Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X<br />
Hà Nội, 8-9/12/2017<br />
<br />
Mô phỏng số FFT hệ số dẫn vĩ mô vật liệu hai pha dạng<br />
nền-cốt liệu elliptic và các phương pháp xấp xỉ<br />
Nguyễn Văn Luật1, Nguyễn Trung Kiên2<br />
Đại học Công nghiệp Hà Nội<br />
Đại học Giao thông vận tải Hà Nội<br />
1<br />
<br />
2<br />
<br />
Email: luatnv1980@gmail.com<br />
Tóm tắt<br />
Bài báo trình bày phương pháp biến đổi Fourier (FFT) để tính hệ số dẫn vĩ mô cho vật liệu hai pha dạng nềncốt liệu trong không gian hai chiều, trong đó pha cốt liệu có hình dạng elliptic. Xác định tính chất dẫn vĩ mô (tính chất<br />
dẫn hiệu quả) của vật liệu bằng phương pháp FFT đối với một số mô hình tuần hoàn trong không gian hai chiều, có tỉ<br />
lệ thể tích giữa các pha thay đổi và so sánh với các phương pháp xấp xỉ khác.<br />
Từ khóa: hệ số dẫn, cốt liệu dạng elliptic, phương pháp biến đổi Fourier<br />
<br />
1. Mở đầu<br />
Các loại vật liệu tổ hợp ngày nay được áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời<br />
sống. Việc nghiên cứu tính chất dẫn vĩ mô hay đồng nhất hóa vật liệu được nhiều nhà khoa học quan tâm<br />
nghiên cứu và đã đưa ra nhiều kết quả xấp xỉ cho các mô hình vật liệu khác nhau. Đối với các mô hình vật<br />
liệu trong tính toán để cho đơn giản có thể được lý tưởng hóa hình học dưới dạng cốt liệu hình cầu hoặc<br />
trong không gian hai chiều là hình tròn. Tuy nhiên trong thực tế cốt liệu có những hình dạng phức tạp hơn<br />
nhiều và cần xấp xỉ dưới dạng hình học không tròn mà có dạng như elliptic. Tính chất vĩ mô của vật liệu tổ<br />
hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp như cấu trúc hình học pha, các tính chất của vật liệu thành phần,<br />
tỷ lệ thể tích giữa các pha. Do đó trong các nghiên cứu chủ yếu chỉ tìm được cận trên, dưới và các công thức<br />
xấp xỉ áp dụng cho một số mô hình vật liệu. Hướng tiếp cận để tính xấp xỉ cho các mô hình như của<br />
(Maxwel,1884), (Winner, 1912), (Voight, 1928), (Reuss, 1929), (Bruggeman, 1935), (Hamilton and crosser,<br />
1962), (Lewis and Nielsen, 1970), (Mori and Tanaka, 1973). Một hướng tiếp cận khác là xây dựng biên trên<br />
và biên dưới cho hệ số dẫn vĩ mô như (Hill, 1952), (Hashin and Strikman, 1962), (Pham DC, 1996)…Ngoài<br />
ra các phương pháp số hiện nay cũng là cách tiếp cận hiệu quả trong việc xác định tính chất vĩ mô của vật<br />
liệu như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp biến đổi Fourier (FFT). Phương pháp FFT áp<br />
dụng trong lĩnh vực cơ học vật liệu tính mô đun đàn hồi cho vật liệu tổ hợp được đề xuất đầu tiên vào năm<br />
bởi (Moulicec and Subquet, 1994). Trong bài báo này sử dụng phương pháp FFT để tính hệ số dẫn vĩ mô<br />
cho một số mô hình vật liệu hai pha với pha cốt liệu có hình học dạng elliptic được sắp xếp tuần hoàn trong<br />
pha nền, trong đó có so sánh với các phương pháp xấp xỉ khác.<br />
<br />
2. Phương pháp biến đổi Fourier (FFT)<br />
