(Luận văn thạc sĩ) phân tích kết cấu tấm phân lớp chức năng FGM bằng phần tử ES MTTC3+

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC DIỄM HƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT CẤU TẤM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG FGM BẰNG PHẦN TỬ ES-MITC3+ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD VÀ CN - 60580208 SKC006126 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC DIỄM HƢƠNG PHÂN TÍCH KẾT CẤU TẤM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG FGM BẰNG PHẦN TỬ ES-MITC3+ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD VÀ CN - 60580208 Hƣớng dẫn khoa học: TS CHÂU ĐÌNH THÀNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2019 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: - Họ & tên: Trần Ngọc Diễm HƣơngGiới tính: Nữ - Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: T An Giang - Quê quán: TT An Châu, H Châu Thành, T An GiangDân tộc: Kinh - Chỗ riêng địa liên lạc: số 236/3 đƣờng Trần Nguyên Hãn, phƣờng Mỹ Long, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang - Điện thoại nhà riêng: 0988001167 - E-mail:Tranhuong7686@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Trƣờng Đại Học Cần Thơ - Hệ đào tạo: Vừa học vừa làmThời gian đào tạo từ năm 2006 đến 2010 - Nơi học (trƣờng, thành phố): Thành phố Cần Thơ - Ngành học: Xây Dựng Dân Dụng Và Công Nghiệp - Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: - Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: - Ngƣời hƣớng dẫn: BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Năm 2010 đến i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết cơng trình nghiên cứu cá nhân thực dƣới hƣớng dẫn TS Châu Đình Thành, số liệu bảng biểu trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố với hình thức nào, ngoại trừ nhƣng thông tin tham khảo luận văn Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 Trần Ngọc Diễm Hƣơng ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lịng biết ơn kính trọng sâu sắc đến với Thầy TS Châu Đình Thành Thầy đƣa ý tƣởng, lời khuyên, định hƣớng đắn cho tôi, nhƣ động viên, hỗ trợ tài liệu thơng tin cần thiết suốt q trình hồn thành luận văn thạc sĩ Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Cơ Phịng Đào tạo Sau đại học, Khoa Xây dựng truyền đạt kiến thức cho tơi, tận tình giảng dạy q trình học tập, nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn gia đình động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian qua Tôi xin trân trọng cảm ơn! iii TĨM TẮT Phân tích kết cấu phân lớp chức FGMs phần tử ES-MITC3+ Luận văn phát triển công thức phần tử tam giác nút ES-MITC3+ dùng để phân tích tĩnh phân lớp chức FGMs theo lý thuyết biến dạng cắt bậc cao (HSDT) Phần tử đề xuất có có trƣờng biến dạng uốn đƣợc làm trơn miền chung cạnh phần tử (ES) trƣờng biến dạng cắt mặt phẳng đƣợc xấp xỉ theo kỹ thuật MITC3+ để khử tƣợng khóa cắt Độ xác hiệu phần tử ES-MITC3+ đƣợc đánh giá thơng qua phân tích độ võng ứng suất số tốn FGMs điển hình có hình học, tỉ số chiều dày cạnh tấm, điều kiện biên, tải trọng số thể tỉ lệ thành phần vật liệu FGMs thay đổi Kết so sánh với phần tử loại lời giải tham khảo cho thấy tính xác phần tử đề xuất iv ABSTRACT Analysis of FGMs plates by using the 3-node triangular element ES-MITC3+ In this thesis, the formula of the 3-node triangular element ES-MITC3+ is developed to statically analyze the FGMs plates based on the higher-order shear deformation theory (HSDT) In the proposed element, the bending strain fields are smoothed over the edge-based domains of the two elements sharing the edge and the transverse shear strains are approximated by MITC3+ technique