BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÔ PHI HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ DAO ĐỘNG TỰ DO DẦM COMPOSITE VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN KHÁC NHAU NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
117
Embed
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ DAO ĐỘNG TỰ DO DẦM …fceam.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/fceam/LuanVanThacSi/XDD… · TÓM TẮT Nghiên cứu ứng xử tĩnh
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÔ PHI HẢI
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ DAO ĐỘNG TỰ DO
DẦM COMPOSITE VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN KHÁC NHAU
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÔ PHI HẢI
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ TĨNH VÀ DAO ĐỘNG TỰ DO
DẦM COMPOSITE VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN KHÁC NHAU
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN TRUNG KIÊN
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 09 năm 2016
HỌC VIÊN
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
NGÔ PHI HẢI
LỜI CẢM ƠNĐể đạt được những thành công trong cuộc sống, bên cạnh sự cố gắng nổ lực
của bản thân thì sự giúp đỡ, hỗ trợ từ gia đình, Thầy cô, bạn bè và Xã hội cũng là
yếu tố mang lại sức mạnh và ý chí cho mỗi con người. Trong suốt 2 năm học Cao
học vừa qua tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh, tôi may mắn
luôn nhận được sự quan tâm từ gia đình, sự ân cần dạy dỗ của quý Thầy cô và cả
những giúp đỡ tận tình từ bạn bè, đồng nghiệp.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu và
Quý Thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh nói chung , các
Thầy cô “Khoa Xây dựng & Cơ học ứng dụng” nói riêng đã cùng với tri thức, tâm
huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho các học viên trong suốt thời
gian học tập tại trường. Bên cạnh đó, đã tạo mọi điều kiện để học viên rèn luyện đạo
đức bản thân, trưởng thành hơn trong cuộc sống, công việc hiện tại.
Đặc biệt tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy: PGS.TS.
Nguyễn Trung Kiên – Giảng viên hướng dẫn Luận văn tốt nghiệp và thầy ThS.
Nguyễn Ngọc Dương đã hết mực truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và tạo điều kiện cho
tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện Luận văn. Cảm ơn các Thầy phản biện
và Hội đồng Bảo vệ Luận văn Tốt nghiệp.
Luận văn được hoàn thành bằng sự nỗ lực hết mình tuy nhiên không thể tránh
khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của
quý Thầy cô nói chung và Hội đồng nói riêng để hoàn thiện hơn cũng như định hướng
con đường nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin được kính chúc quý Thầy cô luôn
luôn dồi dào sức khỏe, niềm tin sư phạm để tiếp tục sứ mệnh cao đẹp của người lái
đò đưa thế hệ sau đến bến bờ của tri thức.
Lời cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã luôn bên cạnh động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn
thành tốt luận văn này.
Trân trọng và chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
NGÔ PHI HẢI
TÓM TẮT
Nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động tự do của dầm composite với điều kiệnbiên khác nhau.
Ngô Phi Hải
Luận văn này giải quyết bài toán phân tích tĩnh và dao động tự do của dầm
composite sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao hiệu chỉnh. Hai loại dầm composite
được nghiên cứu là dầm composite nhiều lớp (Laminated Composite Beam) và dầm
phân lớp chức năng (Functionally Graded Beam). Nhằm đánh giá ứng xử của dầm ở
mức tổng quan nhất, tác giả đã áp dụng phân tích theo ba điều kiện biên khác nhau
như dầm tựa đơn, dầm console, dầm hai đầu ngàm.
Kết quả số của luận văn là các giá trị chuyển vị, ứng suất dọc trục, ứng suất
cắt, và tần số dao động tự nhiên của dầm composite sử dụng lý thuyết biến dạng cắt
bậc cao, kết quả này được so sánh với kết quả của các nghiên cứu trước dựa trên lý
thuyết biến dạng cắt bậc cao khác.
Tính mới của luận văn này thể hiện trong ba phần chính như sau:
1. Sử dụng hàm biến dạng cắt bậc cao f(z) hợp nhất từ các hàm đa thức, hàm
lượng giác, hàm hyperbol, hàm mũ,…
2. Sử dụng phương pháp Ritz, cùng với lựa chọn hàm dạng bậc cao cho hàm
xấp xỉ trường chuyển vị có tính ưu việt về khử điều kiện biên.
3. Nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động tự do dầm phân lớp chức năng (FG
beam) sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao hiệu chỉnh với nhiều điều
kiện biên.
Ngoài ra, luận văn còn đưa ra các phân tích về hiệu ứng của sự thay đổi của tỉ
lệ giữa chiều dài dầm và chiều cao tiết diện, sự thay đổi của hệ số phân phối vật liệu
đối với ứng xử của dầm composite.
Đê hoàn thành các nhiệm vụ của luận văn, học viên đã nghiên cứu, triên khai
ý tưởng với sư hương dân cua Thây PGS.TS. Nguyên Trung Kiên, và sự hỗ trợ của
thầy ThS. Nguyễn Ngọc Dương. Kêt qua của Luận văn Tốt nghiệp được trình bày
trong 5 Chương sau đây./.
ABSTRACT
Static behavior and free vibration analysis of composite beam with various boundary conditions.
Phi-Hai Ngo
This thesis solving static behavior and free vibration analysis of composite
beam using refined high-order shear deformation theory. Two types of composite
beams under study are a laminated composite beam and a functionally graded beam.
In the general evaluate the behavior of composite beams, the author using three
boundary conditions for the analysis: symply-supported beam (S-S), cantilever beam
(C-F), and Clamped-clamped beam (C-C).
The results of the thesis are displacements, in-plane stresses, transverse shear
stresses, and fundamental natural frequencies of composite beam using refined high-
order shear deformation theory. These results were compared with the results of
previous studies based on other higher-order shear deformation theories.
The novelty of this thesis presented in three main sections as follows:
1. Use various unified transverse shear deformation functions based on
Hình 4.17. Sự phân bố tần số dao động tự do không thứ nguyên của dầm FG
(L/h=5) theo hệ số phân phối vật liệu p với các điều kiện biên khác nhau (NC4). .. 92
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Với các ưu điểm vượt trội về cường độ, độ cứng, trọng lượng nhẹ và sự linh
hoạt về cấu trúc hình học, vật liệu composite có thể thay đổi các vật liệu thành phần
cũng như sự phân bố của chúng để tạo ra các loại vật liệu mới có độ bền và đặc trưng
vật lý mong muốn. Sự đòi hỏi khắc khe của kỹ thuật hiện đại như trọng lượng cực
nhẹ, cường độ cực cao, chịu nhiệt cực lớn … chỉ có vật liệu composite mới đáp ứng
được, chính vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về
vật liệu mới.
Tiêm năng ưng dung cua vât liêu kêt câu composite nhiêu lơp trong nhiêu
trương ky thuât khac nhau đa dân đên sư phat triên cua nhiều lý thuyết dâm composite
khac nhau nhăm dư bao môt cach hơp ly ưng xư tınh, dao đông và ổn định cua loai
kêt câu nay, trong đó có lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Do co sư phân bô hơp ly cua
ưng suât căt theo chiêu day kêt câu, nên ly thuyêt biên dang căt bâc cao không đoi
hoi hiêu chınh căt va co ưng xư phu hơp hơn so vơi cac ly thuyêt khac.
Từ các nhận xét và phân tích trên, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Ứng xử
tĩnh và dao động tự do của dầm composite với điều kiện biên khác nhau” sử dụng
lý thuyết biến dạng cắt bậc cao hiệu chỉnh.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Trong đề tài này, học viên thực hiện mục tiêu nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao
động tự do của dầm composite với điều kiện biên khác nhau.
Nhiệm vụ của đề tài:
� Ứng dụng lý thuyết biến dạng cắt bật cao, các lời giải giải tích và phương
pháp số để nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động tự do của dầm composite
nhiều lớp (Laminated Composite Beam - LCB) và dầm phân lớp chức năng
(Functionally Graded Beam - FGB) với các điều kiện biên khác nhau.
2
� Hợp nhất các hàm ứng suất cắt bậc cao f(z): hàm lượng giác, hàm mũ, hàm
hyberbol… thành hàm đa thức bậc cao sử dụng nghiên cứu.
� Tổng hợp các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác về ứng xử của dầm
composite.
� So sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu so với kết quả của các tác giả khác,
từ đó đưa ra kết luận và kiến nghị.
1.3. Giới hạn của luận văn
Các bài toán phân tích, nghiên cứu trong luận văn này chủ yếu tập trung vào
hai loại cấu kiện dầm: một là dầm composite nhiều lớp tiết diện chữ nhật với các lớp
sợi đơn giản, hai là dầm phân lớp chức năng tiết diện hình chữ nhật với đặc tính cơ
học thay đổi theo chiều cao dầm từ kim loại đến ceramic.
1.4. Tổng quan về vật liệu composite
1.4.1. Định nghĩa
Vật liệu composite: là vật liệu hợp thành từ hai hoặc nhiều loại vật liệu với
nhau để tạo thành vật liệu có thuộc tính lý tưởng mà không thể có từ những vật liệu
đơn lẻ. Một số thuộc tính có thể phát triển và cải tiến thành những cấu kiện tăng
cường độ cứng, cường độ, giảm trọng lượng, chống xoắn, thuộc tính nhiệt, tuổi thọ
tăng và chống ăn mòn.
1.4.2. Phân loại
� Phân loại theo cách tổ hợp:
� Composite dạng các lớp sợi.