Nội dung cơ bản của phương pháp biến đổi Fourier là thiết lập được phương trình LippmanSchwinger đối với bài toán không đồng nhất và sử dụng toán tử Green tuần hoàn. Sau đó sử dụng thuật toán<br />
lặp. Ứng xử của các vật liệu thành phần được mô tả bởi định luật Fourier:<br />
<br />
J (x) = -C(x).E(x)<br />
<br />
(1)<br />
<br />
Nguyễn Văn Luật, Nguyễn Trung Kiên<br />
<br />
trong đó E(x) và J (x) lần lượt là trường gradient nhiệt độ và dòng nhiệt địa phương thỏa mãn phương<br />
trình cân bằng<br />
<br />
E(x) T (x), . J ( x) 0<br />
Trường gradient E(x) và T (x) có thể tách thành các thành phần sau:<br />
<br />
(2)<br />
<br />
E(x) E0 e per<br />
T (x) E0·x T per<br />
<br />
(3)<br />
<br />
per<br />
trong đó E0 là gradient vĩ mô đồng nhất đối với phần tử đặc trưng, e gọi là thành phần nhiễu có tính<br />
chất tuần hoàn. Do tính chất tuần hoàn nên ta có:<br />
<br />
e per (x)V 0; E0 E(x)V<br />
với ký hiệu •V là trung bình trên trên thể tích của phần tử đặc trưng V, •V <br />
<br />
(4)<br />
1<br />
•dx.<br />
V V<br />
<br />
Bài toán trên phần tử đặc trưng có thể quy về tìm các thành phần T per , e per . Đưa vào môi trường làm chuẩn<br />
có hệ số dẫn C0 , phương trình cân bằng trở thành<br />
<br />
·J ·(C 0 C )E(x) 0<br />
<br />
(5)<br />
<br />
với C (x) C (x) C 0<br />
Thay E(x) từ (2) vào (5) viết lại dưới dạng tương đương sau<br />
<br />
·C 0T per ·τ (x) 0<br />
trong đó tenxơ τ( x) gọi là tenxơ "cực" được xác định bởi : τ (x) C (x) E0 e per (x) <br />
<br />
(6)<br />
<br />
, e per và τ (x) được biểu diễn dưới dạng chuỗi Fourier:<br />
1<br />
(7)<br />
F(x) Fˆ ( )ei .x , Fˆ ( ) F(x)ei .x F(x)ei .x dx<br />
VV<br />
<br />
per<br />
per<br />
ˆ per , eˆ per và ˆ .<br />
trong đó F chỉ T , e và τ( x) , còn Fˆ là biến đổi Fourier của các đại lượng này, đó là T<br />
Do tính chất chu kỳ của phần tử đặc trưng nên T<br />
<br />
per<br />
<br />
Ở đây tính chất tuần hoàn được thể hiện bởi<br />
d<br />
<br />
ei .( x h ) ei .x , h 2m j a j e j , ( j 1, 2,..., d )<br />
<br />
(8)<br />
<br />
j 1<br />
<br />
với m j là số nguyên bất kỳ, 2a j là kích thước của phần tử đặc trưng song song với trục x j , e j là vectơ cở<br />
sở theo hướng x j , d là số chiều của không gian.<br />
<br />
k ek , j <br />
<br />
n j<br />
aj<br />
<br />
Thay các biểu diễn dạng chuỗi Fourier của T<br />
<br />
(n j 0, 1, 2...) , không tổng theo j<br />
per<br />
<br />
, e per và τ(x) vào phương trình (6) thu được<br />
<br />
0<br />
( mCmj<br />
j )Tˆ per ( )ei .x i mˆ( )ei .x 0<br />
<br />
<br />
<br />
per<br />
per<br />
từ đó các trường Tˆ và eˆ có thể xác định như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
(9)<br />
<br />
Mô phỏng số FFT hệ số dẫn vĩ mô vật liệu hai pha dạng nền- cốt liệu elliptic và các phương pháp xấp xỉ<br />
<br />
i .ˆ( ) per<br />
.ˆ( )<br />
Tˆ per <br />
, eˆ ( ) i Tˆ per ( ) <br />
Γˆ 0 ( ).ˆ( )<br />
0<br />
0<br />
.C <br />
.C <br />
0<br />
trong đó Γ ( ) là toán tử Green phụ thuộc môi trường đồng nhất C0 được xác định bởi<br />
<br />
Γ 0 ( ) <br />
.C 0<br />
<br />
(10)<br />
<br />
(11)<br />
