Tối ưu tấm sandwich FGM có gân gia cường xiên góc dựa trên tần số dao động tự do

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2025, 19 (4V): 56–73

TỐI ƯU TẤM SANDWICH FGM CÓ GÂN GIA CƯỜNG XIÊN GÓC

DỰA TRÊN TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ DO

Trần Hữu Quốca, Vũ Văn Thẩma,∗

aKhoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội,

55 đường Giải Phóng, phường Bạch Mai, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 29/9/2025, Sửa xong 12/11/2025, Chấp nhận đăng 18/11/2025

Tóm tắt

Nghiên cứu này tập trung vào tối ưu hóa thiết kế tấm sandwich FGM có gân gia cường xiên góc nhằm đạt tần số cơ bản lớn

nhất. Tấm được cấu tạo bởi hai lớp bề mặt làm từ vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM), lớp lõi bằng vật liệu xốp có cơ tính

biến thiên (FGP), và được gia cường bằng các gân xiên góc nhằm tăng cường độ cứng. Mô hình phần tử hữu hạn (FEM)

dựa trên lý thuyết biến dạng trượt bậc nhất của Mindlin (FSDT) và kỹ thuật san đều gân Lekhnitskii được xây dựng. Bài

toán tối ưu được giải quyết bằng thuật toán Rao-3, một phương pháp tối ưu hóa hiện đại không yêu cầu các tham số phức

tạp. Các biến thiết kế bao gồm: số lượng gân, phương đặt gân (góc xiên) và cấu hình của tấm sandwich. Các kết quả số đã

chứng minh tính chính xác và độ tin cậy của mô hình đề xuất. Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hưởng của các tham

số thiết kế đến tần số cơ bản của tấm. Bằng cách tối ưu hóa, tần số cơ bản của tấm được cải thiện đáng kể, qua đó nâng cao

hiệu suất và khả năng chịu tải của tấm.

Từ khoá: sandwich; FGM; gân gia cường; tối ưu; thuật toán Rao-3.

OPTIMIZATION OF SANDWICH FGM PLATE REINFORCED BY ARBITRARILY OBLIQUE

STIFFENERS BASED ON NATURAL VIBRATION FREQUENCY

Abstract

This study focuses on optimizing the design of functionally graded material (FGM) sandwich plates with oblique stiffeners to

maximize the fundamental frequency. The plate consists of two FGM face sheets, a porous core made of functionally graded

porous material (FGP), and angled stiffeners to enhance its stiffness. A finite element model (FEM) based on Mindlin’s first-

order shear deformation theory (FSDT) and the Lekhnitskii’s stiffener-smearing technique is developed. The optimization

problem is solved using the Rao-3 algorithm, a modern optimization method that requires no complex parameter tuning.

Design variables include the number of stiffeners, their orientation (oblique angle), and the sandwich plate configuration.

Numerical results validate the accuracy and reliability of the proposed model. Additionally, the study elucidates the influence

of design parameters on the fundamental frequency. Through optimization, the fundamental frequency of the plate is

significantly improved, thereby enhancing its performance and load-bearing capacity.

Keywords: sandwich; FGM; stiffened plates; optimization; Rao-3.

1. Giới thiệu

Kết cấu sandwich, với đặc trưng gồm hai lớp mặt mỏng có độ bền cao kẹp một lớp lõi dày và nhẹ,

sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm tỉ số độ bền trên khối lượng và độ cứng trên khối lượng rất

cao. Kết cấu này giúp giảm trọng lượng tổng thể trong khi vẫn duy trì khả năng chịu tải ấn tượng. Vì

vậy, sandwich đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ dân dụng, cánh máy bay,

thân tàu thủy cho đến các bộ phận của tàu vũ trụ. Khả năng làm việc của kết cấu phụ thuộc chủ yếu

vào việc lựa chọn vật liệu cho lớp bề mặt và lớp lõi.

Các nghiên cứu về kết cấu sandwich đã chỉ ra sự đa dạng trong vật liệu được sử dụng cho lớp mặt

và lớp lõi. Các lớp mặt bằng kim loại [1] nổi bật với độ bền và độ cứng cao, nhưng nhược điểm là

khối lượng lớn. Vì vậy, vật liệu composite đã trở thành lựa chọn thay thế tiềm năng nhờ ưu điểm về

độ bền riêng cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Đặc biệt, vật liệu có cơ tính biến thiên

(FGM) được ứng dụng làm lớp mặt nhằm tăng cường khả năng chịu nhiệt và kháng tác nhân hóa học

∗Tác giả đại diện. Địa chỉ e-mail: thamvv@huce.edu.vn (Thẩm, V. V.)

