Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật hiện đại, cấu trúc tổ ong auxetic ngày càng có ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực kỹ thuật, chẳng hạn như hàng không, kiến trúc, giao thông vận tải, ô tô, v.v., bởi vì các đặc tính cơ học đạt được của các vật liệu xốp này vượt trội hơn so với các thành phần tương ứng rắn. Nhờ khả năng chống va đập và khả năng hấp thụ năng lượng vượt trội, kết cấu tổ ong auxetic chủ yếu được sử dụng trong bảo vệ kết cấu. Được biết, cấu trúc vật liệu Gradient auxetic về mặt chức năng là một trong những điểm nóng trong các công trình nghiên cứu gần đây. Cấu trúc vật liệu tổ ong Gradient auxetic chức năng đã được đề xuất để đạt được các chức năng cụ thể và đáp ứng các yêu cầu của các bề mặt khác nhau để thích ứng với các môi trường bên ngoài khác nhau. Cấu trúc vật liệu tổ ong Gradient auxetic về mặt chức năng là một loại vật liệu không đồng nhất có đặc tính hoặc cấu trúc thành phần là gradient cùng với hướng chiều dài hoặc chiều dày. Tổ ong Gradient auxetic không chỉ có thể đáp ứng các nhu cầu về hàng không vũ trụ, quốc phòng, giao thông vận tải và kiến trúc hiện đại mà còn đóng vai trò là nền tảng và cốt lõi của sự đổi mới công nghệ cho các vật liệu tiên tiến. Vật liệu Gradient auxetic với hệ số Poisson âm đã được ra đời từ lâu, với các tính chất vượt trội hơn vật liệu thông thường và được áp dụng trong nền công nghệ cao hiện đại. Cùng với sự phát triển của thời đại, vật liệu Gradient auxetic ngày càng được nhiều người biết đến và nghiên cứu ứng dụng hơn trong các lĩnh vực như quân sự, xây dựng, y tế và thể thao. Tuy đã được áp dụng trong thực tế, thế nhưng có những kỹ thuật phức tạp về mặt tính toán, đặc biệt là cách tiếp cận bằng phương pháp giải tích còn hạn chế. Hiện nay, các kết cấu được làm bằng vật liệu Gradient auxetic đang ngày được sử dụng phổ biến. Việc nghiên cứu bài toán ổn định và dao động của các kết cấu dạng thanh, dầm, tấm và vỏ đang được quan tâm hàng đầu nhằm mục đích đảm bảo tính an toàn và tối ưu khi sử dụng các loại kết cấu này. Những nghiên cứu về các ứng xử cơ học của kết cấu này là bài toán quan trọng không chỉ mang ý nghĩa khoa học còn có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Chính vì những yêu cầu cấp thiết ở trên, đồ án đề xuất nghiên cứu “Ứng dụng của phầm mềm Ansys phân tích độ võng và tần số dao động riêng của tấm Gradient auxetic”. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học: bài toán “Ứng dụng của phầm mềm Ansys phân tích độ võng và tần số dao động riêng của tấm Gradient auxetic” là vấn đề được quan tâm và có ý nghĩa quan trọng, thiết thực trong lĩnh vực cơ học kết cấu. Các kết quả nhận được trong phân dao động phi tuyến của các kết cấu làm từ vật liệu auxetic nói chung và tấm Gradient auxetic với hệ số Poisson âm nói riêng sẽ cung cấp các thông tin quan trọng trong việc thiết kế, đảm bảo cho kết cấu hợp lý khi chế tạo và an toàn khi khai thác sử dụng. Ý nghĩa thực tiễn: các kết quả nhận được là hình ảnh minh họa và giải số, do đó nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà thiết kế, chế tạo kết cấu Gradient auxetic, xây dựng các công trình sử dụng vật liệu Gradient auxetic, giúp cho các nhà thiết kế, chế tạo, xây dựng,...có thể lựa chọn phù hợp, chính xác sự phân bố vật liệu thành phần trong Gradient auxetic cũng như các tham số của kết cấu và nền đàn nhớt để vừa phát huy được khả năng chịu tải của vật liệu trong môi trường, lại vừa hạn chế được khả năng phá huỷ của kết cấu có thể xảy ra khi chịu tải lớn. 