� Composite dạng các hạt.
� Composite dạng phân loại chức năng (Functionally Graded Material -
FGM).
3
SỢI GIA CƯỜNG + VẬT LIỆU NỀN = VẬT LIỆU COMPOSITE
Hình 1.1: Composite dạng các lớp sợi [17].
HẠT + VẬT LIỆU NỀN = VẬT LIỆU COMPOSITE
Hình 1.2. Composite dạng các hạt [17].
Hình 1.3. Composite dạng phân loại chức năng [1].
� Phân loại theo đặc trưng cơ lý hóa của vật liệu thành phần:
� Vật liệu kim loại và hợp kim;
� Vật liệu vô cơ – ceramic;
� Vật liệu polyme;
� Vật liệu tổ hợp composite (Functionally Graded sandwich beams [1]);
4
1.4.3. Ứng dụng
Các cấu kiện kết cấu làm bằng vật liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi
ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Điển hình về ứng dụng của vật liệu composite, ta có thể
thấy được qua các ứng dụng của vật liệu này trong cuộc sống như hàng không , vận
tải, cơ khí, năng lượng...
Hình 1.4. Tỷ lệ ứng dụng của vật liệu Composite trên Thế giới [55].
Hình 1.5. Tỷ lệ ứng dụng của vật liệu Composite tại Việt Nam [55].
5
Hình 1.6. Ứng dụng của vật liệu composite trong máy bay Boeing 787 [18].
Hình 1.7. Phần trăm sử dụng composite của máy bay thương mại theo thời gian
[18].
6
Bên cạnh đó, riêng đối với lĩnh vực kết cấu xây dựng, vật liệu composite đang
ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến nhằm đáp ứng cho những kết cấu đòi
hỏi những tính năng ưu việt của vật liệu composite.
Hình 1.8. Ứng dụng vật liệu composite trong chế tạo dầm cầu [55].
Hình 1.9. Ứng dụng vật liệu composite trong công trình thủy lợi – chống ngập mặn
[55].
7
Hình 1.10. Ứng dụng của vật liệu composite vào nhiều lĩnh vực khác: thể thao, giải trí [55].
a) Xương b) Cây treHình 1.11. Ứng dụng FGMs trong tự nhiên [57].
8
Hình 1.12. Ứng dụng FGMs trong cấy ghép sinh học và công nghệ gốm [57].
1.4.4. Dầm composite
� Dầm composite nhiều lớp (Laminated Composite Beam):
Dầm LC được làm từ nhiều lớp vật liệu trực hướng với các hướng sợi khác nhau
theo trục tọa độ x, được minh họa như Hình 1.13.
Hình 1.13: Dầm composite nhiều lớp [15].
9
� Dầm phân lớp chức năng (Functionally Graded Beam):
Dầm FG có đặc tính hữu hiệu thay đổi liên tục theo chiều cao tiết diện để cải
thiện tính năng chịu nhiệt và cơ của vật liệu composite nhiều lớp, được minh họa như
Hình 1.14. Vật liệu FG là hỗn hợp của nhiều loại vật liệu nhưng thông thường gồm
ceramic và kim loại với các đặc trưng cơ học cho như Bảng 1.1.
Hình 1.14. Dầm phân lớp chức năng FGB [1].
Bảng 1.1. Bảng so sánh đặc tính của ceramic và kim loại
Vị trí Vật liệu Tính năng
Vùng chịu nhiệt cao Ceramic
- Chịu nhiệt cao
- Chống oxi hóa cao
- Dẫn nhiệt thấp
Các lớp bên trong Ceramic – Kim loại
- Loại bỏ những vấn đề
bề mặt tiếp xúc giữa các
vật liệu.
Vùng chịu nhiệt thấp Kim loại
- Khả năng chịu lực cao
- Hệ số dẫn nhiệt cao
- Độ dẻo dai cao
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước
Nghiên cứu ứng xử dầm Laminated Composite: Tác giả Chandrashekhara và
Bangera [9] đã nghiên cứu dao động tự do của dầm composite bằng cách sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn thông qua một phần tử điều chỉnh cắt. Tác giả Khdeir
và Reddy [13] đã phát triển giải pháp cho dao động tự do và ổn định của dầm
composite cross-ply với điều kiện biên bất kỳ. Tác giả Marur và Kant [11] đã phân
10
tích dao động tự do của dầm composite cốt sợi sử dụng lý thuyết bậc cao và mô hình
phần tử hữu hạn. Tác giả Matsunaga [10] đã sử dụng lý thuyết biến dạng bậc cao để
nghiên cứu dao động và ổn định của dầm composite nhiều lớp. Tác giả Aydogdu [3]
đã tiến hành nghiên cứu dao động của dầm cross-ply với những điều kiện biên khác
nhau bằng cách sử dụng phương pháp Ritz. Tác giả Vo và cộng sự [4] đã nghiên cứu
ứng xử tĩnh của dầm composite sử dụng lý thuyết biến dạng cắt điều chỉnh. Cũng
bằng lý thuyết này, hai tác giả trên cũng nghiên cứu dao động và sự ổn định của dầm
composite [5]. Hai tác giả này cũng nghiên cứu dao động tự do của dầm composite
tiết diện hình chữ nhật chịu tải dọc trục với lý thuyết biến dạng cắt hiệu chỉnh [7].
Tác giả Soldatos và cộng sự [8] đã nghiên cứu dầm trực hướng với lý thuyết thông
thường và lý thuyết cắt ngang. Tác giả Shi và cộng sự [12] đã phân tích dao động
phần tử hữu hạn của dầm composite dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Tác giả
Vidal và cộng sự [14] đã đưa ra một tổ hợp các phương pháp phần tử hữu hạn dể phân
tích dầm composite nhiều lớp tiết diện hình chữ nhật. Tác giả Wanji và các cộng sự
[15] đã phân tích dầm composite nhiều lớp chịu uốn với biến dạng cắt bậc nhất sử
dụng mô hình ứng suất đôi hiệu chỉnh. Tác giả Wu và cộng sự [16] đã nghiên cứu
đánh giá về một số lý thuyết dựa trên chuyển vị để phân tích dao động và ứng xử tĩnh
của dầm composite nhiều lớp và dầm sandwich. Tác giả Nguyen ND và các cộng sự
[19] đã nghiên cứu dao động tự do của dầm composite nhiều lớp dựa trên lý thuyết
biến dạng cắt bậc cao. Tác giả Yogesh [20] đã phân tích dao động tự do của dầm
composite nhiều lớp với các điều kiện biên khác nhau. Tác giả Aguiar và các cộng sự
[21] đã đánh giá mô hình hỗn hợp và mô hình dựa trên chuyển vị để phân tích ứng
xử tĩnh của dầm composite với các mặt cắt khác nhau. Tác giả Khdeir và cộng sự [22]
đã đưa ra một giải pháp chính xác cho sự uốn cong của dầm composite nhiều lớp
cross-ply mỏng và dày. Tác giả này cũng đã nghiên cứu dao động tự do của dầm
composite nhiều lớp với điều kiện biên bất kỳ [26]. Tác giả Murthy và các cộng sự
[23] đã đưa ra một cải tiến phần tử hữu hạn bậc cao cho dầm composite bất đối xứng.
Tác giả Zenkour [24] đã phân tích sự uốn cong của dầm composite nhiều lớp và dầm
sandwich đàn hồi dựa trên lý thuyết biến dạng thông thường và lý thuyết biến dạng
11
cắt ngang. Tác giả Chakraborty [25] và các cộng sự đã phân tích phần tử hữu hạn của
dao động tự do và dao động dạng sóng trong dầm composite bất đối xứng với cấu
trúc không liên tục. Tác giả Mantari và cộng sự [27] đã phân tích dao động tự do và
ổn định của dầm composite nhiều lớp thông qua sự kết hợp lời giải Ritz với điều kiện
biên khác nhau. Tác giả Karama và các cộng sự [34] đã nghiên cứu ứng xử cơ học
của dầm composite nhiều lớp bằng mô hình các lớp cấu trúc mới bằng ứng suất cắt
ngang liên tục. Tác giả Arya và các cộng sự [36] đã đưa ra một mô hình zigzag cho
dầm composite nhiều lớp. Tác giả Akavci và cộng sự [41] đã phân tích ổn định và
dao động tự do của dầm composite nhiều lớp sử dụng hai lý thuyết biến dạng cắt
hyberbol mới.
Nghiên cứu ứng xử dầm Funtionally Graded: Tác giả Li [49] đã đưa ra một
cách tiếp cận thống nhất để phân tích ứng xử tĩnh và động của dầm FG Timoshenko
và dầm Euler-Bernoulli. Tác giả này cùng các cộng sự [50] cũng sử dụng lý thuyết
bậc cao để phân tích tĩnh và động dầm FG. Tác giả Vo và cộng sự [6] đã dùng mô
hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu dao động và ổn định của dầm FG sandwich dựa
trên lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Tác giả Simsek [44] đã phân tích tần số dao động
của dầm FG sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao khác nhau. Tác giả Aydogdu và
cộng sự [46] đã phân tích dao động tự do của dầm FG tựa đơn. Tác giả này cũng đưa
ra giải pháp đối xứng bán toàn phần để phân tích dao động và ổn định của dầm FG
[47]. Tác giả Alshorbagy và các cộng sự [48] đã đưa ra đặc trưng dao động tự do của
một dầm FG bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tác giả Nguyen và các cộng sự
[38] đã đưa ra một lý thuyết biến dạng cắt lượng giác ngịch đảo mới cho dầm đẳng
hướng và dầm FG sandwich. Tác giả Vo và các cộng sự [43] đã phân tích ứng xử tĩnh
và dao động của dầm FG sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao. Cũng bằng lý thuyết
này, tác giả Vo [45] đã đưa ra các phân tích về uốn và dao động tự do của dầm FG.
