Mô hình hóa và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI





BÙI VĂN BÌNH






MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ
KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG







LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

HÀ NỘI - 2012



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI






BÙI VĂN BÌNH







MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN SỐ

KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG

Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn
Mã số: 62.44.21.01





LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS. TRẦN ÍCH THỊNH
2. PGS.TS. TRẦN MINH TÚ




HÀ NỘI - 2012




CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN





Tôi tên là: Bùi Văn Bình


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.




Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Người cam đoan



Bùi Văn Bình

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn : GS. TS.
Trần Ích Thịnh, PGS. TS. Trần Minh Tú đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều
kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và
kết cấu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và
hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ m
ôn.
Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thành viên trong nhóm Seminar "Cơ
học Vật rắn biến dạng" - ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH
Công nghệ, ĐH Xây Dựng, ĐH Kiến Trúc, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, ĐH
Giao Thông Vận tải, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐH T
hái
Nguyên đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận
án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Đạt – Viện Nghiên cứu và
Chế tạo Tàu thủy - Đại học Thủy sản Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo
mẫu thí nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ, giảng viên Viện Cơ học
Việt Nam, Phòng thí nghiệm kiểm soát Rung và Ồn - Viện Cơ học Việt Nam giúp

đỡ, tạo điều kiện trong suốt quá t
rình đo đạc thực nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ giảng viên khoa Công
nghệ Cơ khí, Trường Đại học Điện lực đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời
gian, đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn c
ác bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và
động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong
gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Tác giả: Bùi Văn Bình





MỤC LỤC


Nội dung Trang
Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục hình vẽ - đồ thị
Danh mục các bảng
MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
5
1.1. MỞ ĐẦU 5
1.2. CÁC ỨNG DỤNG CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG GẤP
NẾP, LƯỢN SÓNG
5
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN
ĐẾN ĐỀ TÀI CỦA LUẬN ÁN
8
1.3.1 Tóm lược chung về tì
nh hình nghiên cứu kết cấu tấm composite
trên thế giới
8
1.3.2 Tóm lược chung về tình hình nghiên cứu kết cấu tấm composite ở
Việt Nam
15
1.3.3 Tình hình nghiên cứu về kết cấu tấm composite dạng gấp nếp,
lượn sóng
16
1.4. NHẬN XÉT VỀ TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY ĐÃ
ĐẠT ĐƯỢC
19
1.5 ĐỀ XUẤT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN 20
1.6. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỤ THỂ CỦA LUẬN ÁN
21
1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu 21
1.6.2. Nhiệm vụ của luận án 21
1.7. KẾT LUẬN C
HƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TẤM






COMPOSITE LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG 23
2.1. MỞ ĐẦU
23
2.2. PHƯƠNG TRÌNH CẤU THÀNH CỦA TẤM COMPOSITE LỚP 24
2.2.1. Trường chuyển vị 25
2.2.2. Trường biến dạng 25
2.2.3. Trường ứng suất 25
2.2.4. Các thành phần nội lực 28
2.2.5. Phương trình ứng xử cơ học của tấm nhiều lớp 29
2.3. PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU TẤM COMPOSITE
LỚP DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG HÌNH THANG
30
2.3.1. Lựa chọn phần tử 30
2.3.2. Xây dựng ma trận độ cứng của phần tử, m
a trận khối lượng và
véctơ lực nút phần tử
32
2.3.3. Ghép nối ma trận độ cứng và ma trận khối lượng tổng thể 34
2.3.4. Tích phân số 35
2.3.5. Các phương trình tổng quát 37
2.4. THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH

38
2.4.1. Các tiêu chuẩn sử dụng nhằm xác định tải trọng phá hủy của kết
cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp, lượn sóng
38
2.4.1.1. Tiêu chuẩn ứng s
uất lớn nhất
38
2.4.1.2. Tiêu chuẩn bền Tsai-Wu
39
2.4.2. Phân tích phá huỷ kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp 39
2.4.3 Thuật toán tích phân Newmark [31]
43
2.4.4 Thuật toán GA 44
2.4.5. Các chương trình tính 47
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

48
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA CÁC KẾT CẤU TẤM
DẠNG GẤP NẾP, LƯỢN SÓNG



49



3.1 MỞ ĐẦU 49
3.2. CÁC BÀI TOÁN KIỂM TRA THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH

50
3.2.1 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tĩnh 50
3.2.2 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán dao động 52
3.2.3 Kiểm tra thuật toán và chương trình cho bài toán tối ưu 53
3.3. PHÂN TÍCH TĨNH CÁC KẾT CẤU TẤM COMPOSITE GẤP NẾP,
LƯỢN SÓNG
56
3.3.1. Bài toán 1: Khảo sát ảnh hưởng của góc gấp nếp đến độ võng kết
cấu tấm composite dạng gấp nếp một lần
57
3.3.2. Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của gó
c gấp nếp đến độ võng kết
cấu tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần
60
3.3.3. Bài toán 3. Khảo sát ảnh hưởng gân và cách bố trí gân đến độ
võng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp
62
3.3.4. Bài toán 4: Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học đến độ
võng, ứng suất của tấm lượn sóng hình thang
64
3.3.4.2 Ảnh hưởng của số lớp đến độ võng và ứng suất của tấm
composit
e dạng lượn sóng hình thang
65
3.3.4.1 Ảnh hưởng của góc gấp nếp (độ cao sóng) đến độ võng và
ứng suất của tấm composite dạng lượn sóng hình thang
67
3.3.5 Bài toán 5. Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy
tấm composite dạng gấp nếp
68