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Đối tượng: 4 mô hình kết cấu tấm Gradient auxetic với hệ số Poisson âm gồm: Angular gradient (auxetic thay đổi góc của lõi), Thickness gradient (auxetic thay đổi độ dày của lõi) và 2 mô hình Functional gradient (auxetic có vật liệu làm lõi biến đổi), thu được bằng cách thay đổi số liệu hoặc thông số vật lý của ô đơn vị. Với lớp lõi là vật liệu Gradient auxetic, 2 lớp trên và dưới là vật liệu đồng nhất đẳng hướng. Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu phân tích độ võng và tần số dao động riêng của kết cấu tấm Gradient auxetic với hệ số Poisson âm. Cụ thể: Nghiên cứu độ võng và tần số dao động riêng của tấm Gradient auxetic chịu tải cơ với 4 mô hình khác nhau của lõi Gradient auxetic. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys để phân tích các tấm Gradient auxetic. 4. Nội dung của đồ án. Đồ án gồm: Phần mở đầu, ba chương, phần kết luận , phụ lục và tài liệu tham khảo.
MỤC LỤ TÓM TẮT I LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC BẢNG VÀ ĐỒ THỊ .VII Tính cấp thiết đề tài .1 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đối tượng phương pháp nghiên cứu Nội dung đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ 1.1 Vật liệu Auxetic Gradient auxetic 1.1.1 Vật liệu Auxetic 1.1.2 Gradient auxetic 1.1.3 Ứng dụng auxetic 1.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu có liên quan 1.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM ANSYS PHÂN TÍCH ĐỘ VÕNG VÀ TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG CỦA CÁC TẤM GRADIENT AUXETIC 10 2.1 Đặt vấn đề 10 2.1.1 Mơ hình Gradient auxetic 10 2.1.2 Phương pháp sử dụng 12 2.2 Phương pháp mô phần mềm Ansys 14 2.2.1 Tổng quan phương pháp mô .14 2.2.2 Hướng dẫn chi tiết giao diện người dùng .15 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ SỐ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Kiểm chứng độ tin cậy phương pháp sử dụng 21 3.2 Ứng dụng phần mềm Ansys giải toán Gradient auxetic .25 3.2.1 Đối tượng phân tích .25 3.2.2 Điều kiện biên 28 3.2.3 Tính toán tần số dao động riêng biến dạng cực đại mơ hình Gradient auxetic 28 3.2.4 Tính tốn độ võng Gradient auxetic 33 3.3 Nhận xét 35 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHỤ LỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 42 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh pháp Định nghĩa AGA Angular Gradient auxetic (auxetic thay đổi góc lõi) TGA Thickness Gradient auxetic (auxetic thay đổi độ dày lõi) FGA1 Functional Gradient auxetic (auxetic có vật liệu làm lõi biến đổi lớp kim loại lớp gốm) FGA2 Functional Gradient auxetic (auxetic có vật liệu làm lõi biến đổi lớp kim loại lớp lớp gốm) CCCC Clamp-Clamp-Clamp-Clamp (Ngàm cứng cạnh) CFCF Clamp-Free-Clamp-Free (Ngàm cứng cạnh để cạnh lại tự do) L Chiều dài h2 Độ dày lớp lõi auxetic h1 , h3 Độ dày lớp vỏ h Chiều rộng core đơn t Chiều dày thành core l Chiều dài thành core Θ Góc tạo thành core G Mô đun dàn hồi trượt Hệ số Poisson E Mô đun đàn hồi Young Khối lượng riêng DANH MỤC BẢNG VÀ ĐỒ T Bảng 2.1 Khối lượng mơ hình Gradient auxetic 12 Bảng 3.1 So sánh kết số w với tài liệu .21 Bảng 3.2 Kết đối chiếu tần số biến dạng phương pháp số so với báo 22 Bảng 3.3 Thông số vật liệu Auxetic 23 Bảng 3.4 Kết đối chiếu báo phương pháp số 24 Bảng 3.5 Bảng thông số chi tiết lớp AGA 24 Bảng 3.6 Bảng thông số chi tiết lớp TGA 26 Bảng 3.7 Bảng thông số chi tiết lớp FGA1 27 Bảng 3.8 Bảng thông số chi tiết lớp FGA2 27 Bảng 3.9 Bảng tần số dao động riêng mơ hình 30 Bảng 3.10 Bảng biến dạng mode mơ hình 31 Bảng 3.11 Độ võng Gradient auxetic chịu lực khác 33 Y Đồ thị 3.1 Đồ thị so sánh kết với báo 25 Đồ thị 3.2 Đồ thị thể số Gradient auxetic điều kiên biên CCCC 30 Đồ thị 3.3 Đồ thị thể số Gradient auxetic điều kiên biên .CFCF 31 Đồ thị 3.4 Đồ thị thể biến dạng tương ứng mode Gradient auxetic điều kiên biên CCCC 32 Đồ thị 3.5 Đồ thị thể biến dạng tương ứng mode Gradient auxetic điều kiên biên CFCF 32 Đồ thị 3.6 Đồ thị biến dạng Gradient auxetic tác động lực khác 34 Đồ thị 3.7 Đồ thị điểm Gradient auxetic tác động lực phân bố độ lớn 1000N MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật đại, cấu trúc tổ ong auxetic ngày có ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật, chẳng hạn hàng không, kiến trúc, giao thông vận tải, ô tô, v.v., đặc tính học đạt vật liệu xốp vượt trội so với thành phần tương ứng rắn Nhờ khả chống va đập khả hấp thụ lượng vượt trội, kết cấu tổ ong auxetic chủ yếu sử dụng bảo vệ kết cấu Được biết, cấu trúc vật liệu Gradient auxetic mặt chức điểm nóng cơng trình nghiên cứu gần Cấu trúc vật liệu tổ ong Gradient auxetic chức đề xuất để đạt chức cụ thể đáp ứng yêu cầu bề mặt khác để thích ứng với mơi trường bên ngồi khác Cấu trúc vật liệu tổ ong Gradient auxetic mặt chức loại vật liệu khơng đồng có đặc tính cấu trúc thành phần gradient với hướng chiều dài chiều dày Tổ ong Gradient auxetic không đáp ứng nhu cầu hàng khơng vũ trụ, quốc phịng, giao thơng vận tải kiến trúc đại mà cịn đóng vai trị tảng cốt lõi đổi công nghệ cho vật liệu tiên tiến Vật liệu Gradient auxetic với hệ số Poisson âm đời từ lâu, với tính chất vượt trội vật liệu thông thường áp dụng công nghệ cao đại Cùng với phát triển thời đại, vật liệu Gradient auxetic ngày nhiều người biết đến nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực quân sự, xây dựng, y tế thể thao Tuy áp dụng thực tế, có kỹ thuật phức tạp mặt tính tốn, đặc biệt cách tiếp cận phương pháp giải tích cịn hạn chế Hiện nay, kết cấu làm vật liệu Gradient auxetic ngày sử dụng phổ biến Việc nghiên cứu toán ổn định dao động kết cấu dạng thanh, dầm, vỏ quan tâm hàng đầu nhằm mục đích đảm bảo tính an tồn tối ưu sử dụng loại kết cấu Những nghiên cứu ứng xử học kết cấu tốn quan trọng khơng mang ý nghĩa khoa học cịn có ý nghĩa thực tiễn to lớn Chính u cầu cấp thiết trên, đồ án đề xuất nghiên cứu “Ứng dụng phầm mềm Ansys phân tích độ võng tần số dao động riêng Gradient auxetic” Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: toán “Ứng dụng phầm mềm Ansys phân tích độ võng tần số dao động riêng Gradient auxetic” vấn đề quan tâm có ý nghĩa quan trọng, thiết thực lĩnh vực học kết cấu Các kết nhận phân dao động phi tuyến kết cấu làm từ vật liệu auxetic nói chung Gradient auxetic với hệ số Poisson âm nói riêng cung cấp thông tin quan trọng việc thiết kế, đảm bảo cho kết cấu hợp lý chế tạo an toàn khai thác sử dụng Ý nghĩa thực tiễn: kết nhận hình ảnh minh họa giải số, nghiên cứu cung cấp sở khoa học cho nhà thiết kế, chế tạo kết cấu Gradient auxetic, xây dựng cơng trình sử dụng vật liệu Gradient auxetic, giúp cho nhà thiết kế, chế tạo, xây dựng, lựa chọn phù hợp, xác phân bố vật liệu thành phần Gradient auxetic tham số kết cấu đàn nhớt để vừa phát huy khả chịu tải vật liệu môi trường, lại vừa hạn chế khả phá huỷ kết cấu xảy chịu tải lớn Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng: mơ hình kết cấu Gradient auxetic với hệ số Poisson âm gồm: Angular gradient (auxetic thay đổi góc lõi), Thickness gradient (auxetic thay đổi độ dày lõi) mơ hình Functional gradient (auxetic có vật liệu làm lõi biến đổi), thu cách thay đổi số liệu thông số vật lý ô đơn vị Với lớp lõi vật liệu Gradient auxetic, lớp vật liệu đồng đẳng hướng Mục tiêu đồ án nghiên cứu phân tích độ võng tần số dao động riêng kết cấu Gradient auxetic với hệ số Poisson âm Cụ thể: - Nghiên cứu độ võng tần số dao động riêng Gradient auxetic chịu tải với mơ hình khác lõi Gradient auxetic - Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phần mềm mơ Ansys để phân tích Gradient auxetic Nội dung đồ án Đồ án gồm: Phần mở đầu, ba chương, phần kết luận , phụ lục tài liệu tham khảo Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học thực tiễn, mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu đồ án Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2:Ứng dụng phần mềm Ansys phân tích độ võng tần số dao động riêng Gradient auxetic Chương 3: Kết số thảo luận Kết luận: Trình bày kết đồ án Tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ 1.1 Vật liệu Auxetic Gradient auxetic 1.1.1 Vật liệu Auxetic Auxetic cấu trúc vật liệu có hệ số Poisson âm Khi kéo dài, chúng trở nên dày vng góc với lực ứng dụng Điều xảy cấu trúc đặc biệt bên chúng biến dạng vật liệu mẫu chịu tải cách không thường xuyên Auxetic phân tử đơn, tinh thể, cấu trúc đặc biệt vật chất vĩ mô Các vật liệu cấu trúc dự kiến có tính chất học hấp thụ lượng cao khả chống gãy xương Auxetic hữu ích ứng dụng làm áo giáp, áo chống đạn, vật liệu chống nổ, dụng cụ thể thao Thuật ngữ auxetic xuất phát từ tiếng Hy Lạp αὐξητικός (auxetikos) có nghĩa "cái có xu hướng tăng" gốc từ αὔξησις, auxesis , có nghĩa "tăng" (danh từ) Thuật ngữ đặt Giáo sư Ken Evans Đại học Exeter Một vật liệu auxetic tạo nhân tạo đầu tiên, cấu trúc RFS (cấu trúc gấp kim cương), phát minh vào năm 1978 nhà nghiên cứu Berlin Pietros K Pietsch Mặc dù ông không sử dụng thuật ngữ auxetic, ông mô tả lần chế đòn bẩy phản ứng học phi tuyến coi nhà phát minh mạng lưới auxetic Ví dụ cơng bố sớm vật liệu có số Poisson âm AG Kolpakov năm 1985, "Xác định đặc điểm trung bình hệ khung đàn hồi"; vật liệu auxetic nhân tạo mô tả Science vào năm 1987, mang tên "Cấu trúc bọt với hệ số Poisson âm" RS Lakes từ Đại học Wisconsin Madison Việc sử dụng thuật ngữ auxetic để đặc tính bắt đầu vào năm 1991 Kiểu dáng vật liệu auxetic với cấu trúc lục giác ngược (hình lục giác auxetic), có hệ số Poisson âm, xuất năm 1985 Thông thường, vật liệu auxetic có mật độ thấp, điều cho phép cạnh lề cấu trúc auxetic dễ uốn cong Ứng dụng: Áo chống đạn Tất loại giấy Cork có hệ số Poisson gần khơng Điều làm cho trở thành vật liệu tốt để hàn kín chai rượu vang 1.1.2 Gradient auxetic Có loại Gradient auxetic bao gồm Angular gradient, Thickness gradient Functional gradient, chế tạo cách thay đổi số liệu thông số vật lý ô tổ ong đơn Tính chất Gradient auxetic xác định thơng qua kích thước Thuộc tính sử dụng để thiết kế vật liệu phù hợp với nhu cầu kỹ thuật Hình 1.1 Cấu trúc vật tổ ong Auxetic FHình 1.2 Cấu trúc tổ ong đơn Non-Gradient Hình 1.3 Cấu trúc Gradient auxetic 1.1.3 Ứng dụng auxetic Ứng dụng dệt may Vật liệu auxetic cung cấp thoải mái, thay đổi thể tích lớn, khả chống mài mịn hấp thụ lượng cao mà ứng dụng phổ biến dệt may [6] Ví dụ: giày chạy Nike Flyknit người chạy bộ, va chạm, giày giãn ra, làm giảm điểm áp lực, tạo cảm giác thoải mái Đệm mũ bảo hiểm D3O Trust bán thị trường Trong tương lai, phát triển bao gồm xốp Gradient auxetic, với loạt hệ số Poisson điều chỉnh hiệu suất tác động độ vừa vặn miếng đệm [6] Giày Nike Flyknit Đệm mũ D30 Trust Hình 1.4 Auxetic thiết bị thể thao Ứng dụng quân Do có ưu điểm độ bền cao, khả hấp thụ lượng từ tải trọng va đập lớn, vật liệu auxetic sử dụng làm lớp vỏ bảo vệ an toàn chắn cho ngành công nghiệp ô tô, hành không vũ trụ, bảo vệ sở hạ tầng, xe tăng bọc thép [7] xem hình 1.5 Hình 1.5 Auxetic sử dụng xe bọc thép Ứng dụng y học Một lĩnh vực ứng dụng thú vị cho vật liệu kỹ thuật y sinh Sự phát triển vật liệu cho phép sản xuất mạch máu mở rộng thành chúng máu bơm phát triển công cụ chế phẫu thuật Ví dụ, xem xét Hình 1.6, nơi có chất làm giãn mạch máu Có tính đến đặc điểm rõ ràng vật liệu giãn nở chúng chịu tải trọng kéo, tìm thấy ứng dụng phổ biến sử dụng điều lợi