<br />
Từ đó thu được phương trình Lippman-Schwinger<br />
<br />
ˆ ( ) E<br />
ˆ 0 ( ) Γ<br />
ˆ 0 ( ).ˆ( ) E<br />
ˆ 0 ( ) Γ<br />
ˆ 0 ( ). (C ( ) C 0 )* Eˆ ( ) <br />
E<br />
<br />
<br />
<br />
(12)<br />
<br />
Nghiệm của phương trình được tìm bởi sơ đồ lặp sau:<br />
<br />
ˆ i 1 ( ) Γˆ 0 ( )·(C ( ) C 0 ) E<br />
ˆ i ( ), 0<br />
E<br />
<br />
<br />
(13)<br />
i 1<br />
ˆ E0 , 0<br />
E<br />
Chú ý rằng Γ0·C 0 Ei ( ) Ei ( ) với 0 xem Michel(1999-[5]), phương trình (13) được viết lại<br />
dưới dạng sau:<br />
<br />
ˆ i 1 ( ) E<br />
ˆ i ( ) Γˆ 0 ( ).Jˆ i ( ), 0<br />
E<br />
(14)<br />
i 1<br />
ˆ E0 , 0<br />
E<br />
trong đó Jˆ i ( ) là biến đổi Fourier của J i ( x) . Liên hệ giữa trường dòng J và trường gradient E trong<br />
không gian Fourier được biểu diễn bằng biểu thức:<br />
<br />
ˆ ( )<br />
Jˆ ( ) C ( )* E<br />
<br />
(15)<br />
<br />
trong đó ký hiệu "*" là tích "convolution". Biến đổi Fourier của tenxơ hệ số dẫn:<br />
<br />
C ( ) C (x)ei .x dx C I ( )<br />
<br />
(16)<br />
<br />
<br />
<br />
V<br />
<br />
với C , I lần lượt là tenxơ hệ số dẫn và hàm dạng của pha , I ( ) được xác định theo Nemat-Nasser<br />
(1999-[7]):<br />
<br />
I ( ) <br />
<br />
1<br />
ei .x dV<br />
<br />
V V<br />
<br />
(17)<br />
<br />
Thay các biểu thức (15), (16) vào (14) thu được<br />
<br />
ˆ i 1 ( ) E<br />
ˆ i ( ) Γˆ 0 ( ). C I ( ) * E<br />
ˆ i ( ), 0<br />
E<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
i<br />
<br />
1<br />
0<br />
ˆ E , 0<br />
E<br />
<br />
(18)<br />
<br />
Để xác định hệ số dẫn vĩ mô của vật liệu composite, cho phần tử đặc trưng chịu tác dụng của gradient vĩ mô<br />
E0 . Khi quá trình lặp theo (18) hội tụ (số hạng đầu tiên E1 E0 ), ta có<br />
<br />
J( 0) C eff E0<br />
eff<br />
<br />
(19)<br />
<br />
trong đó C là hệ số dẫn hiệu quả của vật liệu composite. Từ đó rút ra thuật toán số để xác định hệ số dẫn<br />
của vật liệu nhiều thành phần có cấu trúc tuần hoàn:<br />
<br />
Nguyễn Văn Luật, Nguyễn Trung Kiên<br />
<br />
ˆ 1 ( ) 0 0; E<br />
ˆ 1 (0) E0<br />
Bước i=1: E<br />
<br />
ˆ 1 ( )<br />
Jˆ 1 ( ) C ( )* E<br />
ˆ i ( ) và Jˆ i ( ) đã biết<br />
Bước i: E<br />
Kiểm tra hội tụ<br />
i<br />
<br />
ˆ i 1 ( ) E<br />
ˆ i ( ) Γˆ 0 ( ).J ( )<br />
E<br />
ˆ i 1 ( )<br />
Jˆ i 1 ( ) C ( )* E<br />
Kiểm tra điều kiện hội tụ được xác định bằng biểu thức sau:<br />
<br />
‖ Jˆ i 1 ( ) Jˆ i ( ) ‖<br />
, với<br />
‖ Jˆ i ( ) ‖<br />
<br />
3<br />
là sai số cho trước ( 10 )<br />
<br />
3. Một số phương pháp xấp xỉ<br />
Trong mục này giới thiệu một số phương pháp tính xấp xỉ, đánh giá hệ số dẫn vĩ mô (Ceff) của vật liệu<br />
nền-cốt liệu dạng elliptic đẳng hướng trong không gian hai chiều với các ký hiệu: CI, vI là hệ số dẫn và tỉ lệ<br />
thể tích của pha cốt liệu, CM, vM là hệ số dẫn và tỉ lệ thể tích của pha nền.<br />
3.1.1 Xấp xỉ Hamilton (1962-[1])<br />
<br />
C eff CM .<br />
với n <br />
<br />
3<br />
<br />
<br />
<br />
CI (n 1)CM (n 1)vI (CM CI )<br />
CI (n 1)CM vI (CM CI )<br />
<br />
(20)<br />
