Luận văn ThS: Thiết kế tối ưu trọng lượng dầm composite có xét biến thiết kế phần trăm thể tích vật liệu nền và sợi

1. Mở đầu

1.1 Giới thiệu và đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp và khoa học kỹ thuật là sự khan hiếm dần các nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên. Ngoài ra, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, vật liệu tự nhiên sẽ được thay thế dần bởi các vật liệu nhân tạo. Các loại vật liệu mới bên cạnh việc đảm bảo các nhu cầu sử dụng còn phải đảm bảo các tiêu chí như: độ bền, nhẹ, có giá cả hợp lý, v.v. Trước các yêu cầu như trên, việc nghiên cứu phát triển các loại vật liệu tổ hợp hay còn gọi là vật liệu composite nhằm thay thế nguồn nguyên vật liệu truyền thống và đáp ứng được nhu cầu phát triển ngày càng trở nên cấp thiết

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong tất cả các hạng mục của mỗi công trình xây dựng dầm là một trong những kết cấu được sử dụng phổ biến nhất. Vì vậy, việc tính toán, thiết kế tối ưu trọng lượng của kết cấu dầm sẽ làm giảm đáng kể tổng trọng lượng của công trình và góp phần tiết kiệm đáng kể kinh phí xây dựng. Trong những năm gần đây, để giảm tải trọng công trình, bên cạnh việc thiết kế tối ưu trọng lượng, thì việc thay thế các kết cấu dầm truyền thống bằng các kết cấu dầm composite cũng được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, ứng xử của kết cấu dầm composite thường phức tạp hơn so với kết cấu dầm truyền thống

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu, thành lập và giải bài toán thiết kế tối ưu trọng lượng của kết cấu dầm composite. Bên cạnh các biến thiết kế truyền thống như: góc hướng sợi, chiều dày của các lớp, trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của tỉ lệ phần trăm thể tích của vật liệu nền và sợi lên mục tiêu thiết kế cũng được xem xét

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là kết cấu dầm composite lớp được gia cường bởi cốt sợi. Bài toán tối ưu hóa trọng lượng với biến thiết kế là phần trăm thể tích của vật liệu nền và sợi và chiều dày của các lớp.

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tính toán, thiết kế tối ưu hóa trọng lượng của kết cấu trong lĩnh vực xây dựng nói chung và của kết cấu dầm nói riêng luôn là yếu tố quan trọng, quyết định đến sự thành công của doanh nghiệp cũng như tiết kiệm đáng kể nguồn tài nguyên của quốc gia. Tuy nhiên, thực tế hiện tại các kỹ sư thiết kế vẫn chủ yếu đang tính toán thiết kế dựa trên những kinh nghiệm của mình

1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong những năm gần đây, nhờ những ưu điểm vượt trội của tính toán tối ưu, hoạt động nghiên cứu tối ưu hóa cho kết cấu dầm composite luôn nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Nhiều cách tiếp cận cũng như nhiều phương pháp tối ưu hóa khác nhau đã được đề xuất để giải bài toán tối ưu hóa cho kết cấu dầm

1.7 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, trong nước có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu composite. Tuy nhiên, các đề tài chủ yếu nghiên cứu về độ bền cơ học, về các phương pháp tạo sợi từ tự nhiên, về các quy luật ứng xử của vật liệu composite, cải thiện cơ tính đối với vật liệu composite bằng các phương pháp như: gia cường cho vật liệu, thay đổi thành phần nền hay cốt

2.1 Cơ sở lý thuyết

Vật liệu composite

Lý thuyết dầm composite

Lý thuyết tối ưu hóa

Giải thuật tiến hóa DE (Differential Evolution)

2.2 Kết quả số

So sánh kết quả phân tích ứng xử của dầm composite

Thiết kế tối ưu chỉ với biến thiết kế rf

Thiết kế tối ưu với biến rf và biến chiều dày tf đồng thời