Phân tích mất ổn định tấm FGM sử dụng phương pháp không lưới MKI và lý thuyết biến dạng cắt hàm lượng giác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------

PHẠM HOÀI ÂN

PHÂN TÍCH MẤT ỔN ĐỊNH
TẤM FGM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI MKI
VÀ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG CẮT HÀM LƯỢNG GIÁC

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
Mã số ngành : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019


Công trình được hoàn thành tại: Trường đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Tân Văn
PGS. TS Lương Văn Hải
Cán bộ chấm nhận xét 1:.......................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2:.......................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày
................tháng..........năm..........

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1...............................................................................
2...............................................................................

3 .............................................................................
4 ............................................................................
5 ............................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lí chuyên nghành sau
khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: PHẠM HOÀI ÂN

MSHV: 1670081

Ngày, tháng, năm sinh: 20-09-1993

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.
Mã số: 60.58.02.08
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích mất ổn định tấm FGM sử dụng phương pháp không lưới
MKI và lý thuyết biến dạng cắt hàm lượng giác.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Tìm hiểu các lý thuyết biến dạng cắt được sử dụng để phân tích tính ổn định của tấm vật
liệu chức năng.
2. Thiết lập phương trình phân tích tính ổn định của tấm vật liệu chức năng khi chịu nén
trong mặt phẳng theo lý thuyết biến dạng cắt hàm lượng giác sin hyperbolic (N-RSHSDT)
thu gọn dùng phương pháp không lưới với hàm nội suy Moving Kriging.
3. Viết chương trình tính toán số và rút ra các nhận xét về đặc tính ổn định của tấm vật liệu
chức năng khi chịu nén với các thông số khác nhau về vật liệu, hình học, điều kiện biên.
III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 13/08/2018

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/12/2018
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Vũ Tân Văn & PGS.TS Lương Văn Hải
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2


TP. HCM, ngày....tháng ....năm 20....
CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường Đại học Bách
Khoa, phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập.

Em xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Tân Văn đã hướng dẫn trực tiếp, luôn quan
tâm giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn, dạy em nhiều về kiến thức chuyên môn
cũng như phương pháp nghiên cứu. Em xin cảm ơn chân thành PGS.TS Lương Văn
Hải, là người giảng dạy trực tiếp kiến thức về “Kết cấu tấm vỏ” đã gợi những hướng
đi và giải đáp chuyên môn để em có thể thực hiện, làm tốt đề tài luận văn này.
Đồng thời, em cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô của trường Đại
học Bách Khoa Tp. HCM đã trực tiếp truyền đạt cho em về kiến thức quý báu về
chuyên môn cũng như kiến thức khoa học cuộc sống trong thời gian vừa qua: PGS.TS
Bùi Công Thành (Cơ kết cấu nâng cao), PGS.TS Chu Quốc Thắng (Phương pháp
phần tử hữu hạn nâng cao), PGS.TS Nguyễn Thị Hiền Lương (Cơ học vật rắn biến
dạng), PGS.TS Nguyễn Trọng Phước (Động lực học kết cấu), PGS.TS Hoàng Nam
(Thiết kế công trình kháng chấn & Tác động của gió lên công trình), PGS.TS Dương
Nguyên Vũ (Phương pháp nghiên cứu khoa học), TS. Hồ Hữu Chỉnh (Khảo sát
nghiên cứu thực nghiệm công trình & Kết cấu bê tông cố thép nâng cao), TS. Nguyễn
Thái Bình (Phương pháp phần tử hữu hạn) và các thầy cô khác trong bộ môn đã tạo
điều kiện tốt nhất cho em được học tập và nghiền cứu, luôn tận tâm giảng dạy và cung
cấp cho em những tài liệu cần thiết.
Cuối cùng con xin bày tỏ lòng ghi ơn chân thành và sâu sắc đến gia đình đã luôn
quan tâm, động viên và bên cạnh trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành biết ơn!
HỌC VIÊN