3.3.5.1 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí phá hủy tấm
composite dạng gấp nếp 2 lần
69
3.3.5.2 Tính toán tải trọng phá hủy và xác định vị trí
phá hủy tấm
composite dạng gấp nếp dạng mũ (Hat-type folded plate)
71
3.4. PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CÁC KẾT CẤU TẤM GẤP NẾP, LƯỢN
SÓNG
73
3.4.1 Bài toán 6: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên đến tần số
dao động riêng, dạng dao động riêng của tấm gấp nếp
75
3.4.2 Bài toán 7: Ảnh hưởng của góc gấp nếp, điều kiện biên, góc
phương sợi đến đáp ứng động lực học của tấm gấp nếp
78
3.4.3 Bài toán 8: Ảnh hưởng của cách bố trí gân, điều kiện biên và cấu
hình góc sợi đến tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của kết
cấu tấm gấp nếp có gân gia cường
81
3.4.3.1. Ảnh hưởng của cách
bố trí gân, điều kiện biên, cấu hình
81



góc sợi đến tần số dao động riêng, dạng dao động riêng
3.4.3.2. Ảnh hưởng của cách bố trí gân đến đáp ứng động lực
học tấm
84

3.4.3.3. Ảnh hưởng của điều kiện biên đến đáp ứng động lực
học tấm
85
3.4.3.4. Ảnh hưởng của cấu hình góc sợi đến đáp ứng động lực
học tấm
87
3.4.4 Bài toán 9: Tối ưu tần số dao động ri
êng kết cấu tấm gấp nếp theo
cấu hình góc sợi bằng thuật toán di truyền
89
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 95
CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG
98
4.1. MỞ ĐẦU 98
4.2. XÂY DỰNG CÁC MẪU THÍ NGHIỆM 98
4.2.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm và cơ tính 98
4.2.2. Quy cách mẫu thí nghiệm 98
4.2.3 Các loại mẫu thí nghiệm 100
4.3 ĐỒ GÁ 102
4.4 THIẾT BỊ ĐO, GHI DỮ LIỆU 104
4.5 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍC
H TẦN SỐ FFT 105
4.6 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 106
4.7. KẾT QUẢ ĐO TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 108
4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118
Các công trì
nh đã công bố của tác giả liên quan đến luận án
Tài liệu tham khảo

Phụ lục



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

(1,2,3) Các phương chính của lớp vật liệu
[]
A
Ma trận độ cứng màng
[]B
Ma trận độ cứng tương tác màng-uốn
[]C
Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất-biến dạng của
vật liệu dị hướng
[]
D
Ma trận độ cứng vật liệu
ĐKB Điều kiện biên
i
E Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i
f
i
( 1,in ) Tần số dao động riêng thứ i
ij
G Mô đun đàn hồi trượt
GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm)
[]K Ma trận độ cứng tổng thể của tấm
k Số thứ tự lớp
[]

e
k Ma trận độ cứng phần tử của tấm
L Kích thước tấm
LA Luận án
,,
x
yxy
M
MM Các thành phần momen uốn và xoắn

M Ma trận khối lượng tổng thể của tấm

e
m Ma trận khối lượng phần tử của tấm
,,
x
yxy
N
NN Các thành phần lực màng
n Số lớp composite
PTHH Phần tử hữu hạn
,
x
y
QQ
Các thành phần lực cắt
[]
ij
Q Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (1,2,3)
'

ij
[]Q Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ (x,y,z)
q(x,y) Tải trọng uốn tác dụng lên tấm
[]S Ma trận độ mềm trong quan hệ ứng suất-biến dạng của
vật liệu dị hướng



T Động năng của hệ
[T] Ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ
t Chiều dày tấm
t
k
Chiều dày lớp vật liệu thứ k của tấm
U Năng lượng biến dạng đàn hồi của hệ
u,v,w Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z
u
o
,v
o
,w
o
Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z tại
mặt phẳng trung bình của tấm
W Công ngoại lực
W Kích thước chiều rộng tấm
(x,y,z) Phương của hệ quy chiếu tổng thể
(x’,y’,z’) Phương của hệ tọa độ phần tử
α Góc gấp nếp
,, , ,

x
yxyxzyz

  
Các thành phần biến dạng trong hệ tọa độ x,y,z
xyxyoyoxo





,,,, Các thành phần biến dạng tại mặt trung bình của tấm
trong hệ tọa độ x,y,z
i

Góc phương sợi lớp vật liệu thứ i của tấm
,
x
y


Các thành phần góc xoay quanh các trục x, y tại mặt
phẳng trung bình của tấm
xyxyyx
kkk


,,,,
Các thành phần độ cong tại mặt phẳng trung bình của
tấm trong hệ toạ độ x,y,z

ij
 Hệ số Poisson của vật liệu theo phương ij
,,,,
x
yxyxzyz

  
Các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ x,y,z
ξ, η Hệ toạ độ tự nhiên
i


Tần số dao động riêng không thứ nguyên thứ i









DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ

Hình 1. Mái che sử dụng tấm composite dạng gấp nếp
6
Hình 1.2. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp
6
Hình 1.3. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần
6