to remove the shear-locking phenomenon The accuarcy and robustness of the element ES-MITC3+ are verified by analyzing the deflection and stresses of some benchmark FGMs plates with different shapes, ratios of the thickness and length, boundary conditions, loadings FGMs indexes Comparison with the results given by the similar elments or reference solutions points out the accuracy of the proposed el v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC I LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III TÓM TẮT IV ABSTRACT V DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH SÁCH CÁC HÌNH IX DANH SÁCH CÁC BẢNG XI CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 12 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 12 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 15 1.3 NÉT MỚI CỦA ĐỀ TÀI: 16 1.4 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 16 1.5 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 16 1.6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG CẮT BẬC CAO CHO TẤM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG (FGMS) 18 2.1 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU PHÂN LỚP CHỨC NĂNG (FGMS) CHO TẤM 18 2.2 LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG CẮT BẬC CAO CHO TẤM FGMS 19 2.2.1 Trƣờng chuyển vị 19 2.2.2 Nội lực 22 CHƢƠNG 3: CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN TRƠN ES-MITC3+ CHO TẤM FGMS THEO HSDT 25 3.1 CÔNG THỨC PTHH TẤM TAM GIÁC NÚT MITC3+ CHO TẤM FGMS 25 3.2 CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN TRƠN ES-MITC3+ CHO TẤM FGMS 30 vi CHƢƠNG 4: CÁC VÍ DỤ SỐ 34 4.1 BÀI TỐN TẤM VNG FGMS CHỊU TẢI PHÂN BỐ ĐỀU 34 4.2 BÀI TỐN TẤM FGM CHỊU TẢI TRỌNG HÌNH SIN 43 4.3 BÀI TOÁN TẤM XIÊN FGM CHỊU TẢI TRỌNG PHÂN BỐ ĐỀU 46 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Phần tử hữu hạn Lý thuyết cổ điển Lý thuyết nhiều lớp cổ điển Lý thuyết biến dạng cắt bậc Lý thuyết biến dạng cắt bậc cao Phƣơng pháp nội suy hỗn hợp thành phần ten-xơ Tấm vật liệu phân lớp chức viii Hình 4-15: Hình học tải trọng xiên FGMs Al/ZrO2-1 Bảng 4-6: Độ võng không thứ nguyê tâm xiên FGMs Al/ZrO2-1 n Phƣơng pháp ES-MITC3 [38] 0.5 CS-MITC3+ [39] ES-MITC3+ ES-MITC3 [38] CS-MITC3+ [39] ES-MITC3+ ES-MITC3 [38] CS-MITC3+ [39] ES-MITC3+ ES-MITC3 [38] CS-MITC3+ [39] ES-MITC3+ ES-MITC3 [38] 10 CS-MITC3+ [39] ES-MITC3+ 47 Hình 4-16: So sánh độ võng khơng thứ ngun tâm xiên có góc xiên Ψ số vật liệu n thay đổi với nghiên cứu khác Kết thể Hình 4.16 cho thấy góc xiên Ψ lớn độ võng tâm xiên giảm dần, ngƣợc lại số vật liệu n lớn độ võng tăng dần Ngồi kết so sánh biểu đồ biểu diễn thành ứng suất dọc theo chiều dày xiên FGMs Al/ZrO2-1 tâm với h/L = 0.1 n = 0.5, Hình 4-17 Hình 4-18 cho thấy góc nghiêng Ψ lớn ứng suất phát sinh không thay đổi nhiều Qua biểu đồ so sánh phƣơng pháp khác có kết tốt, đƣờng biểu đồ gần nhƣ trùng chứng minh đƣợc khả năng, mức độ đáng tin cậy phƣơng pháp đề xuất việc phân tích ứng xử độ võng ứng suất toán xiên FGMs Al/ZrO2-1 48 Tỷ lệ Z/h -0.3 Hình 4-17: Ứng suất dọc ϭxx Tỷ lệ Z/h (với L/h = 0.1 n = 0.5) -0.3 ES-MITC3 (ψ=30) CS-MITC3+(ψ=45) ES-MITC3+ (ψ=75) (với L/h = 0.1 n = 2) 49 Chƣơng 5: KẾT LUẬN Với đề tài nghiên cứu ứng xử kết cấu phân lớp chức FGMs phần tử ES-MITC3+ theo lý thuyết biến dạng cắt bậc ba Reddy, luận văn giải đƣợc vấn đề nhƣ sau: - Xây dựng công thức phần tử ES-MITC3+ có trƣờng biến dạng uốn đƣợc làm trơn miền chung cạnh phần tử (ES) cịn trƣờng biến dạng cắt ngồi mặt phẳng đƣợc xấp xỉ theo kỹ thuật khử khóa cắt MITC3+ Phần tử đề xuất đƣợc sử dụng để phân tích FGMs hình vng hình thoi Luận văn khảo sát ảnh hƣởng mật độ vật liệu phân bố tấm, tỉ lệ chiều dày