ = − h / −h/ = − h / −h/ ( A21 + A22 +R + z A z R+z R z3 A 22 R+z H 10 h/ = A 30,11 55 dz , R dz , 31,11 h/ H10 = 30,22 A h/ H10 = 55 R A H 31,2210 = 66 R+z zdz , h/ −h/ A h/2 21 H 10 =− 10,1 R −h/ H 10 = h/ A 1+ 12,1 −h/ 168 H 10 13,1 H20,210 = − H21,210 = H 10 = H 23,210 = H22,2 10 − H5 =R h/2 H Tin10 z =− z 2dz , −h/ R H3011 h/ H3211 z =− R+z2 −h/ R2 z2 dz , h/ =− R+z2 −h/ 11 H 32,11 A h/ H 31,2211 = A h/ −h/ R +z 55 H11,111 = −h/ h/ H12,111 A = −h/ 55 A h/ H13,111 55 = −h/ h/ H20,211 =− −h/ R h/ H21,211 = −h/ 2 (R + z ) 169 h/ H22,211 = R+z −h/ h/ H 23,211 = R+z −h/ R 11 H4 =− 11 H h/ =− To (A21 + A22 + A23) −h/ 11 H Tin −h/ h/ =− ... Vỏ trụ composite có tính biến thiên, chịu tác dụng tải trọng cơ, nhiệt cơ- nhiệt đồng thời Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng tựa không gian (Quasi- 3D) vỏ trụ FGM chịu. .. dụng lý thuyết khác lý thuyết biến dạng trượt bậc cao có tính đến ảnh hưởng biến dạng pháp tuyến (Quasi- 3D) Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất vỏ trụ FGM lý thuyết chưa quan tâm nghiên cứu nhiều,... dạng trượt bậc cao kiểu Quasi- 3D chương trình tính tốn số phục vụ phân tích vỏ trụ FGM chịu tác dụng tải trọng cơ, nhiệt cơ- nhiệt đồng thời sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi- 3D - Khảo