Hình 1.4. Tấm phẳng được gia cường bởi các tấm gấp nếp
7
Hình 1.5. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng mũ (lõi rời rạc)
7
Hình 1.6. Tấm gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi, cầu nối của dầm
composite
7
Hình 1.7. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục)
8
Hình 2.1. Kết cấu tấm composite gấp nếp có gân gia cường dạng tấm
23
Hình 2.2. Kết cấu tấm lượn sóng hình thang
24
Hình 2.3. Mô hình tấm composite lớp
24
Hình 2.4. Phần tử qui chiếu
30
Hình 2.5. Sơ đồ ghép nối ma trận độ cứng phần tử vào ma trận độ cứng tổng
thể
35
Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán tính tải trọng phá huỷ lớp đầu tiên
40
Hình 2.
7 Sơ đồ thuật toán cho bài toán tĩnh
41
Hình 2.8 Sơ đồ thuật toán cho bài toán động
42
Hình 2.9. Sơ đồ thuật toán tối ưu tần số dao động riêng bằng GA.
46
Hình 3.1. Tấm composite gấp nếp 1 lần.

51
Hình 3.2- Tấm composite gấp nếp hai lần, góc gấp nêp α.
52
Hình 3.3. Hình dạng hình học của tấm composite lớp gấp nếp 1 lần và 2 lần.
54
Hình 3.4 Tấm gấp nếp dạng mái dốc ké
p (W-shape), góc gấp α.
57
Hình 3.5. Tấm composite lớp gấp nếp một lần với góc gấp α chịu tải trong tập
trung
58
Hình 3.6. Đồ thị so sánh độ võng theo đường CD của tấm với điều kiện biên
ngàm tại y = 0; t = 0.02 (m); [30
0
/-30
0
/30
0
]
58
Hình 3.7. Tấm composite lớp gấp nếp một lần với góc gấp α chịu tải phân bố
với q = 20 kN/m
59
Hình 3.8. Đồ thị so sánh độ võng theo đường CD của tấm khi t = 0.02(m),
[30
0
/-30
0
/30
0

] với điều kiện biên: (a)- Ngàm tại y = 0; (b)- Ngàm tại y = 0 và y
= L.
60



Hình 3.9. Tấm composite gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi cho dầm sandwich,
góc gấp nếp α
61
Hình 3.10. So sánh độ võng dọc theo đường MN của tấm gấp nếp nhiều lần
dùng làm lõi cho dầm sandwich khi góc gấp nếp α = 90
0
, 120
0
, 150
0

61
Hình 3.11. Biến dạng của tấm gấp nếp nhiều lần sau khi chịu tải với góc gấp
nếp α = 90
0
, 120
0
, 150
0

62
Hình 3.12. Tấm composite gấp nếp năm lần có và không có gân gia cường
chịu tải trọng uốn
63

Hình 3.13. Độ võng của tấm composite gấp nếp năm lần có và không có gân
gia cường
64
Hình 3.14. Tấm composite dạng lượn sóng hình thang.
65
Hình 3.15. Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố.
65
Hình 3.15. Tấm composite lượn sóng hình thang chịu tải trọng phân bố.
66
Hình 3.17. Phân bố ứng suất (σ
x
, σ
y
, σ
xy
) theo chiều dầy của tấm khi góc gấp
nếp α = 90
0
, 105
0
, 120
0
, 135
0
, 150
0
, 175
0
(thay đổi độ cao sóng)
66

Hình 3.18. Phân bố ứng suất (σ
x
, σ
y
, σ
xy
) tại mặt trên của tấm, theo phương
trục Ox của đường giữa tấm thành phần 8, khi α = 90
0
, 105
0
, 120
0
, 135
0
, 150
0
,
175
0

66
Hình 3.19. So sánh độ võng của tấm tại đường giữa tấm dọc theo trục Ox khi
số lớp thay đổi
67
Hình 3.20. So sánh phân bố ứng suất (σ
x
, σ
y
, σ

xy
, σ
xz
, σ
yz
) theo chiều dầy của
tấm composite lượn sóng khi số lớp thay đổi
68
Hình 3.21. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm một đầu chịu tải trọng phân
bố đều
70
Hình 3.22. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm hai đầu.
70
Hình 3.23. Tấm composite gấp nếp hai lần ngàm hai cạnh bên
70
Hình 3.24. Tấm composite gấp nếp dạng hình mũ (Hat - type) ngàm một đầu
và ngàm tại hai đầu, chịu tải trọng phân bố đều
71
Hình 3.25. Vị trí các điểm bị phá hủy của tấm co
mposite gấp nếp dạng hình
mũ khi chịu uốn
72
Hình 3.26. Tấm composite gấp nếp dạng "Double trapezoidal type"
75
Hình 3.27. Một số dạng dao động của tấm composite "double trapezoidal
type": a - Góc gấp α = 120
0
; b - Góc gấp α = 90
0

75
Hình 3.28. Tấm composite gấp nếp 6 lần với góc gấp α.
76



Hình 3.29. Bốn dạng dao động đầu tiên của tấm composite gấp nếp sáu lần góc
gấp α = 120
0
, [60
0
/-60
0
/-60
0
/60
0
], độ dầy t = 1cm
77
Hình 3.30. Tấm gấp nếp 6 lần chịu tác dụng của tải trong bước tam giác
78
Hình 3.31. Sơ đồ tải trọng bước tam giác
78
Hình 3.32. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới
tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 90
0
, 120
0
, 150
0

; điều
kiện biên ngàm một đầu
79
Hình 3.33. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới
tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 90
0
, 120
0
, 150
0
; điều
kiện biên ngàm hai đầu
79
Hình 3.33. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần dưới
tác dụng của tải trọng theo thời gian với góc gấp nếp α = 90
0
, 120
0
, 150
0
; điều
kiện biên ngàm hai đầu
80
Hình 3.35. So sánh đáp ứng độ võng của điểm giữa tấm gấp nếp sáu lần với
các cấu hình lớp [60
0
/-60
0
/-60
0

/60
0
] và [0
0
/90
0
/90
0
/0
0
], α = 90
0
, 150
0

80
Hình 3.36. Năm dạng dao động riêng của kết cấu tấm composite có và không
có gân gia cường
83
Hình 3.37. Sơ đồ tải trọng bước tam giác
84
Hình 3.38. Đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm composite
gấp nếp với cấu hình lớp [45
0
/-45
0
]
3

84

Hình 3.39 . Đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm composite
gấp nếp ngàm tại cạnh AB, CD; cấu hình lớp [0
0
/90
0
]
3

85
Hình 3.40. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm gấp
nếp cho TH 1 và TH 2 theo điều kiện biên
86
Hình 3.41. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm gấp
nếp cho TH 3 và TH 4 theo điều kiện biên
86
Hình 3.42. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho
T.H 1
87
Hình 3.
43. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho
T.H 2
87
Hình 3.44. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho
T.H 3
88
Hình 3.45. So sánh đáp ứng động lực học của độ võng tại điểm giữa tấm cho
T.H 4
88
Hình 3.46. Đồ thị tiến trình tìm kiếm tần số tối ưu T.H 1- T.H 2 bằng GA, tấm
92

ngàm tại x = 0 (m)
Hình 3.47. Đồ thị tiến trình tìm kiếm tần số tối ưu T.H 3- T.H 4 bằng GA, tấm
ngàm tại x = 0 (m)
93
Hình 3.48. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 1
93
Hình 3.49. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 2
94
Hình 3.50. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm giữa tấm trong T.H 3
94
Hình 3.51. So sánh đáp ứng chuyển vị của điểm g
iữa tấm trong T.H 4
94
Hình 4.1. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần không có gân gia cường sử dụng
cho các thí nghiệm ngàm 1 đầu và ngàm 2 đầu tấm: Loại mẫu 1- 4
100
Hình 4.2. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần không có gân gia cường sử dụng
cho các thí nghiệm ngàm 2 cạnh bên: Loại mẫu 5 - 8
100
Hình 4.3. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần có gân gia cường sử dụng cho các
thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 9 - 12
101
Hình 4.4. Mẫu tấm Composite gấp nếp 2 lần c
ó gân gia cường sử dụng cho các
thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 13 - 16
101
Hình 4.5. Mẫu tấm Composite gấp nếp 1 lần có gân gia cường sử dụng cho các

thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 17- 18
101
Hình 4.6. Mẫu tấm Composite gấp nếp 1 lần có gân gia cường sử dụng cho các
thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 19 - 20
102
Hình 4.7. Mẫu tấm Composite gấp nếp 5 lần có gân gia cường sử dụng cho các
thí nghiệm ngàm 1 đầu: Loại mẫu 21- 22
102
Hình 4.8.
Mẫu tấm Composite gấp nếp 5 lần có gân gia cường sử dụng cho các
thí nghiệm ngàm 2 đầu: Loại mẫu 23 - 24
102
Hình 4.9. Giá đỡ
103
Hình 4.10. Các thanh gá
103
Hình 4.11. Các thanh nẹp và vít ngàm
104
Hình 4.12. Sơ đồ minh họa các thiết bị đo đạc thực nghiệm
106
Hình 4.13. Ba dạng dao động đầu tiên của mẫu thí nghiệm 1
107
Hình 4.14. Vị trí đầu đo để xác định tần số dao động thứ hai của mẫu thí
nghiệm 1
107
Hình 4.15. Đồ thị tín hiệu rung động tr
ong miền thời gian
108
Hình 4.16. Đồ thị tín hiệu rung động trong miền tần số
108

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. So sánh kết quả tính độ võng tại tâm của mặt A (*10
-3
m), α = 90
0

52
Bảng 3.2. So sánh kết quả tính năm tần số dao động riêng (Hz) 53
Bảng 3.3. So sánh góc sợi tối ưu và tần số dao động riêng tối ưu bằng GA 55
Bảng 3.4. Độ võng w×10
-4
(m) tại mặt cắt CD, ngàm tại đầu y = 0 58
Bảng 3.5. Độ võng w×10
-4
(m) tại mặt cắt CD, ngàm tại đầu y = 0 (m) 59
Bảng 3.6. Độ võng w×10
-5
(m) tại mặt cắt CD, ngàm tại y = 0 và y = 1 (m) 59
Bảng 3.7. Tải trọng phá hủy q (Pa) theo tiêu chuẩn Tsai- Wu và tiêu chuẩn ứng
suất lớn nhất của tấm composite gấp nếp hai lần
70
Bảng 3.8. Tải trọng phá hủy q (Pa) theo tiêu chuẩn Tsai- Wu và tiêu chuẩn ứng
suất lớn nhất của tấm composite gấp nếp dạng mũ
72