cạnh h/L thay đổi từ nhỏ đến lớn, điều kiện biên, tải trọng khác đến ứng xử độ võng ứng suất FGMs So sánh kết chuyển vị ứng suất ứng với giá trị thay đổi trị số vật liệu n với kết tham khảo cho thấy - Các trƣờng hợp chiều dày thay đổi: dày, vừa, mỏng phần tử đề xuất cho kết xác hợp lý Điều chứng minh khả khử tƣợng khóa cắt phần tử ES-MITC3+ tốt - Kết giải pháp nghiên cứu luận văn có độ tin cậy phù hợp với giá trị tính tốn lời giải theo lý thuyết HSDT loại phần tử làm trơn khác, lời giải theo lý thuyết Quasi-3D, phƣơng pháp kp-Ritz cơng bố trƣớc ứng với nhiều dạng tốn khác - Ngồi kết tốn cịn cho thấy ảnh hƣởng số vật liệu đến độ võng, hệ số đặc trƣng vật liệu n tăng độ võng lớn, điều hoàn toàn phù hợp mật độ ceramic FGMs giảm dần ảnh hƣởng đến độ cứng nên chuyển vị tăng theo giá trị n Tuy nhiên, quỹ thời gian hạn hẹp, nên luận văn khảo sát đƣợc độ xác phần tử ES-MITC3+ phân tích tĩnh FGMs theo lý thuyết 50 biến dạng cắt bậc Reddy mà chƣa đánh giá đƣợc khả phần tử đề xuất phân tích dao động ứng xử FGMs tải trọng nhiệt, độ ẩm, 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Koizumi, “FGM activities in Japan,” Composites Part B: Engineering, vol 28, no 1, pp 1–4, Jan 1997 [2] E Feldman and J Aboudi, “Buckling analysis of functionally graded plates subjected to uniaxial loading,” Composite Structures, vol 38, no 1, pp 29–36, May 1997 [3] M Mohammadi, A R Saidi, and E Jomehzadeh, “Levy Solution for Buckling Analysis of Functionally Graded Rectangular Plates,” Appl Compos Mater, vol 17, no 2, pp 81–93, Apr 2010 [4] E Feldman and J Aboudi, “Buckling analysis of functionally graded plates subjected to uniaxial loading,” Composite Structures, vol 38, no 1, pp 29–36, May 1997 [5] C.-S Chen, T.-J Chen, and R.-D Chien, “Nonlinear vibration of initially stressed functionally graded plates,” Thin-Walled Structures, vol 44, no 8, pp 844–851, Aug 2006 [6] R D Mindlin, R D., and R D., “Influence of rotatory inertia and shear flexural motions of isotropic elastic plates,” Jan 1951 [7] E Reissner, “On the Theory of Bending of Elastic Plates,” International Journal of Solids and Structures, vol 12, pp 545–554, Dec 1976 [8] T.-K Nguyen, K Sab, and G Bonnet, “Shear Correction Factors for Functionally Graded Plates,” Mechanics of Advanced Materials and Structures, vol 14, no 8, pp 567–575, Nov 2007 [9] T.-K Nguyen, K Sab, and G Bonnet, “First-order shear deformation plate models for functionally graded materials,” Composite Structures, vol 83, no 1, pp 25–36, Mar 2008 52 [10]T.-K Nguyen, T P Vo, and H.-T Thai, “Static and free vibration of axially loaded functionally graded beams based on the first-order shear deformation theory,” Composites Part B: Engineering, vol 55, pp 147–157, Dec 2013 [11]S S Akavci, “Thermal Buckling Analysis of Functionally Graded Plates on an Elastic Foundation According to a Hyperbolic Shear Deformation Theory,” Mech Compos Mater, vol 50, no 2, pp 197–212, May 2014 [12]H.-T Thai and T P Vo, “A new sinusoidal shear deformation theory for bending, buckling, and vibration of functionally graded plates,” Applied Mathematical Modelling, vol 37, no 5, pp 3269–3281, Mar 2013 [13]S Xiang and G Kang, “A nth-order shear deformation theory for the bending analysis on the functionally graded plates,” European Journal of Mechanics A/Solids, vol 37, pp 336–343, Jan 2013 [14]J N Reddy, “A Simple Higher-Order Theory for Laminated Composite Plates,” J Appl Mech, vol 51, no 4, pp 745–752, Dec 1984 [15]M Karama, K S Afaq, and S Mistou, “A new theory for laminated composite plates,” Proceedings of the IMechE, vol 223, no 2, pp 53–62, Apr 2009 [16]T Kant and B N Pandya, “A simple finite element formulation of a higherorder theory for unsymmetrically laminated composite plates,” Composite Structures, vol 9, no 3, pp 215–246, Jan 1988 [17]T Kant, R V Ravichandran, B N Pandya, and B N Mallikarjuna, “Finite element transient dynamic analysis of isotropic and fibre reinforced composite plates using a higher-order theory,” Composite Structures, vol 9, pp 319–342, Dec 1988 [18]M Touratier, “An efficient standard plate theory,” International Journal of Engineering Science, vol 29, no 8, pp 901–916, Jan 1991 [19]V.