Tác giả Nguyen và các cộng sự [52] đã phân tích tĩnh và dao động tự do của dầm FG
chịu tải dọc trục sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất. Tác giả Nguyen và các
cộng sự [1] đã sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao mới để phân tích dao động và
ổn định của dầm FG sandwich.
12
Dựa trên sự phân tích tình hình nghiên cứu về ứng xử dầm composite trong và
ngoài nước như trên, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “ứng xử tĩnh và dao động tự do
của dầm composite với điều kiện biên khác nhau” sử dụng lời giải Ritz, lý thuyết
biến dạng cắt bậc cao hiệu chỉnh cùng với việc hợp nhất tất cả các hàm biến dạng cắt
bậc cao để áp dụng nghiên cứu cho dầm composite nhiều lớp (LC beam) và dầm
phân lớp chức năng (FG beam).
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, các nghiên cứu và kết quả đạt được đều được áp dụng các
phương pháp nghiên cứu sau:
� Sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao hiệu chỉnh làm lý thuyết nghiên
cứu chính;
� Sử dụng khai triển Taylor để hợp nhất các hàm biến dạng cắt bậc cao (hàm
lượng giác, hàm mũ, hàm hyberbol,…) thành các hàm đa thức bậc cao để
tối ưu hóa thời gian giải thuật;
� Sử dụng lời giải dạng Ritz, trong đó trường chuyển vị được xấp xỉ bởi các
hàm dạng lượng giác thỏa mãn các điều kiện biên khác nhau;
� Sử dụng phần mềm Matlab hỗ trợ tính toán số đưa ra kết quả cho các bài
toán áp dụng lý thuyết trên;
� Phương pháp so sánh kết quả đạt được so với các kết quả của các nghiên
cứu trước của các tác giả khác;
� Phương pháp tổng kết, đánh giá kết quả nghiên cứu.
13
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về lý thuyết nghiên cứu
Vật liệu cấu tạo composite có ưu điểm vượt bậc về thuộc tính vật liệu và khả
năng làm việc kết cấu so với vật liệu thông thường. Ngày nay, với nhu cầu sử dụng
các kết cấu phức tạp và đòi hỏi tính kinh tế, nghiên cứu tiềm năng về vật liệu
composite đã và đang dẫn đến sự ra đời của nhiều lý thuyết nghiên cứu.
Từ nhu cầu nghiên cứu tiềm năng của vật liệu composite, lịch sử nghiên cứu
đã phát triển ra ba dạng lý thuyết:
� Lý thuyết dầm cổ điển (CBT) được biết đến như là dầm Euler-
Bernoulli là lý thuyết đơn giản nhất và chỉ có thể áp dụng đối với dầm mỏng. Nhưng
thực tế, các cấu kiện dầm cũng tồn tại đồng thời dầm mỏng và dầm dày. Đối với dầm
dày, vấn đề nghiên cứu lực ổn định và tần số dao động tự nhiên là rất quan trọng bởi
vì lý thuyết CBT đã bỏ qua hiệu ứng biến dạng cắt ngang.
� Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FOBT) được biết đến như là dầm
Timoshenko đề xuất vượt qua giới hạn của dầm CBT vì lý thuyết có tính đến hiệu
ứng biến dạng cắt ngang. Kể từ khi FOBT có sự thiếu sót về ứng suất cắt bằng không
trên bề mặt trên và đáy của dầm, một hệ số chống cắt cần thiết được đưa vào tính
toán. Nhưng nhìn chung, vẫn có sự không nhất quán về lý thuyết tính toán giữa lý
thuyết CBT và lý thuyết FOBT.
� Để loại bỏ tính không nhất quán giữa CBT và FOBT, lý thuyết dầm
biến dạng cắt bậc cao (HOBT) được phát triển để tránh sử dụng hệ số chống cắt và
có sự dự đoán tốt hơn về đáp ứng của dầm composite. Lý thuyết HOBT có thể phát
triển dựa vào giả thuyết của biến bậc cao của chuyển vị trong mặt phẳng hoặc cả
chuyển vị trong mặt phẳng và mặt phẳng ngang trong suốt chiều dày của dầm. Nhiều
nghiên cứu số học đã được sử dụng để giải bài toán động học và phân tích ổn định
của dầm composite HOBTs.
14
� Từ nhu cầu nghiên cứu tiềm năng của vật liệu composite, lịch sử nghiên
cứu đã phát triển ra ba dạng lý thuyết:
Hình 2.1. Các lý thuyết tính toán dầm [56].
2.2. Cơ sở lý thuyết
2.2.1. Vật liệu nghiên cứu
Chương này tập trung giới thiệu hai loại dầm composite sử dụng nghiên cứu
trong luận văn gồm 2 loại: dầm composite nhiều lớp (LC beam: Laminated Composite
beam) và dầm phân lớp chức năng (FG beam: Functionally Graded beam).
Dầm composite nhiều lớp được đặc trưng bởi thuộc tính của từng lớp riêng
biệt: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 12 13 23 12 21 1 2, , , , , , , ,k k k k k k k k kG G GE E � � � � .
Dầm phân lớp chức năng được đặc trưng bởi thuộc tính của lớp metal và
ceramic cấu thành dầm. Thể tích của vật liệu ceramic ( )c zV được cho như sau:
1( )
2 � �� �� �
p
czzh
V (1)
15
Thuộc tính vật liệu phân bố trong dầm theo chiều dày dầm được cho bởi luật
phân phối vật liệu như sau:
( ) ( ) ( ) � �c m c cP z P P V z P (2)
Trong đó, cP và mP là module đàn hồi (E), hệ số poisson (� ), khối lượng
riêng ( � ) của vật liệu ceramic và metal.
Đặc điểm cụ thể về vật liệu nghiên cứu được trình bày trong Chương 3.
2.2.2. Trường chuyển vị
1 , ( ) ( , )( , , ) ( , ) xw f z x tu x z t u x t z �� � (3a)
3 ( , )( , , ) w x tu x z t (3b)
Với u , w,� là chuyển vị dọc trục, chuyển vị đứng và chuyển vị xoay của dầm
xét tại mặt phẳng giữa dầm, dấu phẩy được xem là đạo hàm theo hệ trục của chỉ số
nằm dưới. Hàm xấp xỉ bậc cao f(z) được hợp nhất từ các hàm xấp xỉ của các tác giả
khác dưới dạng như sau:
2 1 3 5 72 1 1 3 5 7
1
...( ) nn
nd z d z d z d z d zf z
��
�
� � � � �� (4)
Việc xác định hàm f(z) được trình bày cụ thể trong mục 2.2.6.
2.2.3. Trường biến dạng
01( , , ) b sxx xx xx xx
ux z t z fx
�� � � ��
� � (5a)
031( , , ) ( )xz xzuux z t g z
z x��� �
� � � (5b)
Trong đó:
,( ) zg z f ; (6)
0xx� , 0
xz� , bxx� và s
xx� là các biến dạng dọc trục, biến dạng cắt và độ cong của dầm.
Những đại lượng này có quan hệ với các chuyển vị u,w, và� của dầm như sau:
0,( , )xx xx t u� (7a)
0 ( , )xz x t� � (7b)
16
,( , )bxx xxx t w� � (7c)
,( , )sxx xx t� � (7d)
2.2.4. Quan hệ ứng xử
� Đối với dầm LC:
( )( )
11
55
0
0
kkxx xx
xz xz
QQ
� �� �
�� � � � � �� � � �� �� � � �� �
(8)
Nên:
( ) ( ) ( )11 11
0( , , ) ( ( , ) ( , ))k k kx xx
b sxx xx xxx z t x t x tQ Q z f� � � � � � � (9a)
( ) ( ) 0 ( )55 55( , , ) ( )( )k k k
xz xz xzx z t g zQ Q �� � (9b)
Trong đó, 5511,Q Q theo Reddy [2] như sau:
( ) ( ) 4 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( ) ( ) 4 ( )11 11 12 66 22cos 2( 2 )sin cos 2 sink k k k k k k k k
x x x xQ Q Q Q Q� � � � � � � (10a)
( ) ( ) 2 ( ) ( ) 2 ( )55 55 44cos sink k k k k
x xQ Q Q� � � (10b)
Với:
( )( ) 111 ( ) ( )
12 211
kk
k k
EQ� �
�
(10c)
( ) ( )( ) 12 212 ( ) ( )
12 211
k kk
k k
EQ �� �
�
(10d)
( )( ) 222 ( ) ( )
12 211
kk
k k
EQ� �
�
(10e)
( ) ( )44 23
k kGQ (10f)
( ) ( )55 13
k kGQ (10g)
( ) ( )66 12
k kGQ (10h)
( )( ) ( ) 221 12 ( )
1
kk k
k
EE
� � (10i)
� Đối với dầm FG:
0( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ! � �" #b s
xx xx xx xxx z E z x z x f x� � � � (11a)
17
( , ) ( ) ( , )xz xzx z G z x z� � (11b)
Trong đó E(z) là module đàn hồi và ( ) ( ) / 2(1 ( )) �G z E z z� là module cắt tại vị trí z.
2.2.5. Trường năng lượng
Tổng năng lượng của hệ dầm:
$ � �U V K (12)
Trong đó U, V và K định nghĩa là năng lượng biến dạng, công thực hiện và động
năng.
� Năng lượng biến dạng của dầm được tính toán:
( )12 xx xx xz xz
V
dVU � � � �� %
2 2 2 2, , , , , , , , ,0
( ) 2 ( ) 2 2 ( )12
L s s s sx x xx xx x x xx x xA u Bu w D w B u D w H A dx� � � � !� � � � � �" # % (13)
Trong đó & ', , , , ,s s sA B D B D H là các độ cứng của dầm composite, được tính:
LCB: & ' & '& '1 2 2
1
1, , , , ,, , , , ,k
k
n z
z
s
k
s sijz z f zf f bdzA B D B D H Q�
� % (14a)
51
52
1
n zk g bdzzkk
sA Q�
�� �� �
� % (14b)
FGB: & ' & '/2 2 2
/21, , , , ,, , , , , ( )
� %
h
h
s s s z z f zf f bdzA B D B D H E z (14c)
/2 2/2
( )�
%h
g bdzh
sA G z (14d)
� Công thực hiện do lực phân bố q(x) được tính như sau:
( )V wq x (15)
� Động năng thể hiện qua biểu thức:
2 21( )( )
2 V
K z U W dV� �% 2 2 )U W dV2 2 ))2 22
& '22 2 20 1 , 2 , 1 2 , 2 00
12 2 2
2
L
x x xI u I uw I w J u J w K I w dx� � � � � � � � � !( )" #% !& '22 & '22 & '& '2 & 'u2 2 22& '& ' ))& '1 , , , 0& '2 , 12 ,& '11 2 1& 'u 12 22& '1 2 11 21 22 & '2 1& 'u 2 22& ' dx!2 2 dd2 222 I w dddd22J w Kw K2 ))2 , 2 02 , I w dddd022J w Kw K2 22 22 2 I w dddddddJ w Kw K2 (16)
18
Trong đó đạo hàm theo thời gian t được định nghĩa bằng dấu chấm đặt bên trên
mỗi đại lượng; � là khối lượng riêng của mỗi lớp và I0, I1, I2, J1, J2, K2 là hệ số quán
tính, được định nghĩa :
& ' & ' & '1
0 1 2 1 2 22 2
1
( )1, , , , ,, , , , ,k
k
n z k
zk
z z z f fz f bdzI I I J J K ��
�% (17)
Thay phương trình (13), (15), và (16) vào phương trình (12), năng lượng của hệ:
2 2 2 2, , , , , , , , ,
0
( ( ) 2 ( ) 2 2 ( ) )12
Ls s s s
x x xx xx x x xx x xA u Bu w D w B u D w H A dx� � � �� � � � � �$ %
& '22 2 20 1 , 2 , 1 2 , 2 00
1
2( ) 2 2 2
L
x x x dxq x w I u I uw I w J u J w K I w� � � !� � � � � � � �" #% !& '22 & '22 & '22 & '2 2& '2 & ' #& '1 , , , 0& '2 , 1& '1 ,1 , 2 , 11 21 2 & '2 , 12 ,& '2 , 12 ,& '2 22 2& '1 2 11 21 22 & '2 22 22 & ' dx!2 2I w2222J w Kw K2
#2 , 2 02 , I w2 02 ,2 22 222!!I wJ w Kw K2 22 22J w Kw K2 (18)
Để thu được phương trình chuyển động, trường chuyển vị được xấp xỉ dưới dạng:
1
( , ) ( )m
i tj j
ju x t x u e �
� (19a)
1
( , ) ( )m
i tj j
jw x t x w e �
� (19b)
1
( , ) ( )m
i tj j
jx t x e � � �
� (19c)
Trong đó, là tần số của dao động tự do của dầm, 2 1i � là đơn vị ảo, j( , , )j ju w �
được định nghĩa là những giá trị cần xác định, j� và j� là các hàm dạng. Thế các
phương trình (19) vào phương trình (18) và áp dụng phương trình cân bằng Lagrange:
0j j
dR dt R
*$ *$�
* *0
jR$
(20)
Với jR đại diện cho các giá trị của ( , ,wj j ju � ).
Phương trình cân bằng đối với nghiên cứu dao động tự do dầm composite (21a)
Trong đó, các phần tử của ma trận độ cứng K, ma trận khối lượng M, và ma trận tải Q
được cho như sau:
11, ,
0
L
ij i x j xK A dx� � % (22a)
12, ,
0
L
ij i x j xxK B dx� � � % (22b)
13, ,
0
Ls
ij i x j xK B dx� � % (22c)
22, ,
0
L
ij i xx j xxK D dx� � % (22d)
23, ,
0
Ls
ij i xx j xK D dx� � � % (22e)
33, ,
0 0
L Ls
ij i x j x s i jK H dx A dx� � �� �% % (22f)
110
0
L
ij i jM I dx�� % (22g)
121 ,
0
L
ij i j xM I dx� � � % (22h)
131
0
L
ij i jM J dx�� % (22i)
220 2 , ,
0 0
L L
ij i j i x j xM I dx I dx�� � � �% % (22j)
232 ,
0
L
ij i x jM J dx� � � % (22k)
332
0
L
ij i jM K dx�� % (22l)
0
0
L
iQ q dx� % (22m)
Lời giải của phương trình (21a) giúp thu tần số dao động tự nhiên của bài toán dao động tự do, lời giải của phương trình (21b) giúp thu được chuyển vị và ứng suất của bài toàn ứng xử tĩnh dầm composite.
20
2.2.6. Giải pháp lựa chọn hàm biến dạng cắt bậc cao
Có rất nhiều loại hàm biến dạng cắt bậc cao f(z) được nhiều tác giả lựa chọn đưa vào
nghiên cứu như: hàm đa thức bậc cao, hàm lượng giác, hàm mũ, hàm hyperpol,…
Một số hàm biến dạng cắt bậc cao được liệt kê trong bảng sau:
Bảng 2.1: Bảng giá trị một số hàm biến dạng cắt f(z) trong phân tích hiệu ứng biến dạng cắt
Tác giả ( )f zHàm đa thứcReddy [28], Aydogdu [3], và Murthy [29]
2
2
41
3( )
zzh
f z ��� �
� �
Kaczkowski [37], Nguyen et al. [19]
2
2
5 5
4 3( )
zzh
f z ��� �
� �
Levinson [30], Panc [31], và Reissner [32]
2
2
5 41
4 3( )
z zh
f z ��� �
� �
Vo et al. [7] 21 5
4 3( )
zzh
f z ! �� �( )� �
� �( )" #
Ambartsumian [42] 2 3
8 6( )
h zzf z �
Hàm lượng giácNguyen et al. [1] 3
13
16zcot
15( )
hz h
f z � � �� �� �
Nguyen et al. [38] 31
2 2
z 16 ztan ; 1
3 ( 4)( )
r rh rh h r
f z � � � � � �� �
Touratier [33], Levy [39], và Stein [40] sin( )
h zh
f z ,,
�� �� �
Arya [36]sin( )
zh
f z , �� �� �
Hàm mũKarama et al. [34] 22( / )( ) z hzef z �Hàm HyperbolSoldatos [35] 1
sinh cosh2
( )zh zh
f z � ��� � � �� � � �
Akavci [41] 23 3 1htanh sech
2 2 2( )
z zh
f z , , � ��� � � �� � � �
21
Hình 2.2. Đạo hàm của các hàm biến dạng cắt bậc cao của một số tác giả
Hàm xấp xỉ tổng quát là hợp nhất của tất cả các hàm biến dạng cắt bậc cao f(z) códạng như sau:
2 1 3 5 72 1 1 3 5 7
1
...( ) nn
nd z d z d z d z d zf z
��
�
� � � � �� (23)
Chính vì vậy, hàm' ( )zf là hàm chẵn và đối xứng theo phương chiều dày dầm:
2 2 2 4 62 1 1 3 5 7
1
' (2 1) 3 5 7 ...( ) ( ) nn
nn d z d d z d z d zf z g z
��
�
� � � � � �� (24)
Giải phương trình (24) thu được các hệ số d1, d3, d5, d7 của phương trình hợp nhấthàm biến dạng cắt bậc cao f(z).
Bảng 4.7: Bảng hội tụ của chuyển vị không thứ nguyên của dầm composite loại
2 [00/900] theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện dưới tác dụng của tải phân
bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau (NC2).
ĐK biên N L/h
5 10 20 50
S-S 2 4.801 3.705 3.427 3.349
4 4.738 3.678 3.410 3.335
6 4.748 3.681 3.412 3.336
8 4.746 3.681 3.412 3.336
10 4.746 3.681 3.412 3.336
C-F 2 14.132 11.842 11.256 11.091
4 14.903 12.203 11.505 11.308
6 15.037 12.256 11.530 11.324
8 15.107 12.283 11.541 11.330
10 15.129 12.295 11.546 11.332
12 15.145 12.303 11.549 11.333
14 15.152 12.307 11.551 11.334
16 15.157 12.310 11.552 11.335
18 15.160 12.312 11.553 11.335
20 15.162 12.313 11.554 11.335
C-C 2 1.757 0.942 0.727 0.666
4 1.849 0.979 0.743 0.676
6 1.869 0.989 0.747 0.677
8 1.875 0.992 0.748 0.678
10 1.878 0.994 0.749 0.678
12 1.879 0.995 0.750 0.678
14 1.880 0.996 0.750 0.678
16 1.880 0.996 0.750 0.678
51
Bảng 4.8: Bảng hội tụ của chuyển vị không thứ nguyên của dầm composite loại
2 [00/900] theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện dưới tác dụng của tải phân
bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau (NC3).