Bảng 3.9. Năm tần số dao động riêng đầu tiên (Hz) của tấm composite gấp nếp
sáu lần, [60
0
/-60
0
]
s
, góc gấp nếp α, độ dầy t = 1cm
76
Bảng 3.10a. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composite gấp
nếp có và không có gân gia cường khi tựa đơn tại AB và CD, t = 0.02m, 5 lớp
81
Bảng 3.10b. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composite gấp
nếp có và không có gân gia cường khi tựa đơn tại AB và CD, t = 0.02m, 6 lớp
82
Bảng 3.11a. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composte có và
không có gân gia cường khi ngàm tại hai cạnh AB và CD, t = 0.02m
, 5 lớp
82
Bảng 3.11b. So sánh 5 tần số dao động riêng đầu tiên của tấm composte có và
không có gân gia cường khi ngàm tại hai cạnh AB và CD, t = 0.02m, 6 lớp
82
Bảng 3.12. Tham số của giải thuật di truyền 90
Bảng 3.13. Tần số tối ưu và cấu hình góc sợi tối ưu khi ngàm tại AB và CD 90
Bảng 3.14. Tần số tối ưu và cấu hình góc sợi tối ưu khi ngàm tại x = 0 91
Bảng 4. 1 Tổng hợp các mẫu thí nghiệm
99
Bảng 4.
2. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90

0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], không có gân gia cường, loại
mẫu 1
109
Bảng 4.3. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], không có gân gia cường,
loại mẫu 2
109
Bảng 4.4. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
109

góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], không có gân gia cường,
không có gân gia cường, loại mẫu 3
Bảng 4.5. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], không có gân gia cường,
loại mẫu 4
110
Bảng 4.6. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0

, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], không có gân gia cường, loại
mẫu 5
110
Bảng 4.7.Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], không có gân gia cường,
loại mẫu 6
110
Bảng 4.8. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0

/90
0
/0
0
/90
0
], không có gân gia cường, loại
mẫu 7
110
Bảng 4.9. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], không có gân gia cường,
loại mẫu 8
111
Bảng 4.10. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0

/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu 9
111
Bảng 4.11. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 10
111
Bảng 4.12. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90

0
], có gân gia cường, loại mẫu
11
111
Bảng 4.13. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 12
112
Bảng 4.14. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu 13

112
Bảng 4.15. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 90
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 14
112
Bảng 4.16.Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu
15
112

Bảng 4.17. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp hai lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 16
113
Bảng 4.18. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu
17
113

Bảng 4.19. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 18
113
Bảng 4.20. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu
19
113
Bảng 4.21. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp một lần với
góc gấp α = 120

0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 20
114
Bảng 4.22. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu
21
114
Bảng 4.23. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45

0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 22
114
Bảng 4.24. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], có gân gia cường, loại mẫu
23
114
Bảng 4.25. Tần số dao động tự do (Hz) của tấm composite gấp nếp năm lần với
góc gấp α = 120
0
, cấu hình góc sợi [45
0
/-45

0
/45
0
/-45
0
], có gân gia cường, loại
mẫu 24
115







1


MỞ ĐẦU
Vật liệu composite có nhiều đặc tính nổi trội như mô đun đàn hồi và độ bền riêng
cao, nhẹ, có khả năng chịu nhiệt và ma sát lớn, khả năng chống mài mòn tốt, dễ gia công
thành những chi tiết có hình dạng phức tạp … Vì vậy, vật liệu - kết cấu composite ngày
càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: hàng
không, hàng hải, chế tạo máy, xây dựng, …v.v.
Chế tạo và sản xuất sản phẩm l
àm bằng vật liệu composite ở nước ta đang trong
giai đoạn bắt đầu triển khai và phát triển. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu, tính toán
vào thiết kế các kết cấu làm bằng vật liệu composite chưa nhiều, chủ yếu dựa vào kinh
nghiệm thực tế, nên tính ứng dụng còn hạn chế, hiệu quả chưa cao. Đặc biệt là các kết cấu
tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng với độ cao sóng lớn. Do vậy, việc nghiên cứu các

ứng xử cơ học của vật liệu com
posite, tính toán các kết cấu dạng gấp nếp, lượn sóng làm
bằng vật liệu composite phục vụ thiết kế, chế tạo là một việc làm có tính cấp thiết và có ý
nghĩa khoa học cao.
Trong thực tế, tấm làm bằng vật liệu composite dạng gấp nếp, lượn sóng được ứng
dụng ở nhiều nơi như các m
ái lợp, sàn, vỏ tàu thuyền,… Tại những nơi có không gian lớn,
các kết cấu tấm dạng không gian như tấm dạng lượn sóng, gấp nếp hoặc các kết cấu tấm,
dầm dạng sandwich có khả năng chịu lực tốt hơn tấm phẳng, giúp kết cấu tấm vượt qua
những khẩu độ lớn, tránh gây nên sự lãng phí không gian cho hệ dầm, dàn gia cường. Bởi
vì, với kết cấu dạng không gian, các phần của kết cấu "truyền lực cho nhau", hỗ trợ nhau
theo các phương nên khả năng chịu lực tốt hơn, tiêu tốn ít vật liệu và
đòi hỏi không gian
kết cấu ít hơn. Kết cấu tấm bằng vật liệu composite cho phép sản xuất, gia công trực tiếp
thành các dạng không gian (gấp nếp, lượn sóng) mà không phải lắp ghép từ các tấm thành
phần, đặc biệt là các kết cấu bằng vật liệu com
posite cốt sợi. Với các tấm, dầm sandwich
có lớp lõi chịu lực, để giảm trọng lượng của tấm (cũng như tăng khả năng cách âm, cách
nhiệt) người ta thường dùng lõi là các tấm dạng lượn sóng (lõi liên tục) hay các tấm dạng
gấp nếp (lõi rời rạc). Bởi vì, lớp lõi có dạng lượn sóng, gấp nếp có tác dụng truyền lực từ
lớp trên (thường là lớp trực tiếp chịu tải trọng) xuống lớp dưới, giúp tấm c
hịu lực tốt hơn.
Để có thể thiết kế tối ưu các kết cấu tấm composite có dạng phức tạp (gấp nếp,
lượn sóng,…) cần phải tiến hành nghiên cứu các bài toán cơ học: tính toán chuyển vị, ứng
suất, tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học,…của các tấm loại này với các cấu hình
lớp vật liệu, chịu các điều kiện biên và tải trọng khác nhau. Đồng thời với các nghiên cứu
lý thuyết, các nghiên cứu thực nghiệm đối với các kết cấu tấm
composite có dạng phức
tạp cũng rất cần thiết bởi vì hình dạng hình học ảnh hưởng lớn đến ứng xử cơ học của kết
cấu.

Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về các ứng xử cơ học (tính toán số cũng như thực
nghiệm)
của kết cấu composite dạng gấp nếp, lượn sóng còn rất mới mẻ và còn ít kết quả
công bố. Căn cứ vào thực tế ứng dụng và tình hình nghiên cứu hiện nay về các kết cấu
tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng, luận án đặt vấn đề nghiên cứu:
“Mô hình hoá và tính toán số kết cấu tấm composite gấp nếp, lượn sóng”.
2


MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
- Xây dựng thuật toán PTHH dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindlin để
giải quyết bài toán uốn tĩnh, dao động tự do, phân tích đáp ứng động lực học của chuyển
vị, tối ưu theo góc sợi của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang (với
độ cao sóng lớn).
- Xây dựng chương trình tính trong môi trường Matlab để tìm lời giải số cho chuyển
vị, ứng suất,
tải trọng phá hủy, tần số dao động riêng, đáp ứng động lực học của chuyển
vị, xác định góc sợi tối ưu của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang.
- Khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học và vật liệu: góc gấp nếp (α), vị trí các
gân gia cường, điều kiện biên, số lớp vật liệu composite, góc sợi, đến ứng xử tĩnh và dao
động của kết cấu tấm
composite dạng gấp nếp, lượn sóng hình thang.
- Thiết kế, chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm đo tần số dao động riêng của một số
kết cấu tấm composite dạng gấp nếp (có và không có gân gia cường; làm bằng vật liệu sợi
thủy tinh/nền polyester - thường dùng trong chế tạo tàu thuyền tại Việt Nam). Kết quả thí
nghiệm được so sánh với kết quả tín
h bằng chương trình PTHH đã thiết lập.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu:
+ Kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp: có và không có gân gia cường dạng

tấm - gân gia cường là các tấm với các kiểu bố trí khác nhau theo chiều dọc và ngang của
tấm gấp nếp.
+ Kết cấu tấm dạng lượn sóng hình thang (có độ cao sóng lớn).
+ Mẫu thí nghiệm là các tấm gấp nếp làm bằng vật liệu composite sợi thủy tinh/
nền polyester thường dùng trong chế tạo tàu thuyền tại Việt Nam.


Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong miền biến dạng nhỏ, đàn hồi tuyến tính của vật
liệu: nghiên cứu các ứng xử uốn tĩnh (xác định chuyển vị, ứng suất, tải trọng phá hủy) và
dao động (tự do, đáp ứng động lực học của chuyển vị (trong thời gian ngắn dưới tác động
của tải trọng xung - transient response of displacement) của các đối tượng nghiên cứu dựa
trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mind
lin.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp số và phương pháp thực nghiệm.
* Phương pháp số: Xây dựng thuật toán và chương trình tính bằng phương pháp
phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên trường chuyển vị bậc nhất có kể đến biến dạng cắt theo
Mindin để giải bài toán tĩnh, dao động và bài toán tối ưu cho các kết cấu tấm composite
lớp dạng gấp nếp, lượn sóng.
3


* Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng và tiến hành một số thí nghiệm nhằm
xác định tần số dao động riêng của các kết cấu tấm composite lớp dạng gấp nếp (có và
không có gân gia cường) với các cấu hình lớp và điều kiện biên khác nhau.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Nội dung của đề tài góp phần vào việc nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động kết
cấu tấm composite có nhiều ứng dụng trong thực tế của ngành xây dựng, đóng tàu -

thuyền, các sản phẩm công nghiệp,
Xây dựng được thuật toán và chương trình tính cho phép mô phỏng ứng xử tĩnh,
dao động tự do và đáp ứng động lực học chuyển vị (dưới tác dụng của tải trọng xung) của
kết cấu tấm
composite có dạng hình học phức tạp (gấp nếp có và không có gân gia cường,
lượn sóng với độ cao sóng lớn); có thể tiến hành những thí nghiệm số đối với kết cấu làm
bằng tấm composite với các dạng hình học phức tạp như thân, vỏ tàu thuyền,
Việc tính toán trực tiếp dạng không gian các kết cấu làm bằng tấm vật liệu
composite mà tác giả nghiên cứu là vấn đề thực tiễn có tính khoa học trong lĩnh vực cơ
học vật thể rắn. Luận án đã đóng góp một nội dung khoa học đang còn bỏ ngỏ ở Việt
Na
m. Kết quả của luận án đóng góp cho những nghiên cứu khoa học về ứng xử cơ học
(mô phỏng số cũng như thực nghiệm) của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng
với độ cao sóng lớn. Thực hiện những thí nghiệm số dự báo dạng dao động, đáp ứng động
lực học của các kết cấu tấm c
ó dạng hình học phức tạp, giúp định hướng các nghiên cứu
thực nghiệm, khẳng định tính đúng đắn của các kết quả thực nghiệm trong lĩnh vực
nghiên cứu.
CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN
Luận án gồm: mở đầu, 4 chương, kết luận chung, danh mục các bài báo của tác giả đã
công bố liên quan đến đề tài luận án, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Mở đầu
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
Trình bày các nghiên cứu tổng quan về kết cấu tấm composite có dạng lượn sóng,
gấp nếp.
Chương 2: Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn tính toán kết cấu tấm
composite dạng gấp nếp, lượn sóng
Trình bày cách thiết lập thuật toán PTHH để tính toán tấm composite dạng gấp
nếp (có và không có các gân gia cường), dạng lượn sóng dựa trên trường chuyển vị bậc
nhất của Mindlin. Các gân gia cường trong mô hình PTHH được mô tả như các phần tử

tấm.
Chương 3: Nghiên cứu ứng xử tĩnh và động của các kết cấu tấm dạng gấp
nếp, lượn sóng
Trình bày các kết quả số cho các bài toán tĩnh (xác định độ võng, ứng suất, tải
trọng phá hủy uốn), bài toán động (tính tần số dao động riêng, phân tích đáp ứng động lực
4


học dưới tác dụng của tải trọng biến đổi theo thời gian- transient analysis) và bài toán tối
ưu tần số theo góc sợi các kết cấu tấm composite có dạng gấp nếp, lượn sóng bằng mô
hình, thuật toán và chương trình của tác giả luận án.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định tần số dao động riêng
Trình bày nghiên cứu thực nghiệm đo tần số dao động riêng của các kết cấu tấm
composite dạng gấp nếp có và không có gân gia cường làm bằng
sợi thủy tinh/ nhựa
polyester (thường dùng trong chế tạo tàu thuyền tại Việt Nam) với các dạng hình học khác
nhau.
Kết luận chung: Trình bày những kết quả chính của luận án, những đóng góp mới
của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận
án.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Gồm có: Kết quả thí nghiệm đo tần số dao động riêng của tấm composite dạng gấp
nếp
; một số bài toán kiểm tra thuật toán và chương trình tính, bài toán phân tích động lực
học của các mẫu thí nghiệm bằng mô hình PTHH, mã code chương trình tính toán đã thiết
lập.

5





CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN



1.1. MỞ ĐẦU
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật
liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn

vật liệu ban đầu. Vật liệu composit cứng, chắc, nhẹ và chống ăn mòn, dễ dàng gia
công thành những chi tiết có hình dạng phức tạp, đã và đang được sử dụng thành
công trong các ngành công nghiệp như hàng không, hóa dầu, ô tô,… Trong thực tế,
nhiều kết cấu tấm làm bằng vật liệu com
posite có dạng không gian. Các kết cấu
tấm dạng không gian cho phép tăng độ cứng vững hơn so với các kết cấu phẳng.
Đặc biệt là đối với các tấm làm bằng vật liệu composite cốt sợi, bởi tính liên tục
của sợi gia cường (sợi thủy tinh, sợi các bon ). Với sự phát triển của công nghệ
chế tạo, các phương tiện vận c
huyển, kết cấu tấm composite có dạng không gian
ngày càng được sử dụng rộng rãi như:
- Tấm composite dạng gấp nếp.
- Tấm composite dạng lượn sóng.
- Kết hợp việc gấp nếp và các gân gia cường cho tấm: Nhiều kết cấu tấm
composite gấp nếp trong thực tế được gia cường thêm bằng các gân mỏng (dạng
tấm) như: kết cấu sàn composite, kết cấu composite làm vách bảo ôn…
1.2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA TẤM VẬT LIỆU COMPOSITE DẠNG GẤP
NẾP, LƯỢN SÓNG.
* Ứng dụng của kết cấu tấm composite dạng gấp nếp:
- Trong các kết cấu mái che: Nhằm tăng cường độ cứng vững, các kết cấu
tấm composite thường được làm dưới hình dạng gấp nếp. Các kết cấu mái sử dụng
tấm gấp nếp cho phép nới rộng nhịp, ít tốn kém hơn trong việc thiết kế chế tạo các
khung đỡ của các mái,…Trong môi trường có độ ẩm cao, có tính chất ăn
mòn, mái
che bằng vật liệu kim loại dễ bị hỏng do rỉ sét, mái lợp bằng tấm composite dạng
gấp nếp là giải pháp thay thế phổ biến.
6

Hình 1.1. Mái che sử dụng tấm composite dạng gấp nếp.