<br />
, là thông số hình học của cốt liệu, trong trường hợp cốt liệu dạng elliptic 0.4 .<br />
<br />
3.1.2 Xấp xỉ Maxwell (1892-[1])<br />
C eff (<br />
<br />
vI<br />
vM<br />
<br />
) 1 (d 1)CM<br />
CI (d 1)CM CM (d 1)CM<br />
<br />
(21)<br />
<br />
3.1.3 Xấp xỉ Lewis-Nielsen (1970-[1])<br />
<br />
C eff<br />
<br />
CI<br />
1<br />
1 m<br />
CM<br />
1 A vI<br />
, <br />
, 1<br />
CM .<br />
vI<br />
2<br />
CI<br />
1 vI<br />
<br />
m<br />
A<br />
CM<br />
<br />
(22)<br />
<br />
Trong đó A, m là các hệ số hình học cốt liệu (lấy giá trị A=1.5, m 1 với hình cầu, A=3, m 0.637<br />
với hình dạng khác).<br />
3.1.4 Xấp xỉ Mori-Tanaka (1973-[4])<br />
Trong không gian hai chiều, cốt liệu elliptic xấp xỉ Mori-Tanaka có dạng:<br />
<br />
C eff CM vI (CI CM ).<br />
<br />
(23)<br />
<br />
Mô phỏng số FFT hệ số dẫn vĩ mô vật liệu hai pha dạng nền- cốt liệu elliptic và các phương pháp xấp xỉ<br />
<br />
trong đó <br />
<br />
CM (CI CM )(1 r )2<br />
, r là tỉ số giữa hai bán trục chính của elliptic.<br />
2(CI rCM )(CM rCI )<br />
<br />
3.1.5 Đánh giá Hashin-Strikman (1962-[3])<br />
Hashin-Strikman dựa trên nguyên lý biến phân riêng đưa vào trường khả dĩ phân cực đã xây dựng<br />
được đánh giá trên và dưới cho hệ số dẫn vĩ mô của vật liệu nhiều thành phần đẳng hướng.<br />
<br />
PC ((d 1)Cmin ) C eff PC ((d 1)Cmax ),<br />
<br />
(24)<br />
<br />
1<br />
<br />
<br />
v <br />
PC (C0 ) <br />
C* ,<br />
C C* <br />
C* (d 1)C0 , Cmin min C1 , , Cn , Cmax max C1 , , Cn <br />
4. Kết quả so sánh<br />
Trong mục này sẽ đưa ra kết quả tính toán FFT hệ số dẫn vĩ mô cho một số mô hình vật liệu có cốt<br />
liệu dạng elliptic trong không gian hai chiều và so sánh với các phương pháp xấp xỉ khác. Hàm dạng (17)<br />
cho cốt liệu elliptic trong không gian hai chiều [2]<br />
<br />
(25)<br />
I ( ) 2S J1 ( ) / .ei .xc ( )<br />
Trong đó J1 là hàm Bessel loại 1, S là diện tích bề mặt của cốt liệu, xc ( ) là véc tơ xác định vị trí trọng<br />
tâm của pha cốt liệu <br />
<br />
( 12 a12 22 a22 )1/2<br />
a1 , a2 là độ dài các bán trục chính của cốt liệu elliptic, 1 , 2 là các thành phần của theo các trục của<br />
elliptic.<br />
- Kết quả tính toán FFT cho mô hình vật liệu có cốt liệu elliptic sắp xếp tuần hoàn trong phần tử đặc<br />
trưng (unit cell) theo hình vuông (square) và so sánh với các mô hình xấp xỉ khác. Do cốt liệu không chồng<br />
lấn nên tỉ lệ thể tích cốt liệu chỉ có thể tăng đến một giới hạn nhất định. Trên hình 2 với pha nền có hệ số<br />
dẫn CM=1, pha cốt liệu có hệ số dẫn CI=10, a2 0.2a1 , trong trường hợp này cả FFT và các xấp xỉ khác<br />
đều nằm trong đánh giá của Hashin-Strickman (HS) và gần nhau khi tỉ lệ thể tích cốt liệu nhỏ. Kết quả trên<br />
hình 3 với CM=10, CI=2 thì có thể thấy chỉ có FFT nằm trong đánh giá của HS, điều này khẳng định độ tin<br />
cậy của phương pháp FFT so với các phương pháp xấp xỉ trước đó.<br />
<br />
Hình 1: Mô hình cốt liệu elliptic có cấu trúc tuần hoàn<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