PHẠM HOÀI ÂN


1

TÓM TẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên đề tài:
Phân tích mất ổn định tấm FGM sử dụng phương pháp không lưới MKI và

lý thuyết biến dạng cắt hàm lượng giác.
Tóm tắt:
Trong luận văn này áp dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao thu gọn hàm lượng
giác hyperbolic dùng phương pháp không lưới với hàm nội suy Moving Kriging (MK)
được sử dụng để xây dựng hàm dạng có tính chất Kronecker Delta - cho việc phân tích
ổn định của tấm vật liệu chức năng. Do đó mà phương pháp này cho phép áp đặt điều
kiện biên dễ dàng.
Tấm vật liệu chức năng (Functional Graded Material - FGM) được mô hình như
một tấm vật liệu hỗn hợp với các đặc tính cơ học thay đổi theo chiều dày tấm với quy
luật hàm mũ. Lý thuyết biến dạng cắt hàm lượng giác sin hyperbolic thu gọn (N RSHSDT) được tạo thành từ việc phân tích chuyển vị đứng trong lý thuyết biến dạng
cắt bậc cao truyền thống thành hai thành phần chuyển vị đứng do uốn và chuyển vị
đứng do cắt.
Thiết lập phương trình chủ đạo để phân tích bài toán ổn định cho tấm FGM chịu
nén trong mặt phẳng, dùng phương pháp số Meshless với hàm nội suy Moving
Kriging. Một vài ví dụ số điển hình để kiểm chứng kết quả bằng việc so sánh với
những nghiên cứu đã công bố, đồng thời khảo sát các thông số khác nhau như: điều
kiện biên, tỷ lệ cạnh dài/ngắn và quy luật vật liệu khác nhau của phương pháp này.


ABSTRACT
“Buckling analysis of FGM plates based on the MKI Meshless method and
trigonometric shear deformation theory”.
According to this thesis, a newly refined hyperbolic shear deformation plate
theory (N-RSHSDT) is applied for typical of plate kinematics, a moving Kriging
Interpolation based on meshfree method, possessing Kronecker delta function
property for buckling analysis plates of functionally graded materials (FGM).
Therefore, that would be useful in the treatment of essential boundary
conditions.
Functional Graded Material (FGM) has been modeled as a composite plate
whose mechanical features vary exponentially based on the plate thickness.

From Tradition Higher Order Shear Deformation Plate Theory, a newly refined
sin hyperbolic shear deformation plate theory (N-RSHSDT) was formulated
from vertical deflection into 2 elements by bending and transverse shear strains.
Establishment of governing equation facilitates stability analysis for
compressed plate is the application of Meshless Numerical Method and Moving
Kriging Interpolation Equation. Several of numerical examples prove through
the comparison between previous published and collected surveys by different
factors involved.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
•
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa
học của PGS.TS Lương Văn Hải & TS. Vũ Tân Văn. Các kết quả trong luận văn là
trung thực, được tính từ chương trình do tác giả viết trong luận văn, và chưa từng
được công bố bởi ai khác. Nếu có bất kì gian dối nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm.
Tác giả

Phạm Hoài Ân


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề.........................................................................................................1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................3
1.3 Phạm vi nghiên cứu...........................................................................................3
1.4 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3
1.5 Ý nghĩa khoa học..............................................................................................4
1.6 Cấu trúc của luận văn........................................................................................4

CHU ƠN G 2: TÔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN cúu..........................................6
2.1 Giới thiệu chung................................................................................................6
2.2 Tấm vật liệu chức năng.....................................................................................6
2.2.1 Lịch sử hình thành.......................................................................................6
2.2.2 Đặc tính........................................................................................................8
2.2.3 ứng dụng......................................................................................................9
2.3Lý thuyết tấm FGM.........................................................................................10
2.3.1 Lý thuyết tấm cổ điển................................................................................11
2.3.2 Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT)..................................................12
2.3.3 Biến dạng cắt bậc cao HSDT.....................................................................12
2.4 Phương pháp rời rạc........................................................................................14
2.5 Tình hình nghiên cứu......................................................................................18
2.5.1 Ngoài nước................................................................................................18
2.5.2 Trong nước.................................................................................................19
2.5.3 Nhật xét về tình hình nghiên cứu...............................................................19
2.6 Kết luận chương..............................................................................................20
CHƯƠNG 3: cơ SỎ LÝ THUYẾT.............................................................................21
3.1 Giới thiệu........................................................................................................21
3.2 Kết cấu tấm FGM............................................................................................21
3.2.1 Tấm FGM đẳng hướng (loại A).................................................................21



X

không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM..........................................49
4.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ số mô đun Ec/Em đối với tải trọng tới hạn
không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM..........................................52

4.2.4

Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số Poisson’s (nu) của tấm đối với tải trọng



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
•

Hình 1.1: Kết cấu khung thân máy bay.........................................................................1
Hình 1.2: Vật liệu chức năng chế tạo chi tiết trong động cơ đốt trong và phản lực... 1
Hình 2.1: Minh họa về vi cấu trúc vật liệu composite nền hữu cơ................................7
Hình 2.2: Khả năng chịu nhiệt của tấm FGM...............................................................7
Hình 2.3: So sánh đặc tính vật liệu composite và FGM................................................8
Hình 2.4: Mô hình kết cấu làm từ vật liệu FGM.........................................................10
Hình 2.5: Mô hình tấm dựa trên lý thuyết Kirchhoff..................................................11
Hình 2.6: Mô hình lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất và vị trí mặt trung hòa...............12
Hình 2.7: Mô hình tấm theo lý thuyết biến dạng cắt HSDT.......................................13
Hình 2.8: Chuyển vị trong phương pháp nội suy MLS...............................................17
Hình 3.1: Kích thước hình học và tọa độ của tấm FGM.............................................21
Hình 3.2: Sự thay đổi của Vc theo tỷ số zỊh.................................................................22
Hình 3.3: cấu trúc mặt cắt ngang điển hình của tấm hỗn hợp FGM [1]......................23
Hình 3.4: Miền giá đỡ của các nút X và nút rời rạc nằm trong nó. Miền giá đỡ hình
tròn, elip hoặc hình chữ nhật.......................................................................................30
Hình 3.5: Biểu diễn một cấu trúc vật rắn bằng tập các nút rời rạc theo PPKL...........30
Hình 3.6: Miền ảnh hường cho 1 điểm bất kì..............................................................32
Hình 3.7: Điều kiện biền của tấm FGM có 4 cạnh biên là tựa đơn.............................35
Hình 3.8: Điều kiện biên của tấm FGM có 4 cạnh biên là ngàm................................35
Hình 4.1: Tam FGM chữ nhật chịu tác dụng bởi hệ lực phẳng: (a) nén 1 phương dọc
theo trục X (£ = 1, £2 = o); (b) nén 1 phương dọc theo trục y (£ = 0, £2 = 1); (c) nén

hai trục (<1 =1,<2 =1)...................................................................................................41
Hình 4.2: 6 Dạng dao động đầu tiên của tấm FG AI/AI2O3 với điều kiện biên ssss
(£1^2)= (1,1), n=2,a/&=1.5...........................................................................................43


Hình 4.3: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với hệ số suy giảm n của các loại tấm sandwich
FGM dạng B47 Hình 4.4: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với hệ số suy giảm n của các loại
tấm sandwich
FGM(dangC)...............................................................................................................48
Hình 4.5: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số b/a của các loại tấm sandwich FGM 50
Hình 4.6: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số b/a của các loại tấm sandwich FGM 51
Hình 4.7: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số Ec/Em của các loại tấm sandwich FGM
dạng B (1-8-1).............................................................................................................52
Hình 4.8: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số Ec/Em của các loại tấm sandwich FGM
dạng B (2-2-1).............................................................................................................53
Hình 4.9: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số Ec/Em của các loại tấm sandwich FGM
dạng c (1-8-1).............................................................................................................54
Hình 4.10: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số Ec/Em của các loại tấm sandwich FGM
dạng c (2-2-1).............................................................................................................55
Hình 4.11: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số nu của các loại tấm sandwich FGM
dạng B.........................................................................................................................57
Hình 4.12: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số nu của các loại tấm sandwich FGM
dạng c..........................................................................................................................58
Hình 4.13: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số a/h, b/a của tấm sandwich FGM. . .59
Hình 4.14: Biểu đồ thay đổi giữa Ncr với tỷ số a/h, b/a của tấm sandwich FGM. . .60


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
•

Bảng 2.1: Một số tính năng của gốm và kim loại..........................................................8
Bảng 2.2: So sánh đặc tính cơ học của composite và FGM..........................................9
Bảng 2.3: So sánh mô hình bài toán theo phương pháp FEM và Meshfree...............15
Bảng 2.4: So sánh thuật toán của 2 phương pháp FEM và Meshfree.........................16
Bảng 3.1: Tọa độ và trọng số trong phép cầu phương Gauss......................................37
Bảng 4.1: Tính chất vật liệu của tấm FGM.................................................................40
Bảng 4.2: Tải trọng tới hạn NcrịMN/m) cho tấm chữ nhật A//A/2Ơ3 với các tỷ số kích
thước và điều kiện biên khác nhau..............................................................................42
Bảng 4.3: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên được chuẩn hóa với lực nén dọc trục
theo một phương cho tấm sandwich FGM dạng c điều kiện biên ssss với (ữ//i = 10) 44
Bảng 4.4: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên được chuẩn hóa với lực nén dọc trục
theo hai phương cho tấm sandwich FGM dạng c điều kiện biên ssss với (ữ//i = io). .45
Bảng 4.5: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM
dạng B..........................................................................................................................46
Bảng 4.6: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGMdangC..................................................................................................................48
Bảng 4.7: Tải họng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM
dạng B..........................................................................................................................49
Bảng 4.8: Tải họng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM
dạng c...........................................................................................................................50
Bảng 4.9: Tải họng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich FGM
dạng B (1-8-1).............................................................................................................52
Bảng 4.10: Tải họng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng B (2-2-1)...................................................................................................53


X

Bảng 4.11: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng c (1-8-1)...................................................................................................54

Bảng 4.12: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng c (2-2-1)...................................................................................................55
Bảng 4.13: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng B...............................................................................................................56
Bảng 4.14: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGMdangC.................................................................................................................57
Bảng 4.15: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng B...............................................................................................................59
Bảng 4.16: Tải trọng tới hạn không thứ nguyên Ncr của các tấm dạng sandwich
FGM dạng c (1-8-1)...................................................................................................59


11

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẤT
Chữ viết tắt


12

u

Véctơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của kết cấu tấm

K
d

Véctơ độ cong
Véctơ chuyển vị nút của phần tử

Y
M
K

Ma trận biến dạng cắt Ma trận khối lượng tổng thể
Ma trận độ cứng tổng thể

Ký hiệu
a
b

Chiều dài tấm theo phương X
Chiều dài tấm theo phương y


xii

E

Mô đun đàn hoi của vật liệu

G

Mô đun chống cắt đàn hồi của vật liệu

nu

Hệ số poisson của vật liệu

p

Trọng luợng riêng của vật liệu

h

Chiều dày tấm FGM

A

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

A

Góc xoay của tấm quay quanh trục X

Ks

Hệ số hiệu chỉnh cắt

Kb

Hệ số hiệu chỉnh uốn

u, V, w

Chuyển vị của tấm theo phuơng X, y, z

(*.•*,)

Lần luợt là góc xoay đối với trục X, y

Ổ

Toán tử đạo hàm

0X

Đạo hàm riêng bậc một của hàm ộ theo biến X

9,y

Đạo hàm riêng bậc một của hàm ộ theo biến y

9«

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm ộ theo biến X

9,.