Hình 1.2. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp.
Kết cấu tấm composite dạng gấp nếp là một tấm composite được tạo hình
dạng không gian (hai hay nhiều mặt phẳng liên tục), bằng cách tạo nếp gấp cho
tấm. Các lớp vật liệu của các "tấm thành phần" là giống nhau (về vật liệu, độ dày).
Góc phương sợi của tấm gấp nếp là liên tục khi được "trải phẳng".

Hình 1.
3. Mái khán đài sử dụng tấm composite dạng gấp nếp nhiều lần.
7


- Tấm composite gấp nếp dùng để gia cường cho các kết cấu tấm composite
phẳng.

Hình 1.4. Tấm phẳng được gia cường bởi các tấm gấp nếp.
- Làm lõi cho tấm sandwich:
Tấm dạng gấp nếp dạng "hình mũ" được dùng làm lõi cho khi chế tạo tấm
sandwich (lõi rời rạc, không liên tục) giúp nối và truyền lực từ lớp trên xuống lớp
dưới, tăng khả năng chịu lực của tấm sandwich, cách âm, cách nhiệt,…

Hình 1.
5. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng mũ (lõi rời rạc).
- Trong các kết cấu dầm composite:
Nhằm mục đích giảm khối lượng mà vẫn đảm bảo độ cứng vững và ổn định,
người ta thường sử dụng tấm dạng gấp nếp dạng nhiều lần làm lõi khi chế tạo dầm
dạng hộp composite hoặc làm lõi nối (bridge) của dầm dạng chữ I. Ưu điểm của
cách làm này là có khả năng chế tạo các lõi và "mặt dầm
" riêng biệt nên có thể

nâng cao năng suất, dễ chế tạo hàng loạt, kích thước phù hợp với từng kết cấu cụ
thể.


Hình 1.6. Tấm gấp nếp nhiều lần dùng làm lõi, cầu nối của dầm composite.
* Ứng dụng của tấm composite dạng lượn sóng hình thang:
Tấm dạng sandwich đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công
nghiệp: làm sàn composite, vách ngăn chống ồn Tấm dạng lượn sóng hình thang
Tấm gấp nếp gia cường


8


được dùng làm lõi khi chế tạo tấm sandwich (lõi liên tục) giúp giảm khối lượng
của kết cấu, tăng khả năng chịu tải và ổn định của kết cấu…

Hình 1.7. Tấm sandwich có lõi là các tấm gấp nếp dạng lượn sóng (lõi liên tục).
Việc chế tạo và ứng dụng kết cấu tấm composite dạng gấp nếp, lượn sóng
hình thang (với độ cao sóng lớn) trên thực tế hiện nay hầu hết đều dựa
vào kinh
nghiệm mà chưa có những tính toán, mô hình nào giải quyết đầy đủ các bài toán
liên quan như bài toán tĩnh, bài toán động, bài toán tối ưu. Vì vậy, việc xây dựng
mô hình tính toán và đưa ra kết quả để đánh giá khả năng làm việc của các kết cấu
composite lượn sóng hình thang và gấp nếp trong điều kiện cụ thể có ý nghĩa thực
tiễn lớn.
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN
ĐẾN ĐỀ TÀI CỦA LUẬN ÁN
1.3.1 Tóm lược chung về tình hình nghiên cứu kết cấu tấm composite trên thế
giới

Mặc dù vật liệu composite đã được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống cũng
như trong kỹ thuật nhưng việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các loại vật
liệu và kết cấu composite vẫn đã và đang thu hút nhiều nhà khoa học trên thế giới
cũng như trong nước. Nhiều bài toán cơ học được đặt ra như: xác định các đặc
trưng cơ học vật liệu, xác định trạng thái ứng suất biến dạng, tính toán động lực
học, tính toán bền, bài toán tối ưu Nhằm mục đích giải quyết các bài toán này,
nhiều
lý thuyết và phương pháp giải đã được đề xuất và đang tiếp tục được phát
triển.
Trong [92, 93], Reddy và Robbins đề xuất các lý thuyết đơn lớp tương đương
và các lý thuyết lớp liên tiếp (layerwise theories) để tính toán các bài toán tĩnh,
động, ổn định cho các tấm phẳng nhiều lớp với các điều kiện biên khác nha
u.
Trong đó, một số các ảnh hưởng như độ ẩm, nhiệt độ biến thiên tuyến tính theo
chiều dầy tấm với một số loại điều kiện biên, đã được xem xét. Một số các phân
tích và kết quả tính toán số bằng phương pháp giải tích và phương pháp phần tử
hữu hạn đã được trình bày. Liu và Li trong [59] đã trình bày các so sánh tổng quát
về giả thuyết và các trường c
huyển vị cho tấm phẳng bằng vật liệu composite lớp.
Trong đó, tác giả tập trung so sánh các giả thuyết về biến dạng của mặt cắt ngang,
lý thuyết zig-zag tổng quát. Xem xét đánh giá các lý thuyết sử dụng để tính toán
cho một số trường hợp của tấm nhiều lớp và tấm sandwich được trình bày bởi
Altenbach năm 1998 trong [28] và Zhang năm 2009 trong [121]