ĐK biên N L/h
5 10 20 50
S-S 2 4.836 3.713 3.429 3.349
4 4.772 3.686 3.412 3.335
6 4.782 3.690 3.414 3.337
8 4.779 3.689 3.414 3.336
10 4.780 3.689 3.414 3.336
C-F 2 15.209 11.859 11.260 11.092
4 15.002 12.225 11.511 11.309
6 15.144 12.279 11.535 11.325
8 15.217 12.307 11.547 11.331
10 15.245 12.319 11.552 11.333
12 15.263 12.328 11.555 11.334
14 15.271 12.333 11.556 11.335
16 15.277 12.336 11.558 11.336
18 15.281 12.338 11.559 11.336
20 15.283 12.340 11.560 11.336
C-C 2 1.791 0.949 0.729 0.666
4 1.890 0.987 0.745 0.676
6 1.912 0.997 0.749 0.677
8 1.919 1.002 0.750 0.678
10 1.922 1.003 0.751 0.678
12 1.924 1.004 0.752 0.679
14 1.925 1.005 0.752 0.679
16 1.925 1.005 0.752 0.679
52
� Ví dụ 2.3: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên chuyển vị không thứ nguyên w của dầm LC đối xứng [00/900/00]
dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều với các điều kiện biên khác nhau và
so sánh với các nghiên cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.9.
Kết quả bảng 4.9 thể hiện giá trị chuyển vị đứng (độ võng) không thứ nguyên w
của dầm composite lớp sợi đối xứng dưới tác dụng của tải phân bố đề q0 với ba điều
kiện biên khác nhau: S-S, C-F và C-C. Kết quả này được so sánh với nghiên cứu
trước đó dựa trên các lý thuyết CBT, FOBT và HOBT của các tác giả khác như Aguiar
và cộng sự [21], Khdeir và cộng sự [22], Murthy và cộng sự [23], Zenkour [24],
Chakraborty và cộng sự [25], và Vo và cộng sự [4] và đã cho thấy sự phù hợp của kết
quả. Bên cạnh đó, thấy rằng chuyển vị của dầm khi sử dụng hàm f(z) trong Nghiên
cứu 2 có kết quả gần sát với kết quả nghiên cứu SSBT của tác giả Vo [4], điều này
có thể giải thích vì Nghiên cứu 2 của luận văn sử dụng hàm hợp nhất dựa trên khai
triển hàm f(z) dạng lượng giác nên kết quả gần sát với phương pháp sử dụng hàm f(z)
lượng giác của tác giả Vo [4].
53
Bảng 4.9: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên chuyển vị đứng không thứ nguyên w của dầm composite loại 1 [00/900/00] dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau.
Lý thuyết Tham khảo L/h5 10 20 50
a. Dầm tựa đơn (S-S)CBT Khdeir and Reddy [22] 0.646 0.646 0.646 0.646
Vo et al. [4] 0.648 0.648 0.648 0.648FOBT Aguiar et al. [21] 2.146 1.021 0.740 0.661
Khdeir and Reddy [22] 2.146 1.021 - 0.661Chakraborty et al. [25] 2.145 1.020 - 0.660Vo et al. [4] 2.148 1.023 0.742 0.663
� Ví dụ 2.4: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên chuyển vị không thứ nguyên w của dầm LC bất đối xứng
[00/900] dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều với các điều kiện biên khác
nhau và so sánh với các nghiên cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.10.
Kết quả bảng 4.10 thể hiện giá trị chuyển vị đứng (độ võng) không thứ nguyên
w của dầm composite lớp sợi bất đối xứng dưới tác dụng của tải phân bố đề q0 với
ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F và C-C. Tương tự như nghiên cứu trong ví dụ
2.3, kết quả này được so sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết CBT,
FOBT và HOBT của các tác giả khác như Aguiar và cộng sự [21], Khdeir và cộng sự
[22], Murthy và cộng sự [23], Zenkour [24], Chakraborty và cộng sự [25], và Vo và
cộng sự [4] và đã cho thấy sự phù hợp của kết quả. Bên cạnh đó, giống như ví dụ 2.3
dầm đối xứng, chuyển vị của dầm khi sử dụng hàm f(z) trong Nghiên cứu 2 có kết
quả gần sát với kết quả nghiên cứu SSBT của tác giả Vo [4].
55
Bảng 4.10: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên chuyển vị đứng không thứ nguyên của dầm composite loại 2 [00/900] dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau.
Lý thuyết Tham khảo L/h5 10 20 50
a. Dầm tựa đơn (S-S)CBT Khdeir and Reddy [22] 3.322 3.322 3.322 3.322
Vo et al. [4] 3.329 3.329 3.329 3.329FOBT Khdeir and Reddy [22] 5.036 3.750 - 3.339
Chakraborty et al. [25] 5.048 3.751 - 3.353Vo et al. [4] 5.043 3.757 3.436 3.346
� Ví dụ 2.5: Khảo sát sự phân bố của chuyển vị không thứ nguyên w của dầm
LC đối xứng dọc theo chiều dài của dầm với các điều kiện biên khác nhau.
Hình 4.3 thể hiện sự phân bố chuyển vị không thứ nguyên w dọc theo chiều dài
dầm composite, tỉ lệ L/h = 5 với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và C-C. Có
thể dễ dàng nhận thấy sự hợp lý của kết quả khảo sát: đối với dầm cùng tiết diện,
chiều dài và tải trọng tác dụng, chuyển vị lớn nhất của dầm S-S và C-C tại vị trí giữa
nhịp, trong khi đó, chuyển vị lớn nhất của dầm C-F là tại vị trí x=L. Hình dáng dầm
sau khi chịu tải trọng cũng được thể hiện hợp lý thông qua chuyển vị đứng của dầm.
Hình 4.3. Sự phân bố chuyển vị không thứ nguyên w dọc theo chiều dài dầm composite lớp sợi đối xứng [0o/90o/0o], tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện L/h=5với các điều kiện biên khác nhau.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
2
4
6
8
10
12
x/L
w
S-SC-FC-C
57
� Ví dụ 2.6: Phân tích sự ảnh hưởng của tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện
với chuyển vị w của dầm LC đối xứng.
Hình 4.4 thể hiện sự ảnh hưởng của tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện L/h
đối với chuyển vị w dọc theo chiều dài dầm composite tựa đơn. Kết quả khảo sát cho
thấy sự hợp lý: đối với dầm composite có cùng chiều cao dầm, khi chiều dài L tăng
thì chuyển vị càng tăng.
Hình 4.4. Sự phân bố chuyển vị w dọc theo chiều dài dầm composite tựa đơn với lớp sợi đối xứng [0o/90o/0o], tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện L/h thay đổi từ 5 đến 10.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2x 10
-6
x
w
L/h=10L/h=9L/h=7L/h=5
58
� Ví dụ 2.7: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên ứng suất dọc trục không thứ nguyên xx� của dầm LC đối xứng
và bất đối xứng với các điều kiện biên khác nhau và so sánh với các nghiên
cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.11, hình 4.5.
Kết quả bảng 4.11 thể hiện giá trị ứng suất dọc trục không thứ nguyên xx� của
dầm composite tựa đơn lớp sợi đối xứng và bất đối xứng dưới tác dụng của tải phân
bố đề q0. Kết quả này được so sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết
CBT, FOBT và HOBT của các tác giả khác như Zenkour [24], và Vo và cộng sự [4]
và đã cho thấy sự phù hợp của kết quả nghiên cứu. Bên cạnh đó, giống như ví dụ 2.1,
ứng suất của dầm khi sử dụng hàm f(z) trong Nghiên cứu 2 có kết quả gần sát với kết
quả nghiên cứu SSBT của tác giả Vo [4]. Mặt khác, khi tỉ lệ L/h càng tăng, giá trị ứng
suất của các Nghiên cứu 1,2, và 3 càng hội tụ.
Hình 4.5 thể hiện sự ảnh hưởng của tỉ lệ L/h đến sự phân bố ứng suất xx� của
dầm composite tựa đơn S-S đối xứng và bất đối xứng. Hình 4.5(a) cho thấy đối với
dầm L/h=5 lớp sợi đối xứng, ứng suất dọc trục phân bố dạng phi tuyến trên 2 lớp có
góc � =0, ngược lại với tỉ lệ L/h=10,20, và 50, ứng suất phân bố gần như tuyến tính.
Điều này chứng tỏ với dầm dày, hiệu ứng cắt được thể hiện rõ ràng hơn đối với dầm
dày. Hơn thế nữa, hình 4.5(a) hình 4.5(b) và cũng cho thấy, ứng suất dọc trục gần
như bằng không tại lớp sợi có � =90. Như vậy, sự góc sợi ảnh hưởng lớn đến ứng xử
của dầm composite.
59
Bảng 4.11: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên ứng suất dọc
trục không thứ nguyên xx� của dầm composite tựa đơn S-S loại 1 [00/900/00] và loại
2 [00/900] dưới tác dụng của tải phân bố đều q0.
Dầm Lý thuyết Tham khảo L/h
5 10 20 50
[00/900/00] CBT Zenkour [24] 0.7776 0.7776 - -
Vo et al. [4] 0.7780 0.7780 0.7780 -
FOBT Zenkour [24] 0.7776 0.7776 - -
Vo et al. [4] 0.7780 0.7780 0.7780 -
HOBT Zenkour [24] 1.0669 0.8500 - -
Vo et al. [4] 1.0670 0.8503 0.7961 -
Nghiên cứu 1 1.0663 0.8491 0.7952 0.7803
Nghiên cứu 2 1.0830 0.8546 0.7963 0.7805
Nghiên cứu 3 1.0638 0.8485 0.7950 0.7803
SSBT Vo et al. [4] 1.0920 0.8566 0.7976 -
[00/900] CBT Zenkour [24] 0.2336 0.2336 - -
Vo et al. [4] 0.2335 0.2335 0.2335 -
FOBT Zenkour [24] 0.2336 0.2336 - -
Vo et al. [4] 0.2335 0.2335 0.2335 -
HOBT Zenkour [24] 0.2362 0.2343 - -
Vo et al. [4] 0.2361 0.2342 0.2337 -
Nghiên cứu 1 0.2360 0.2341 0.2339 0.2337
Nghiên cứu 2 0.2357 0.2342 0.2338 0.2337
Nghiên cứu 3 0.2363 0.2344 0.2339 0.2337
SSBT Vo et al. [4] 0.2357 0.2341 0.2337 -
60
(a) Dầm phân lớp đối xứng
(b) Dầm phân lớp bất đối xứng
Hình 4.5. Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên sự phân bố ứng suất xx� của dầm composite tựa đơn S-S, lớp sợi đối xứng [0o/90o/0o] (a) và lớp sợi
bất đối xứng [0o/90o] (b).
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�xx
z/h
L/h=5L/h=10L/h=20L/h=50
-3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�x
z/h
L/h=5L/h=10L/h=20L/h=50
61
� Ví dụ 2.8: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên ứng suất cắt không thứ nguyên xz� của dầm LC đối xứng và
bất đối xứng với các điều kiện biên khác nhau và so sánh với các nghiên cứu
trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.12, hình 4.6.
Kết quả bảng 4.12 thể hiện giá trị ứng suất cắt không thứ nguyên xz� của dầm
composite tựa đơn lớp sợi đối xứng và bất đối xứng dưới tác dụng của tải phân bố đề
q0. Kết quả này được so sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết CBT,
FOBT và HOBT của các tác giả khác như Zenkour [24], và Vo và cộng sự [4] và đã
cho thấy sự phù hợp của kết quả nghiên cứu. Bên cạnh đó, giống như ví dụ 2.1, ứng
suất của dầm khi sử dụng hàm f(z) trong Nghiên cứu 2 có kết quả gần sát với kết quả
nghiên cứu SSBT của tác giả Vo [4].
Hình 4.6 thể hiện sự ảnh hưởng của tỉ lệ L/h đến sự phân bố ứng suất xz� của
dầm composite tựa đơn S-S đối xứng và bất đối xứng. Hình 4.6(a) cho thấy đối với
dầm lớp sợi đối xứng, ứng suất cắt phân bố đối xứng với mặt phẳng x=0, ngược lại
với dầm lớp sợi bất đối xứng hình 4.6(b), ứng xuất cắt phân bố bất đối xứng. Mặt
khác, tại vị trí tiếp xúc giữa các lớp, ứng suất có bước nhảy vì đặc trưng vật liệu dẫn
đến đặc tính cơ học khác nhau giữa các lớp.
62
Bảng 4.12: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên ứng suất cắt
không thứ nguyên xz� của dầm composite tựa đơn S-S loại 1 [00/900/00] và loại 2
[00/900] dưới tác dụng của tải phân bố đều q0.
Dầm Lý thuyết Tham khảo L/h
5 10 20 50
[00/900/00] CBT Zenkour [24] - - - -
Vo et al. [4] - - - -
FOBT Zenkour [24] 0.2994 0.2994 - -
Vo et al. [4] 0.2925 0.2925 0.2925 -
HOBT Zenkour [24] 0.4057 0.4311 - -
Vo et al. [4] 0.4057 0.4311 0.4438 -
Nghiên cứu 1 0.4052 0.4295 0.4400 0.4440
Nghiên cứu 2 0.4221 0.4504 0.4627 0.4677
Nghiên cứu 3 0.4035 0.4275 0.4377 0.4417
SSBT Vo et al. [4] 0.4233 0.4533 0.4683 -
[00/900] CBT Zenkour [24] - - - -
Vo et al. [4] - - - -
FOBT Zenkour [24] 0.8553 0.8553 - -
Vo et al. [4] 0.8357 0.8357 0.8357 -
HOBT Zenkour [24] 0.9211 0.9572 - -
Vo et al. [4] 0.9187 0.9484 0.9425 -
Nghiên cứu 1 0.9133 0.9404 0.9491 0.9518
Nghiên cứu 2 0.9268 0.9578 0.9679 0.9711
Nghiên cứu 3 0.9120 0.9387 0.9472 0.9498
SSBT Vo et al. [4] 0.9308 0.9653 0.9624 -
63
(a) Dầm phân lớp đối xứng
(b) Dầm phân lớp bất đối xứng
Hình 4.6. Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên sự phân bố ứng
suất xz� của dầm composite tựa đơn S-S, lớp sợi đối xứng [0o/90o/0o] (a) và lớp sợi bất đối xứng [0o/90o] (b).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�xz
z/h
L/h=5L/h=10L/h=20L/h=50
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�xz
z/h
L/h=5L/h=10L/h=20L/h=50
64
4.3. Bài toán 3: Phân tích dao động dầm LC
Dầm composite nhiều lớp với hướng sợi đối xứng [0o/90o/0o] và hướng sợi bất đối
xứng [0o/90o]. Trong đó vật liệu có thông số như sau: 6
1 241.5 10E -
1 2/ 40E E
12 13 20.6G G E
23 20.5EG
12 0.25�
Kết quả của bài toán là tần số dao động riêng của dầm composite. Điều kiện biên
động học được xét đến là dầm tựa đơn (S-S), dầm console (C-F), và dầm 2 đầu ngàm
C-C.
Kết quả nghiên cứu được trình bày cụ thể trong các bảng biểu dưới đây. Kết quả
này được so sánh với các kết quả của các tác giả khác đã được công bố trên các báo
Khoa học Quốc tế.
65
� Ví dụ 3.1: Khảo sát sự hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
của dầm LC đối xứng với các điều kiện biên khác nhau.
Kết quả khảo sát trong ví dụ 3.1 cho thấy giá trị tần số dao động tự nhiên không
thứ nguyên của dầm LC đối xứng với các điều kiện biên khác nhau đều đi dần hội
tụ. Đối với điều kiện biên S-S, kết quả hội tụ rất nhanh: từ 2 vòng lặp, đối với điều
kiện biên C-F và C-C sự hội tụ tương đối chậm: >14. Kết quả được thể hiện trong
bảng 4.13.
Bảng 4.13: Bảng hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm composite loại 1 [00/900/00] theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện với các điều kiện biên khác nhau
� Ví dụ 3.2: Khảo sát sự hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
của dầm LC bất đối xứng với các điều kiện biên khác nhau.
Kết quả ví dụ 3.2 cho thấy giá trị tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
của dầm LC bất đối xứng với các điều kiện biên khác nhau đều hội tụ. Đối với điều
kiện biên S-S, kết quả hội tụ rất nhanh: từ 2 vòng lặp, đối với điều kiện biên C-F và
C-C sự hội tụ tương đối chậm: >14. Kết quả được thể hiện trong bảng 4.14.
Bảng 4.14: Bảng hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm composite loại 2 [00/900] theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện với các điều kiện biên khác nhau
� Ví dụ 3.3: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm LC đối
xứng [00/900/00] dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều với các điều kiện biên
khác nhau và so sánh với các nghiên cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.15.
Kết quả bảng 4.15 thể hiện giá trị tần số dao động không thứ nguyên của dầm
composite lớp sợi đối xứng với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và C-C. Kết
quả này được so sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết FOBT và HOBT
của các tác giả khác như Aydogdu [3], Murthy [23], Khdeir và cộng sự [26], Mantari
[27], và Vo và cộng sự [7] và đã cho thấy sự phù hợp của kết quả nghiên cứu. Mặt
khác, khi tỉ lệ L/h càng tăng, giá trị tần số dao động tự nhiên của các Nghiên cứu 1,2,
và 3 càng hội tụ.
68
Bảng 4.15: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm composite loại 1 [00/900/00] với các điều kiện biên khác nhau
Lý thuyết Tham khảo L/h5 10 20 50
a. Dầm tựa đơn (S-S)FOBT Khdeir and Reddy [26] 9.205 13.670 - -HOBT Khdeir and Reddy [26] 9.208 13.614 - -
� Ví dụ 3.4: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết
diện (L/h) lên tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm LC bất
đối xứng [00/900] dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều với các điều kiện
biên khác nhau và so sánh với các nghiên cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.16.
Bảng 4.16 thể hiện giá trị tần số dao động không thứ nguyên của dầm
composite tựa đơn lớp sợi bất đối xứng với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và
C-C. Kết quả này được so sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết FOBT
và HOBT của các tác giả khác như Aydogdu [3], Murthy [23], Khdeir và cộng sự [26],
Mantari [27], và Vo và cộng sự [7] và đã cho thấy sự phù hợp của kết quả nghiên
cứu. Mặt khác, khi tỉ lệ L/h càng tăng, giá trị tần số dao động tự nhiên của các Nghiên
cứu 1,2, và 3 càng hội tụ.
70
Bảng 4.16: Hiệu ứng của hệ số chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện lên tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm composite loại 2 [00/900] với các điều kiện biên khác nhau.
Lý thuyết Tham khảo L/h5 10 20 50
a. Dầm tựa đơn (S-S)FOBT Khdeir and Reddy [26] 5.953 6.886 - -HOBT Khdeir and Reddy [26] 6.128 6.945 - -
(b)Hình 4.7. Sự phân bố chuyển vị không thứ nguyên w dọc chiều dài dầm FG tựa đơn,L/h=4 (a) và L/h=16 (b) dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các hệ số phân phối vật liệu p thay đổi (NC4).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
x/L
wo
p=0p=0.5p=1p=2p=5Full metal
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
x/L
wo
p=0p=0.5p=1p=2p=5Full metal
78
Hình 4.8. Sự phân bố chuyển vị w dọc chiều dài dầm FG, L/h=4, p=1 dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau (NC4).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
x/L
wo
S-SC-FC-C
79
� Ví dụ 5.2: Khảo sát sự phân bố ứng suất dọc trục xx� và ứng suất cắt xz� của
dầm FG dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều theo chiều dày dầm.
Kết quả được thể hiện trong hình 4.9, hình 4.10, hình 4.11, hình 4.12, hình 4.13,
và hình 4.14.
Hình 4.9 thể hiện sự phân bố ứng suất dọc trục xx� của dầm FG tựa đơn S-S, tỉ
lệ L/h=4, p =1 chịu tác trọng phân bố đều q0 với các hàm biến dạng cắt bậc cao hợp
nhất f(z) khác nhau. Kết quả phản ánh dầm căng ở mặt trên ( 0)/xx� và nén ở mặt
dưới ( 0)/xx� , ứng suất phân bố phi tuyến theo chiều dày dầm. Mặt khác, kết quả
khảo sát cho thấy ứng suất của dầm khi sử dụng các hàm biến dạng cắt hợp nhất f(z)
của Nghiên cứu 1,2, và 3 đều cho kết quả như nhau.
Hình 4.10 thể hiện sự phân bố ứng suất cắt xz� của dầm FG tựa đơn S-S, tỉ lệ
L/h=4, p =1 chịu tác trọng phân bố đều q0 với các hàm biến dạng cắt bậc cao hợp
nhất f(z) khác nhau. Ứng suất cắt bằng không tại biên trên và biên dưới dầm. Mặt
khác, kết quả khảo sát cho thấy ứng suất của dầm khi sử dụng các hàm biến dạng cắt
hợp nhất f(z) của Nghiên cứu 1,2, và 3 đều cho kết quả tương đối giống nhau.
Hình 4.11 khảo sát sự phân bố ứng suất dọc trục xx� tại vị trí giữa dầm với các
điều kiện biên khác nhau. Kết quả khảo sát cho thấy sự phù hợp của nghiên cứu với
ứng xử thực tế của dầm, dầm S-S và C-C căng ở mặt trên ( 0)/xx� và nén ở mặt
dưới ( 0)/xx� , trong khi đó dầm C-F thì ngược lại. Hình 4.12 khảo sát hiệu ứng của
tỉ lệ L/h đối với sự phân bố ứng suất dọc trục, có thể dễ dàng nhận thấy, khi tỉ lệ L/h
tăng (đồng nghĩa với việc dầm càng dài) thì ứng suất càng lớn.
Hình 4.13 và hình 4.14 khảo sát sự phân bố ứng suất dọc trục xx� và ứng suất
cắt xz� khi thay đổi hệ số phân phối vật liệu p. Với p=0 (dầm đồng nhất vật liệu
ceramic), ứng suất dọc trục phân bố tuyến tính theo chiều dày dầm, ứng suất cắt đối
xứng qua mặt phẳng z=0, khi p thay đổi, ứng xuất dọc trục phân bố phi tuyến và ứng
suất cắt không còn đối xứng.
80
Hình 4.9. Sự phân bố ứng suất xx� vị trí x=0 của dầm FG tựa đơn, tỉ lệ L/h=4 (p=1) dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các hàm biến dạng cắt bậc cao f (z) khác nhau.
Hình 4.10. Sự phân bố ứng suất xz� vị trí giữa nhịp của dầm FG tựa đơn, tỉ lệ L/h=4(p=1) dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các hàm biến dạng cắt bậc cao f (z)khác nhau.
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�x
z/h
fz[NC1]fz[NC3]fz[NC4]
-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�xz
z/h
fz[NC1]fz[NC3]fz[NC4]
81
Hình 4.11. Sự phân bố ứng suất xx� vị trí giữa nhịp của dầm FG, tỉ lệ L/h = 4 dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các điều kiện biên khác nhau (NC4).
Hình 4.12. Sự phân bố ứng suất xx� vị trí giữa nhịp của dầm FG tựa đơn, dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện thay đổi (NC4).
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�x
z/h
S-SC-FC-C
-20 -10 0 10 20 30 40-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�x
z/h
L/h=4L/h=16L/h=32
82
Hình 4.13. Sự phân bố ứng suất xx� vị trí giữa nhịp của dầm FG tựa đơn (L/h=4), dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các hệ số phân phối vật liệu p thay đổi (NC4).
Hình 4.14. Sự phân bố ứng suất xz� vị trí tại gối của dầm FG tựa đơn(L/h=4), dưới tác dụng của tải phân bố đều q0 với các hệ số phân phối vật liệu p thay đổi (NC4).
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�x
z/h
p=0p=0.5p=1p=2p=5
-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
�xz
z/h
p=0p=0.5p=1p=2p=5
83
4.6. Bài toán 6: Phân tích dao động dầm FG
Bài toán nghiên cứu về ứng dao động tự do của dầm FG. Phân tích dầm theo
2 loại tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện L/h là 5 và 20. Thuộc tính vật liệu FGM
bao gồm:
- Nhôm ở mặt dưới:
3( : 70 , 0.3, 2702 / ) t Al t Al t AlAl E E GPa kg m� � � � )
- Lớp Nhôm ôxit ở mặt trên:
2 3 2 3 2 3
32 3( : 380 , 0.3, 3960 / ) b Al O b Al O b Al OAl O E E GPa kg m� � � � .
Kết quả của bài toán là tần số dao động riêng của dầm FG. Điều kiện biên động
học được xét đến là dầm tựa đơn (S-S), dầm console (C-F), và dầm 2 đầu ngàm C-C.
Kết quả nghiên cứu được trình bày cụ thể trong các bảng biểu dưới đây. Kết quả
này được so sánh với các kết quả của các tác giả khác đã được công bố trên các báo
Khoa học Quốc tế.
84
� Ví dụ 6.1: Khảo sát sự hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
của dầm FG với các điều kiện biên khác nhau và so sánh với các nghiên
cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.20, bảng 4.21, bảng 2.22, và hình 4.15.
Bảng 4.20 thể hiện sự hội tụ của giá trị tần số dao động không thứ nguyên của
dầm FG (L/h=5) với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và C-C. Kết quả này
được so sánh với nghiên cứu của tác giả Nguyen [1] sự phù hợp của nghiên cứu.
Ngoài ra, kết quả khảo sát cho thấy sự hội tụ của các nghiên cứu đối với dầm S-S
(N=2) nhanh hơn sự hội tụ của dầm C-F và C-C (N >14)
Tương tự như trên, ví dụ này cũng đã khảo sát sự hội tục của giá trị tần số dao
động không thứ nguyên của dầm FG (L/h=5) – bảng 4.21 và (L/h=20) – bảng 4.22.
Khảo sát với ba điều kiện biên S-S, C-F, và C-C, trong đó sử dụng hàm biến dạng cắt
hợp nhất của Nghiên cứu 1 (bậc 3) và 4 (bậc 7). Kết quả cho thấy hai hàm biến dạng
cắt của cả 2 nghiên cứu cho tốc độ hội tụ tương đương nhau, kết quả tần số dao động
tự nhiên không thứ nguyên cũng gần giống nhau.
Hình 4.15 thể hiện tốc độ hội tụ của tần số dao động tự do không thứ nguyên
của dầm FG L/h=5, p=1. Kết quả cho thấy tốc độ hội tụ của dầm tựa đơn S-S là nhanh
nhất (N=2) trong khi dầm console C-F và dầm 2 đầu ngàm có tốc độ hội tụ chậm hơn
(N>14).
85
Bảng 4.20: Bảng hội tụ của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của dầm
FG, tỉ lệ L/h = 5, p = 1, với các điều kiện biên khác nhau.
(c)Hình 4.15. Sự hội tụ của tần số dao động tự do không thứ nguyên của dầm FG (p=1) theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện (L/h = 5) với các điều kiện biên S-S (a), C-F (b) và C-C (c) (NC4).
2 4 6 8 10 12 143.9904
3.9904
3.9904
3.9904
3.9904
3.9904
3.9904
N
Non
dim
ensi
onal
fund
amen
tal f
requ
ency
S-S
2 4 6 8 10 12 141.463
1.464
1.465
1.466
1.467
1.468
1.469
1.47
N
Non
dim
ensi
onal
fund
amen
tal f
requ
ency
C-F
2 4 6 8 10 12 147.95
8
8.05
8.1
8.15
8.2
N
Non
dim
ensi
onal
fund
amen
tal f
requ
ency
C-C
88
� Ví dụ 6.2: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của sự phân phối vật liệu đến tần số dao
động tự nhiên không thứ nguyên của dầm FG với các điều kiện biên khác
nhau và so sánh với các nghiên cứu trước đó.
Kết quả được thể hiện trong Bảng 4.23, bảng 4.24.
Kết quả bảng 4.23 thể hiện giá trị tần số dao động không thứ nguyên của dầm
FG (L/h=5) với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và C-C. Kết quả này được so
sánh với nghiên cứu trước đó dựa trên các lý thuyết biến dạng cắt bậc cao của các tác
giả khác như Vo [43], Nguyen [1], và Simsek [44] và đã cho thấy sự phù hợp của kết
quả nghiên cứu.
Tương tự như trên, bảng 4.24 nghiên cứu giá trị tần số dao động không thứ
nguyên của dầm FG (L/h=20) với ba điều kiện biên, kết quả so sánh với kết quả
nghiên cứu trước cũng được đánh giá phù hợp.
89
Bảng 4.23: Bảng so sánh giá trị tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên của
dầm FG (L/h = 5) với nhiều giá trị của hệ số phân phối vật liệu p với các điều kiện
biên khác nhau (N=14).
Tham khảo Hệ số phân phối vật liệu p
0 0.2 1 2 5 10
Dầm tựa đơn S - S
Vo [43] 5.15275 4.80590 3.97160 3.59791 3.37429 3.26534
� Ví dụ 6.3: Khảo sát sự phân bố của tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
của dầm FG với các điều kiện biên khác nhau.
Kết quả được thể hiện trong Hình 4.16 và Hình 4.17.
Hình 4.16 thể hiện giá trị tần số dao động không thứ nguyên của dầm FG, p=1
theo sự thay đổi của tỉ lệ L/h với ba điều kiện biên khác nhau: S-S, C-F, và C-C. Kết
quả cho thấy dầm C-C có tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên lớn nhất, ngược
lại dầm C-F có tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên nhỏ nhất. Đối với cả ba
loại dầm, tần số dao động tăng khi tỉ lệ L/h tăng, đối với tỉ lệ L/h=5.15 tần số dao
động tăng rõ rệt, đối với tỉ lệ L/h>15 tần số dao động tăng nhẹ và dần thành hằng số
với các tỉ lệ L/h lớn.
Hình 4.17 thể hiện giá trị tần số dao động không thứ nguyên của dầm FG,
(L/h=5) theo sự thay đổi của hệ số phân phối vật liệu p với ba điều kiện biên khác
nhau: S-S, C-F, và C-C. Tương tự như trên, dầm C-C có tần số dao động tự nhiên
không thứ nguyên lớn nhất và dầm C-F có tần số dao động tự nhiên không thứ nguyên
nhỏ nhất. Đối với cả ba loại dầm, tần số dao động giảm khi tỉ lệ p tăng, đối với tỉ lệ
p=0.5 tần số dao động giảm rõ rệt, đối với tỉ lệ p > 5 tần số dao động giảm nhẹ và
dần thành hằng số với các tỉ lệ p lớn. Điều này có thể được giải thích vì khi p tăng,
thuộc tính vật liệu của dầm FG sẽ tăng hàm lượng metal, giảm hàm lượng ceramic vì
vậy độ cứng của dầm giảm, dẫn đến chu kì dao động tăng, tần số dao động giảm.
92
Hình 4.16. Sự phân bố tần số dao động tự do không thứ nguyên của dầm FG (p=1) theo tỉ lệ chiều dài nhịp / chiều cao tiết diện (L/h) với các điều kiện biên khác nhau (NC4).
Hình 4.17. Sự phân bố tần số dao động tự do không thứ nguyên của dầm FG (L/h=5) theo hệ số phân phối vật liệu p với các điều kiện biên khác nhau (NC4).
5 10 15 20 25 30 35 401
2
3
4
5
6
7
8
9
10
L/h
Non
dim
ensi
onal
fund
amen
tal f
requ
ency
S-SC-FC-C
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
p
Non
dim
ensi
onal
fund
amen
tal f
requ
ency
S-SC-FC-C
93
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN
5.1. Kết luận
Kết quả các bài toán trong luận văn đã được so sánh với kết quả của các nghiên
cứu trước đó và đã cho thấy sự phù hợp và đúng đắn của kết quả, đồng nghĩa với việc
có thể sử dụng kết quả bài toán để áp dụng cho các bài toán khác có liên quan hoặc
làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu kế tiếp. Những kết quả đó đã được thể hiện
cụ thể trong chương 4, được tón tắt lại như sau:
Bảng 5.1: Nội dung các bài toán số.
Bài
toán
Dầm composite nhiều lớp
(LC beam)
Dầm phân lớp chức năng
(FG beam)
1,4 Nghiên cứu ứng xử dầm LC với
các hàm biến dạng cắt bậc cao
khác nhau
Nghiên cứu ứng xử dầm FG với các
hàm biến dạng cắt bậc cao khác
nhau
2,5 Nghiên cứu ứng xử tĩnh dầm LC:
- Chuyển vị
- Ứng suất dọc trục
- Ứng suất cắt
Nghiên cứu ứng xử tĩnh dầm FG:
- Chuyển vị
- Ứng suất dọc trục
- Ứng suất cắt
3,6 Nghiên cứu dao động tự do dầm
LC:
- Tần số dao động tự nhiên
Nghiên cứu dao động tự do dầm
FG:
- Tần số dao động tự nhiên
Các yếu tố dùng để phân tích bài toán: đặc trưng vật liệu, ảnh hưởng của tỉ số
chiều dài dầm / chiều cao tiết diện (L/h) , ảnh hưởng của hệ số phân phối vật liệt (p),
ảnh hưởng của điều kiện biên, ảnh hưởng của hàm biến dạng cắt bậc cao f(z).
94
Thông qua những kết quả đã đạt được, một số kết luận được rút ra thể hiện
tính mới của luận văn như sau:
- Thông qua việc phát triển các nghiên cứu từ các tác giả khác trước đây và
triển khai ý tưởng mới từ Thầy hướng dẫn: bốn hàm biến dạng cắt bậc cao
hợp nhất được tác giả đề xuất dùng cho bốn nghiên cứu đã mang lại kết quả
tương đồng với các hàm gốc dạng lượng giác, hàm hyberbol, hàm mũ. Tuy
nhiên, thời gian giải thuật ngắn hơn, có tính ưu việt hơn. Với dầm LC, có thể
sử dụng hàm đa thức bậc 7, trong khi đó dầm FG vì có tính liên tục về vật
liệu trong dầm nên hàm đa thức bậc 5 đã cho kết quả đồng nhất với hàm gốc
dạng lượng giác, hyberbol,…
- Bằng phương pháp áp dụng lời giải Ritz và việc xấp xỉ trường chuyển vị dưới
dạng lượng giác thỏa mãn điều kiện biên động học đối với nhiều loại dầm đã
đưa ra kết quả số tương đối chính xác, phù hợp với ứng xử thực tế của dầm
khi chịu tải trọng tĩnh và khi dao động tự do. Với các dầm được chọn trong
luận văn, đối với dầm S-S cho kết quả hội tụ rất nhanh (N < 6), đối với dầm
C-F và C-C kết quả hội tụ chậm hơn (N = 10�.20) tùy thuộc giá trị cần tìm.
5.2. Hướng phát triển
Luận văn đã nghiên cứu ứng xử tĩnh và dao động tự do của dầm composite với
điều kiện biên khác nhau. Ngoài những kết quả đã đạt được, luận văn cũng không
tránh khỏi những hạn chế cần được nghiên cứu, phân tích và phát triển thêm:
- Phân tích ổn định dầm composite LC và FG với các điều kiện biên khác nhau;
- Phân tích dao động dầm composite với nhiều mode dao động khác nhau;
- Mở rộng nghiên cứu ứng xử dầm bằng lý thuyết Quasi-3D;
- Nghiên cứu bài toán với các dạng tải trọng khác nhau (tải trọng điều hòa, tải
tập trung, tải trọng động,…) hoặc dạng tải trọng bất kì q(x);
- Mở rộng nghiên cứu ứng xử dầm sandwich phân lớp chức năng;
- Mở rộng sang bài toán tấm composite LC và FG;
- Nghiên cứu và phát triển hàm biến dạng cắt bậc cao f(z) hợp nhất ưu việt hơn,
cho kết quả phản ánh ứng xử vật liệu đúng thực tế hơn;
- Nghiên cứu và phát triển các hàm xấp xỉ trường chuyển vị khác ưu việt hơn,
kết quả hội tụ nhanh và chính xác hơn.
95
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG ANH
[1] Trung-Kien Nguyen, T. Truong-Phong Nguyen, Thuc P.Vo, Huu-Tai Thai.
Buckling and vibration analysis of functionally graded sandwich beams by a new
higher-order shear deformation theory, Composite Part B 76 (2015), 273-285.
[2] Reddy JN. Mechenics of laminated composite plates: theory and analysis,
CRC Press; 1997.
[3] Aydogdu M. Vibration analysis of cross-ply laminated beams with general
boundary conditions by Ritz method, International Journal of Mechanical Sciences 47
(2005) 1740-1755.
[4] Thuc P. Vo, Huu-Tai Thai. Static behavior of composite beams using various