Quốc, T. H., Thẩm, V. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

trong môi trường khắc nghiệt [2]. Đối với lớp lõi, nhiều dạng kết cấu đã được nghiên cứu, mỗi loại

mang lại những lợi ích riêng. Các lõi có kết cấu dạng tổ ong [3,4], lượn sóng [5] và mạng tinh thể

[6] nổi bật với độ bền riêng và độ cứng cao, đồng thời có khả năng chống va đập tốt. Trong khi đó,

lõi xốp [7] lại ưu thế hơn về khả năng hấp thụ năng lượng và cách âm. Ngoài việc cải tiến vật liệu,

việc tích hợp các gân gia cường cũng là một giải pháp hữu hiệu nhằm tăng cường hiệu suất và khả

năng chịu lực của tấm sandwich. Giải pháp này đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng nghiên

cứu, vì chúng cho phép điều chỉnh độ cứng cục bộ mà không làm tăng đáng kể khối lượng tổng thể.

Các nghiên cứu về tấm sandwich có gân gia cường đã được công bố rộng rãi, từ phân tích tĩnh đến

động [8–10]. Nhiều phương pháp được áp dụng để phân tích tấm có gân gia cường, trong đó phương

pháp phần tử hữu hạn (FEM) được xem là công cụ hiệu quả [11–13]. Bên cạnh đó, kỹ thuật san đều

tác dụng của gân là một phương pháp nổi bật, giúp đơn giản hóa bài toán bằng cách coi các gân gia

cường được phân bố đều trên tấm [14–16]. Các nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để phân tích các

cấu trúc có gân gia cường làm từ vật liệu nguyên khối [17] cũng như composite và FGM [18,19].

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào tấm sandwich có gân gia cường trực giao, song

cách tiếp cận này bị hạn chế khi áp dụng cho các kết cấu có hình học phức tạp. Để khắc phục nhược

điểm đó, các nghiên cứu gần đây đã chuyển hướng sang khảo sát tấm sandwich có gân gia cường xiên

góc. Một số nghiên cứu tiêu biểu có thể kể đến như công trình của Quan và cs. [20], trong đó nhóm

tác giả đã phân tích ổn định phi tuyến của vỏ sandwich FGM có gân gia cường xiên lệch tâm. Dong

và cs. [21] sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc cao (HSDT) để khảo sát đặc tính mất ổn định và uốn

của tấm sandwich FGM có gân xiên. Tương tự, Cong và cs. [22] đã nghiên cứu dao động phi tuyến

của tấm sandwich có gân gia cường xiên trong khuôn khổ lý thuyết FSDT. Tuy nhiên, các công trình

này nhìn chung vẫn giới hạn trong phạm vi bố trí gân gia cường theo dạng lưới cố định.

Từ tổng quan trên có thể thấy rằng, mặc dù đã có những nỗ lực nghiên cứu về tấm sandwich có

gân xiên, nhưng vẫn thiếu một khảo sát toàn diện về đặc tính của loại kết cấu này, đặc biệt khi các

gân được bố trí với góc lệch tùy ý. Nhằm lấp đầy khoảng trống đó, bài báo này tập trung vào việc tối

ưu hóa tấm sandwich FGM có gân xiên góc dựa trên tiêu chí tần số dao động tự do cơ bản. Việc lựa

chọn tiêu chí tối ưu này được biện giải dựa trên các lý do sau: (1) Tần số dao động cơ bản tỉ lệ thuận

với độ cứng uốn tổng thể của kết cấu. Do đó, việc tối đa hóa tần số này thường được coi là phương

pháp tối ưu đơn giản và hiệu quả để nâng cao độ cứng tổng thể, từ đó cải thiện cả khả năng chịu tải

tĩnh và động; (2) Đối với các kết cấu chịu kích thích động tần số thấp (như rung động máy móc, tải

trọng gió, hay động đất), tần số cơ bản là tần số dễ bị kích thích nhất và thường nằm gần các dải tần

kích thích phổ biến. Việc tối đa hóa tần số cơ bản sẽ đẩy kết cấu ra khỏi dải tần nguy hiểm này, đảm

bảo độ an toàn; (3) Tối ưu đa tần số (hoặc tối ưu đa mục tiêu) làm tăng đáng kể độ phức tạp tính toán

do yêu cầu phải theo dõi các dạng dao động (mode tracking) và xử lý không gian mục tiêu lớn hơn.