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm ộ theo biến X, y


1


2

1.6 Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc chung của luận văn được trình bày gồm 5 chương như sau:
Chương 1: Mở đầu bao gồm: đặt vấn đề, xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi

nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa của phương pháp nghiên cứu, cấu trúc
của luận văn.
Chương 2: Tổng quan về tình hình nghiền cứu bao gồm: giới thiệu chung về tình
hình nghiên cứu, tấm vật liệu chức năng FGM, lý thuyết tấm FGM, việc áp dụng các
phương pháp rời rạc trong tính toán, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết bao gồm: giới thiệu kết cấu tấm FGM, lý thuyết biến
dạng cắt hàm lượng giác hyperbolic (N-RSHSDT) [1] thu gọn bậc cao, phương pháp
Meshless với hàm nội suy Moving Kriging [14], [15], [8], các phương trình rời rạc,
điều kiện biên, phép tích phân số, sơ đồ khối.
Chương 4: Các ví dụ số để kiểm chứng bài toán và phân tích các yếu tố ảnh
hưởng đến đặc tính độ cứng của tấm FGM gồm 2 phần: kiểm chứng mô hình số dựa
trên kết quả nghiên cứu đã công bố, khảo sát các thông số ảnh hưởng đến đặc tính mất
ổn định tấm FGM chịu nén như: hệ số suy giảm n, tỷ số b/a, tỷ số Ec/Em, hệ số
Poisson’s (nu), tỷ số a/h và b/a.
Chương 5: Rút ra kết luận và đưa ra một số kiến nghị cho hướng phát triển mới
của đề tài trong tương lai.
Phần cuối của luận văn là phần trình bày mục lục với kết quả nguồn là tài liệu
tham khảo phục vụ trong việc nghiên cứu của luận văn và chương trình tính toán lập
trình Matlab.


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu
2.1 Giói thiệu chung
Trong chương này sẽ trình bày 3 nội dung chính: lý thuyết cơ bản tấm FGM, lý
thuyết biến dạng cắt và phương pháp meshless, đồng thời có những nhận xét sơ bộ so
sánh đối chiếu với phương pháp phần tử hữu hạn.
về tấm FGM: trình bày lịch sử hình thành, một số đặc tính cơ bản của vật liệu, một
số hướng ứng dụng trong thực tế và trong tương lai gần.
Lý thuyết biến dạng cắt: trình bày về các lý thuyết biến dạng cắt đã từng sử dụng
trong phân tích tính toán đặc tính mất ổn định tấm FGM. Đặc biệt là những nghiên cứu

trong và ngoài nước của loại vật liệu này ở hiện tại và tương lai.
Phương pháp rời rạc trong tính toán: so sánh đối chiếu giữa phương pháp tính toán
phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp không lưới. Nhận xét về những ưu và
nhược điểm giữa hai phương pháp. Lý do chọn phương pháp không lưới trong luận văn
và hàm lượng giác được chọn để tính.
Tình hình nghiên cứu: tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
về đặc tính mất ổn định cho bài toán tấm, đồng thời đưa ra một số nhận xét cho đề tài
thực hiện.
2.2

Tấm vật liệu chức năng
2.2.1

Lịch sử hình thành

Vật liệu composite là một loại vật liệu được tổ hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu
khác nhau, có tính chất khác nhau để tạo nên một loại vật liệu mới có tính năng ưu việt
hơn so với thành phần vật liệu riêng lẻ: vật liệu nền và vật liệu cốt gia cường. Vật liệu
nền thường được cấu tạo từ polyme, kim loại, hợp kim, gốm, vữa xi măng...Vật liệu cốt
gia cường thường được cấu taọ từ các sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại,
sợi cacbon...
Hiện nay, người ta phân loại vật liệu composite dựa vào thành phần cấu tạo vật
liệu và có thể được chia thành nhiều nhóm khác nhau. Tuy nhiên, mỗi nhóm vật liệu
đều có những ưu và nhược điểm riêng tùy theo cấu trúc và tính chất của vật liệu được
sử dụng. Ví dụ, composite nền hữu cơ trong tự nhiên.


Hình 2.1: Minh họa về vi cấu trúc vật liệu composite nền hữu cơ
alsocietvpublishin£.org/contenư4/l/160412
Hình 2.1 minh họa về vi cấu trúc cấu trúc của vật liệu composite nền hữu cơ làm

từ tre, một composite tự nhiên được sử dụng. Tuy nhiên, loại vật liệu này có nhược
điểm của là tính không liên tục về đặc tính vật liệu, điều này dẫn đến vấn đề tập trung
ứng suất tại các phân lớp của kết cấu, đặc biệt là khi xét đến yếu tố nhiệt độ. Vì vậy,
đây là vấn đề lớn mà được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Vấn đề tập trung ứng suất sẽ được giảm thiểu đáng kể khi thay đổi đặc tính từ vật
liệu này sang vật liệu khác tại các phân lớp diễn ra một cách từ từ. Điều này có được từ
việc chế tạo một loại vật liệu có sự thay đổi dần dần theo quy luật (gradient) của cấu
trúc nhằm tối ưu hóa, tận dụng đặc tính tốt của vật liệu. Ví dụ điển hình là vật liệu mới
được tạo thành từ gốm (ceramic) và kim loại (metal) vật liệu này có khả năng chịu
được môi trường nhiệt độ cao và loại bỏ được hiện tượng tập trung ứng suất.
■ First human FGM in 1985. challenge : 1000°c temperature gradient over a thickness of only 10
mm :

10 mm

Hình 2.2: Khả năng chịu nhiệt của tấm FGM
ưsirris be/2013-1205sirrismaterialsworkshopfgmmagien


Hình 2.2 là thí nghiệm kiểm chứng thể hiện đặc tính chịu nhiệt của vật liệu tấm
FGM, bên ngoài 1700°C và bên trong chỉ có 700°C chênh lệch nhiệt độ lên đến 1000°C
với chiều dày của tấm là tương đối nhỏ 10mm. Như vậy, có thể thấy được khả năng
chống chịu được nhiệt độ của loại vật liệu này.
2.2.2

Đặc tính

FGM là hỗn hợp của nhiều loại vật liệu nhưng thông thường gồm 2 loại điển
hình: gốm (ceramic) và kim loại (metal) vì các tính năng được thể hiện cho như Bảng
2.1 sau:

•

FGM is composite 2.0 :

•

Weakness and strength
everywhere

Bảng 2.1: Một số
tính năng của gốm FCM
và kim loại
Composite
■ Sharp interface
Smooth transition
•
Risk ofVật liệu Very good bond
Vị trí
Tính năng
delaminating
Vùng chịu nhiệt cao

Ceramic

Volume properties
distribution material
adaptation for specific
application.

- Chịu nhiệt cao

- Chống Oxy hóa cao
- Dẩn nhiệt thấp
- Loại bỏ những vấn đề bề

Các lớp bên trong

Ceramic-Kim loại

mặt tiếp xúc giữa các vật liệu.
- Tính năng chịu lực cao

Vùng chịu nhiệt thấp

Kim Loại

- Hệ số dẫn nhiệt cao
- Độ dẻo dai cao

Từ những đặc tính của 2 oại vật liệu trên, vật liệu composite FGM là sự kết hợp
hình thành từ những đặc tính của 2 loại vật liệu về mặt chịu lực và chịu nhiệt trong một
cấu kiện. Đồng thời giải quyết được một số vấn đề còn bất cập thường gặp trong các
loại tấm composite truyền thống.
The whole part is a bit ductile and a bit
hard, homogenously

Hình 2.3: So sánh đặc tính vật liệu
composite và FGM