-H Nguyen, T.-K Nguyen, H.-T Thai, and T P Vo, “A new inverse trigonometric shear deformation theory for isotropic and functionally graded sandwich plates,” Composites Part B: Engineering, vol 66, pp 233–246, Nov 2014 53 [20]G R L Nguyen Thoi Trung, “Smoothed Finite Element Methods,” CRC Press, 08-Jun-2010 [21]T Nguyen-Thoi, P Phung-Van, C Thai-Hoang, and H Nguyen-Xuan, “A cellbased smoothed discrete shear gap method (CS-DSG3) using triangular elements for static and free vibration analyses of shell structures,” International Journal of Mechanical Sciences, vol 74, pp 32–45, Sep 2013 [22]P Phung-Van, T Nguyen-Thoi, T Bui-Xuan, and Q Lieu-Xuan, “A cell-based smoothed three-node Mindlin plate element (CS-FEM-MIN3) based on the C0type higher-order shear deformation for geometrically nonlinear analysis of laminated composite plates,” Computational Materials Science, vol 96, pp 549–558, Jan 2015 [23]P.-S Lee and K.-J Bathe, “Development of MITC isotropic triangular shell finite elements,” Computers & Structures, vol 82, no 11, pp 945–962, May 2004 [24]H.-M Jeon, P.-S Lee, and K.-J Bathe, “The MITC3 shell finite element enriched by interpolation covers,” Computers & Structures, vol 134, pp 128– 142, Apr 2014 [25]K.-J Bathe, F Brezzi, and S W Cho, “The MITC7 and MITC9 Plate bending elements,” Computers & Structures, vol 32, no 3, pp 797–814, Jan 1989 [26]Y Ko, P.-S Lee, and K.-J Bathe, “The MITC4+ shell element and its performance,” Computers & Structures, vol 169, pp 57–68, Jun 2016 [27]Y Lee, P.-S Lee, and K.-J Bathe, “The MITC3+ shell element and its performance,” Computers & Structures, vol 138, pp 12–23, Jul 2014 [28]H Nguyen-Xuan, G R Liu, C Thai-Hoang, and T Nguyen-Thoi, “An edgebased smoothed finite element method (ES-FEM) with stabilized discrete shear gap technique for analysis of Reissner–Mindlin plates,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol 199, no 9, pp 471–489, Jan 2010 [29]H Nguyen-Xuan, T Rabczuk, N Nguyen-Thanh, T Nguyen-Thoi, and S Bordas, “A node-based smoothed finite element method with stabilized discrete 54 shear gap technique for analysis of Reissner–Mindlin plates,” Comput Mech, vol 46, no 5, pp 679–701, Oct 2010 [30]C D Thanh, V N Tuyen, and N H Phuc, “A cell-based smoothed three-node plate finite element with a bubble node for static analyses of both thin and thick plates,” Vietnam Journal of Mechanics, vol 39, no 3, pp 229–243, Sep 2017 [31]T Chau-Dinh, Q Nguyen-Duy, and H Nguyen-Xuan, “Improvement on MITC3 plate finite element using edge-based strain smoothing enhancement for plate analysis,” Acta Mech, vol 228, no 6, pp 2141–2163, Jun 2017 [32]T Châu Đình and D Nguyễn Văn, “Phân tích tĩnh dao động riêng composite nhiều lớp phần tử MITC3 có biến dạng đƣợc trung bình miền nút phần tử (NS-MITC3),” Tuyển tập cơng trình Hội nghị khoa học tồn quốc “Vật liệu Kết cấu Composite: Cơ học, Công nghệ Ứng dụng, pp 613–620, 2016 [33]T Nguyen-Thoi, T Bui-Xuan, P Phung-Van, H Nguyen-Xuan, and P NgoThanh, “Static, free vibration and buckling analyses of stiffened plates by CSFEM-DSG3 using triangular elements,” Computers & Structures, vol 125, pp 100–113, Sep 2013 [34]H Nguyen-Xuan, L V Tran, T Nguyen-Thoi, and H C Vu-Do, “Analysis of functionally graded plates using an edge-based smoothed finite element method,” Composite Structures, vol 93, no 11, pp 3019–3039, Oct 2011 [35]S Natarajan and G Manickam, “Bending and vibration of functionally graded material sandwich plates using an accurate theory,” Finite Elements in Analysis and Design, vol 57, pp 32–42, Sep 2012 [36]C H Thai, L V Tran, D T Tran, T Nguyen-Thoi, and H Nguyen-Xuan, “Analysis of laminated composite plates using higher-order shear deformation plate theory and node-based smoothed discrete shear gap method,” Applied Mathematical Modelling, vol 36, no 11, pp 5657–5677, Nov 2012 [37]D Nguyễn-Văn, “Phân tích kết cấu phần tử biến dạng trơn NSMITC3,” Luận Văn Thạc sĩ, 2016 55 [38]T Châu- Đình, M La-Tấn, “Phân tích kết cấu phân lớp chức năng(FGM) chịu tải trọng nhiệt phần tử CS-MITC3+,” Luận Văn Thạc sĩ, 2018 [39]H Luong-Van, T Nguyen-Thoi, G R Liu, and P Phung-Van, “A cell-based smoothed finite element method using three-node shear-locking free Mindlin plate element (CS-FEM-MIN3) for dynamic response of laminated composite plates on viscoelastic foundation,” Engineering Analysis with Boundary Elements, vol 42, pp 8–19, May 2014 [40]H N.-V T Châu Đình, “Phân tích kết cấu vật liệu phân lớp chức (FGMs) theo lý thuyết biến dạng cắt bậc cao dùng phần tử MITC3 đƣợc làm trơn cạnh,” Luận Văn Thạc sĩ, 2017 [41]H Nguyen-Xuan, L V Tran, C H Thai, and T Nguyen-Thoi, “Analysis of functionally graded plates by an efficient finite element method with node-based strain smoothing,” Thin-Walled Structures, vol 54, pp 1–18, May 2012 [42]K.-J Bathe and E N Dvorkin, “A four-node plate bending element based on Mindlin/Reissner plate theory and a mixed interpolation,” International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol 21, no 2, pp 367–383, 1985 [43]Y Y Lee, X Zhao, and K M Liew, “Thermoelastic analysis of functionally graded plates using the element-free kp-Ritz method,” Smart Mater Struct., vol 18, no 3, p 035007, Jan 2009 [44]D F Gilhooley, R C Batra, J R Xiao, M A McCarthy, and J W Gillespie, “Analysis of thick functionally graded plates by using higher-order shear and normal deformable plate theory and MLPG method with radial basis functions,” Composite Structures, vol 80, no 4, pp 539–552, Oct 2007 [45]C.-P Wu and K.-H Chiu, “RMVT-based meshless collocation and element-free Galerkin methods for the quasi-3D free vibration analysis of multilayered composite and FGM plates,” Composite Structures, vol 93, no 5, pp 1433– 1448, Apr 2011 56 [46]H.-T Thai and S.-E Kim, “A simple higher-order shear deformation theory for bending and free vibration analysis of functionally graded plates,” Composite Structures, vol 96, pp 165–173, Feb 2013 [47]A M Zenkour, “Generalized shear deformation theory for bending analysis of functionally graded plates,” Applied Mathematical Modelling, vol 30, no 1, pp 67–84, Jan 2006 57 58 ... phân tích kết cấu vật liệu phân lớp chức (FGMs) phân tử ES- MITC3+ So sánh đánh giá độ xác phần tử đề xuất với phần tử loại việc phân tích FGM chịu tải trọng 16 Đề tài giới hạn phân tích kết cấu. .. cảm ơn! iii TĨM TẮT Phân tích kết cấu phân lớp chức FGMs phần tử ES- MITC3+ Luận văn phát triển công thức phần tử tam giác nút ES- MITC3+ dùng để phân tích tĩnh phân lớp chức FGMs theo lý thuyết... ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN NGỌC DIỄM HƢƠNG PHÂN TÍCH KẾT CẤU TẤM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG FGM BẰNG PHẦN TỬ ES- MITC3+ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD VÀ