Việc giới hạn ở tần số cơ bản giúp đơn giản hóa bài toán, đặc biệt khi sử dụng các thuật toán mới như

Rao-3, giúp chứng minh hiệu quả của thuật toán trên một bài toán đơn giản, rõ ràng. Cách tiếp cận tối

đa hóa tần số cơ bản này cũng đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu về tối ưu hóa các kết

cấu composite và sandwich trên các tạp chí uy tín [23–25]. Để thực hiện mục tiêu, một mô hình tính

toán được xây dựng kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất

với kỹ thuật san bằng gân của Lekhnitskii, nhằm phân tích đặc tính dao động của kết cấu. Cuối cùng,

thuật toán Rao-3 được áp dụng để xác định cấu hình gân gia cường tối ưu, từ đó nâng cao hiệu suất

làm việc của kết cấu phức tạp này.

Quốc, T. H., Thẩm, V. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

2. Mô hình lý thuyết

2.1. Mô tả bài toán

Xét tấm sandwich có chiều dài a, chiều rộng bvà chiều cao hnhư trình bày trên Hình 1. Tấm được

gia cường bởi các hệ gân theo các phương αi, các gân gia cường có mặt cắt ngang hình chữ nhật với

kích thước hg

i×bg

i. Trên mỗi phương αi, các gân được giả thiết là có kích thước mặt cắt ngang như

nhau và cách đều với khoảng cách di. Các phương αihợp với phương trục xmột góc θi.

Hình 1. Mô hình tấm sandwich FGM/FGP có gân gia cường

2.2. Mô hình vật liệu

Hai lớp bề mặt của tấm và các gân gia cường được làm bằng vật liệu FGM, lớp lõi được làm bằng

vật liệu xốp có cơ tính biến thiên (FGP). Để đảm bảo tính liên tục của vật liệu giữa các lớp, vật liệu

gốc của lớp lõi được sử dụng là thành phần kim loại ở hai lớp bề mặt. Theo phương chiều dày, mặt

dưới của gân, mặt dưới của tấm, mặt dưới của lớp lõi, mặt trên của lớp lõi và mặt trên của tấm lần lượt

có tọa độ là z0=−h/2−hg,z0=−h/2,z2=−hc/2,z3=hc/2và z4=h/2. Tính chất vật liệu hiệu

dụng F(z)của gân và hai lớp bề mặt gồm module đàn hồi E, khối lượng riêng ρvà hệ số Poisson υ

được xác định theo công thức sau:

F(z)=VcFc+VmFm(1)

trong đó Fcvà Fmlần lượt là tính chất của hai vật liệu thành phần gốm và kim loại. Vcvà Vm, là tỷ lệ

thể tích của gốm và kim loại, được xác định như sau:

Vc= z0−z

z0−z1!pz

,z∈[z0;z1]

Vc= z−z2

z1−z2!pz

,z∈[z1;z2]

Vc= z3−z

z3−z4!pz

,z∈[z3;z4]

Vm=1−Vc

(2)

Quốc, T. H., Thẩm, V. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Tính chất vật liệu của lớp lõi FGP được xác định theo công thức:

E(z)=Em(1−e0ψ(z)) ,z∈[z2;z3]

ρ(z)=ρm(1−emψ(z)) ,z∈[z2;z3]

em=1−p1−e0

(3)

trong đó e0là hệ số lỗ rỗng, emlà hệ số mật độ nền, ψ(z)là tham số phụ thuộc vào dạng phân bố lỗ

rỗng và được xác định như sau:

ψ(z)=cos πz

hc!khi lỗ rỗng phân bố đối xứng (SPD)

ψ(z)=cos πz

2hc

+π

4!khi lỗ rỗng phân bố bất đối xứng (APD)

ψ(z)=1

−1

e0 2

πp1−e0−2

π+1!2

khi lỗ rỗng phân bố đều (UPD)

(4)

2.3. Lý thuyết FSDT cho tấm sandwich FGM/FGP có gân gia cường

Trong nghiên cứu này, lý thuyết tấm FSDT được sử dụng để xét đến biến dạng cắt ngang, phù hợp

cho phân tích các tấm composite có độ dày trung bình. Lý thuyết này được áp dụng để thiết lập mô

hình FEM. Trường chuyển vị được định nghĩa như sau:

u(x,y,z,t)=u0(x,y,t)+zϕx(x,y,t)

v(x,y,z,t)=v0(x,y,t)+zϕy(x,y,t)

w(x,y,z,t)=w0(x,y,t)

(5)

trong đó u0,v0,w0là các thành phần chuyển vị của mặt trung tính theo phương x,y,z;ϕx, ϕylà góc

xoay của tiết diện ngang quanh trục yvà x;zlà tọa độ theo chiều dày tấm; và tlà biến thời gian. Các

thành phần biến dạng được xác định bởi:

{ε}={ε0}+z{κ}

{γ}={γ0}(6)

trong đó {ε}=nεxεyγxyoTvà {γ}=nγyz γxzoT;{ε0},{κ}và {γ}lần lượt là các thành biến dạng

màng, biến dạng uốn và biến dạng cắt ngang. Các thành phần biến dạng này được xác định theo:

{ε0}=nεx0εy0γxy0oT=nu0,xv0,yu0,y+v0,xoT

{κ}=nκxκyκxyoT=nϕx,xϕy,yϕx,y+ϕy,xoT

{γ0}=nγxz0γyz0oT=nw0,x+ϕxw0,y+ϕyoT

(7)

Quan hệ ứng suất-biến trong lớp kcủa tấm dạng được xác định như sau:











σk

τk

















11 Ck

12 0 0 0

12 Ck

22 0 0 0

0 0 Ck

66 0 0

0 0 0 Ck

55 0

0 0 0 0 Ck

















εx

εy

γxy

γyz

γxz











(8)

Quốc, T. H., Thẩm, V. V. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

với Ci j là các hệ số đàn hồi phụ thuộc vào E(z)và υ(z):

11 =Ck

22 =Ek(z)

1−υk(z)2,Ck

12 =υk(z)Ek(z)

1−υk(z)2,Ck

44 =Ck

55 =Ck

66 =Ek(z)

21−υk(z)(9)

Các gân gia cường được xem là các dầm, do đó quan hệ ứng suất biến dạng trong gân thứ iđược

xác định trong hệ tọa độ địa phương của gân như sau:

(σg

αi

τg

αiz)="Eg(z)0

0Gg(z)#(γg

αi

γg

αiz)với Gg(z)=Eg(z)

2[1+υg(z)](10)

Thực hiện chuyển trục các thành phần ứng suất trong gân từ phương αivề hệ trục (x,y)[26]:











σg

















C11 ¯

C12 ¯

C16 0 0

C12 ¯

C22 ¯

C26 0 0

C16 ¯

C26 ¯

C66 0 0

0 0 0 ¯

C44 ¯

C45

0 0 0 ¯

C45 ¯

C55

















εx

εy

γxy

γyz

γxz











(11)

trong đó ¯

Ci j là các hệ số đàn hồi được chuyển sang hệ trục (x,y):

C11 =E(z)cos4αi;¯

C12 =E(z)cos2αisin2αi;¯

C16 =E(z)cos3αisin αi

C22 =E(z)sin4αi;¯

C26 =E(z)cos αisin3αi;¯

C66 =E(z)cos2αisin2αi

C44 =G(z)sin2αi;¯

C45 =G(z)cos αisin αi;¯

C55 =G(z)cos2αi

(12)

2.4. Công thức phần tử hữu hạn

a. Ma trận độ cứng và ma trận khối lượng

Để phân tích bằng FEM, tấm được chia thành các phần tử tứ giác 4 nút với 5 bậc tự do mỗi nút.

Ma trận độ cứng phần tử [Ke]và ma trận khối lượng phần tử [Me]được rút ra từ việc áp dụng nguyên

lý công ảo:

δΠ = δU−δT=0(13)

trong đó Ulà thế năng biến dạng đàn hồi:

U=1

2ZΩ{ε0}T[A]{ε0}+{ε0}T[B]{κ}+{κ}T[D]{κ}+{γ}T[Ac]{γ}dΩ(14)

với [A],[B],[D]và [Ac]là các ma trận độ cứng vật liệu, được xác định bằng cách tích phân các tính

chất vật liệu theo chiều dày có sử dụng kỹ thuật san đều tác dụng gân Lekhnitskii và được trình bày

trong Phụ lục.

Tlà động năng:

T=1

2ZV

ρ(z)˙u2dV (15)

Từ đó xác định được ma trận độ cứng và ma trận khối lượng của phần tử như sau:

[Ke]=ZΩ

[Be]

[De] [Be]dΩ

[Me]=ZΩ

[N]

[I] [N]dΩ

(16)

Tối ưu tấm sandwich FGM có gân gia cường xiên góc dựa trên tần số dao động tự do

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi