Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ compozit tròn xoay chịu áp lực trong

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ compozit tròn xoay chịu áp lực trong

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ THANH VÂN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ QUẤN VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỊU ÁP LỰC TRONG Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Trần Ngọc Thanh 2. PGS.TS Phạm Tiến Đạt Phản biện 1: GS.TS Hoàng Xuân Lượng Phản biện 2: PGS.TS Vũ Ngọc Pi Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trang Minh Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 2021. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Trần Ngọc Thanh, Trần Thị Thanh Vân: “Thiết kế máy quấn tự động 4 bậc trục dùng chế tạo bình trụ có hai đáy từ vật liệu composite”. Tạp chí Cơ khí Việt Nam. Số 1+2 năm 2016. 2. Tran Thi Thanh Van, Tran Ngoc Thanh, Pham Ngoc Vương, Nguyen Duong Nam: “Calculation of cylindrical products made of composite meterials using wrap technology”. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments; Volume 42(2), 2019, pp. 76 – 78. 3. Tran Ngoc Thanh, Pham Tien Dat, Tran Thi Thanh Van, Nguyen Duong Nam:“Research using composite meterials in manufacturing pressureresistant circular details with the two spherical bottom by winding technology”. Journal of Mechanical Engineering Research and Developments; Volume 42(5), 2019, pp. 74 - 78 . 4. Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh:“Nghiên cứu xây dựng mô hình và tính toán các thông số công nghệ chế tạo bình dưỡng khí hình trụ cho thiết bị thoát hiểm khẩn cấp trên tàu làm bằng vật liệu composite với công nghệ quấn ”.Tạp chí Giao thông vận tải số 7 năm 2020. 5. Trần Thị Thanh Vân1, Lê Văn Hào2, Trần Ngọc Thanh2: “Thiết kế máy quấn phẳng tự động dùng chế tạo bình cao áp hình trụ từ vật liệu composite”. Tạp chí cơ khí số 4 năm 2020. 6. Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến: “Xây dựng mô hình tính toán cho thiết kế biên dạng bình composite được quấn theo đường phi trắc địa”. Tạp chí khoa học và công nghệ Hàng Hải số 8 năm 2020. 7. Dinh Van Hien, Tran Ngoc Thanh, Vu Tung Lam, Tran Thi Thanh Van, Le Van Hao: “Design of planar wound composite vessel based on preventing slippage tendency of fibers”, Journal of Composite Structures, pp 1-14. 8. Đinh Văn Hiến, Trần Ngọc Thanh, Vũ Tùng Lâm, Lê Văn Hào, Trần Thị Thanh Vân : ” Biên dạng đáy vỏ compozit dạng trụ lỗ cực hở nhận được bằng phương pháp quấn phẳng”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, Số đặc san-kỷ niệm 60 năm thành lập Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, 10-2020, pp.274-281.
4. 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu phát triển các kết cấu chịu lực nói chung và kết cấu vỏ tròn xoay nói riêng từ vật liệu composite cốt sợi độ bền cao bằng phương pháp quấn đang là xu thế phát triển trên thế giới. Vật liệu compozit cốt sợi độ bền cao với ưu việt nổi trội là chúng có độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao hơn hẳn vật liệu kết cấu truyền thống, nhờ đó, các kết cấu composite bền hơn, cứng vững hơn, nhẹ và an toàn hơn. Một đặc trưng của các kết cấu được chế tạo từ composite là quá trình hình thành kết cấu đồng thời cũng là quá trình tạo ra vật liệu theo một công nghệ xác định. Nói cách khác mối quan hệ giữa “ Vật liệu – Kết cấu – Công nghệ ” cho một sản phẩm là không thể tách rời. Trên thế giới, nghiên cứu thiết kế các kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ vật liệu composite bằng công nghệ quấn khá đa dạng và phong phú, song do đặc thù quan hệ “Vật liệu-Kết cấu-Công nghệ” của vật liệu composite nên việc nghiên cứu thiết lập các giải pháp kết cấu và công nghệ chế tạo các kết cấu kiểu này vẫn tiếp tục thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm và cần thiết phải đặt ra trong giai đoạn hiện nay, nhất là khi việc ngiên cứu làm chủ thiết kế và công nghệ chế tạo các kết cấu composite tròn xoay ở Việt Nam mới ở giai đoạn đầu. Do đó, thực hiện đề tài ”Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ composite” là một nhiệm vụ cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được cơ sở khoa học và công nghệ cho quá trình thiết kế, chế tạo vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng theo sơ đồ quấn phẳng. Nội dung nghiên cứu 1. Nghiên cứu kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo vỏ composite tròn xoay bằng phương pháp quấn. 2. Mô hình toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận được bằng phương pháp quấn. 3. Xây dựng mô hình toán thiết kế vỏ vỏ composite dạng trụ có đáy được quấn phẳng 4. Thực nghiệm chế tạo bình áp lực composite dạng trụ có đáy bằng phương pháp quấn phẳng.
5. 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mối quan hệ của các tham số kết cấu và công nghệ của vỏ tròn xoay dạng trụ chịu áp lực trong từ vật liệu composite với công nghệ quấn phẳng. Phạm vi nghiên cứu: Vỏ trụ có hai đáy với lỗ cực được đóng kín theo sơ đồ quấn phẳng. Các mẫu bình, thiết bị quấn phẳng được thiết kế chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở mô hình hình học và vật lý, xây dựng mô hình toán mô tả quan hệ giữa các tham số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng và thử nghiệm kiểm chứng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Bổ sung cơ sở lý luận cho tính toán thiết kế kết cấu vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng bằng công nghệ quấn phẳng. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài có thể sử dụng trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và phát triển tính toán thiết kết cấu cho các vỏ trụ chịu áp lực trong bằng vật liệu composite được chế tạo bằng công nghệ quấn sử dụng trong mục đích dân dụng và quân sự. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung cơ bản của luận án được trình bày trong 4 chương và danh mục tài liệu tham khảo. CHƯƠNG 1.KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 1.1. Kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong 1.1.1. Giới thiệu chung về kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong Các kết cấu tròn xoay chịu lực được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và quốc phòng, trong đó, kiểu kết cấu tròn xoay chịu áp lực trong là một nhóm kết cấu khá phổ biến như các vỏ trụ có đáy, vỏ dạng cầu hoặc dạng xuyến, điển hình như bình cao áp trong hệ khí tài dưỡng khí của thợ lặn, vỏ chịu lực của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hoặc lỏng, Đối với các kết cấu kiểu này, trước đây, thường được chế tạo từ vật liệu kết cấu kim loại như thép độ bền cao, hợp kim titan, Tuy vậy, nhược điểm sống còn của các vật liệu này là độ bền riêng không cao, làm cho các kết cấu nặng mà trong một số kết cấu đặc thù như bình cao áp trong hệ thống khí tài dưỡng khí hoặc vỏ chịu lực
6. 3 của vật thể bay thì khối lượng nhẹ là một yêu cầu ưu tiên. Cùng với sự ra đời của sợi độ bền cao và tỷ trọng thấp như sợi thủy tinh, sợi hữu cơ, sợi cacbon, , nên các kết cấu composite chịu lực nói chung, nhất là kết cấu composite tròn xoay chế tạo bằng phương pháp quấn đã và đang dần thay thế cho các kết cấu vỏ từ vật liệu kim loại. 1.1.2. Kết cấu chung của vỏ trụ composite tròn xoay chịu áp lực trong Kết cấu chung gồm: 1- vỏ chịu lực bằng composite cốt sợi/nền polyme được tạo thành bằng phương pháp quấn; 2- vỏ làm kín được làm bằng polyme nhiệt dẻo hoặc kim loại như hợp kim nhôm, thép không gỉ, ; 3- các bích chức năng gồm bích nối van nạp nhiên liệu hoặc bích đế (Hình 1.4 đến Hình 1.6). Hình 1.4. Kết cấu bình chịu áp hình trụ Hình 1.5. Kết cấu bình chịu áp dạng có hai đáy. cầu. Hình 1.6. Kết cấu bình chịu áp dạng xuyến từ composite: Trong nhóm kết cấu vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong, kết cấu vỏ dạng trụ có đáy là dạng kết cấu được dùng phổ biến nhất do bởi sự đơn giản về công nghệ chế tạo của các hợp phần và tính đa dạng trong ứng dụng. Theo chức năng làm việc, vỏ composite dạng trụ có đáy được phân thành 2 nhóm: (1)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực đóng kín được gọi là các bình áp lực composite có lỗ cực đóng kín, chúng thường dùng để chứa khí nén áp suất
7. 4 cao; (2)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực hở (còn gọi là bình áp lực composite có lỗ cực hở), dạng điển hình có kết cấu kiểu này là vỏ chịu lực của động cơ tên lửa. 1.1.3.Vật liệu composite cốt sợi liên tục chế tạo vỏ composite tròn xoay - Vật liệu chế tạo vỏ chịu lực: Do đặc thù hình dạng và yêu cầu chịu lực, vật liệu composite cốt sợi độ bền cao như sợi thủy tinh, sợi hữu cơ và sợi cacbon với nền liên kết là polyme (thường là epoxy) được dùng để chế tạo các vỏ tròn xoay có đáy chịu áp trong bằng công nghệ quấn. Tính chất cơ học của một số loại composite cốt sợi độ bền cao được so sánh với vật liệu kết cấu kim loại dùng làm bình áp lực được chỉ ra ở Bảng 1.3. Bảng 1.3.So sánh tính chất cơ học của composite cốt sợi với kim loại [35]. Độ bền Mô đun Độ bền kéo Mô đun đàn Tỷ trọng, riêng, Vật liệu 3 đàn hồi, E đứt, Rm hồi riêng, E/ 3 (g/cm ) Rm/ (10 (GPa) (MPa) (106 Nm/kg) Nm/kg) Hợp kim nhôm 6061-T6 2,7 68,9 310 25,7 115 Thép cán nguội SAE 1010 7,87 207 365 26,3 46,4 Hợp kim titan Ti-6Al-4V 4,43 110 1171 25,3 264 Composite sợi cacbon/epoxy 1,55 138 1150 88,9 1000 độ bền cao Composite sợi thủy tinh 1,85 39,3 965 21,2 522 E/epoxy Composite sợi armid/epoxy 1,38 75,8 1378 54,9 999 Composite sợi cacbon/epoxy 1,55 45,5 579 29,3 374 đẳng hướng - Vật liệu vỏ làm kín: Đối với các vỏ tròn xoay chịu áp lực trong, để đảm bảo khả năng chịu áp mà không rò rỉ, , cần sử dụng vỏ làm kín. Vật liệu chế tạo vỏ làm kín phổ biến là kim loại như hợp kim nhôm, thép không gỉ, hoặc polyme như nhựa HDPE, cao su, 1.2. Công nghệ quấn 1.2.1. Khái niệm và phân loại Công nghệ quấn là công nghệ tạo hình các kết cấu vỏ mỏng bằng cách quấn căng đều các sợi cốt được tẩm nhựa nền trên khuôn quấn theo quỹ đạo
8. 5 đã được định trước để tạo thành lớp vỏ composite. Nhựa nền sau khi đóng rắn tự nhiên hoặc dưới tác động của nhiệt sẽ tạo thành lớp vỏ composite hoàn thiện. Căn cứ vào trạng thái nền và cốt trong băng quấn là chất lỏng hay dạng dẻo nhớt người ta chia thành hai phương pháp quấn: quấn ướt và quấn khô. 1.2.2. Các sơ đồ công nghệ quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay Có nhiều loại sơ đồ quấn khác nhau phục vụ cho các thiết kế và công nghệ quấn khác nhau. Đối với kết cấu dạng trụ có đáy, trong thực tế, thường dùng các sơ đồ quấn cơ bản là quấn ngang, quấn xoắn và quấn phẳng (Hình 1.22). a- quấn ngang b- quấn xoắn c- quấn phẳng Hình 1.22. Các sơ đồ quấn cơ bản chế tạo vỏ composite dạng trụ: Một kiểu phân loại khác về quá trình quấn sợi là dựa vào mô tả toán học của quỹ đạo sợi, người ta chia làm 2 kiểu quấn là: Quấn trắc địa: Là quá trình rải sợi lên bề mặt khuôn quấn mà sợi ở trạng thái cân bằng không có xu hướng trượt. Quấn phi trắc địa: Là quá trình rải sợi lên bề mặt khuôn quấn mà sợi không ở trạng thái cân bằng và có xu hướng trượt. 1.2.3.Thiết bị quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay Có nhiều kiểu thiết bị quấn sợi dùng chế tạo các kết cấu composite tròn xoay khác nhau, nhưng dạng đa dụng nhất là máy quấn kiểu máy tiện cho phép quấn kết hợp quấn xoắn và quấn ngang. Một kiểu thiết bị quấn đơn giản khác là thiết bị quấn phẳng cũng được sử dụng có sơ đồ quấn như biểu diễn trên Hình 1.22c. 1.3. Một số thành tựu lý thuyết về thiết kế vỏ composite dạng trụ kín 1.3.1.Nghiên cứu thế giới Để trọng tâm, phần này chỉ tập trung vào tổng kết và phân tích một số
9. 6 thành tựu nghiên cứu chính về thiết kế vỏ composite dạng trụ có đáy. Qua tổng kết, bài toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy quy về 3 bài toán chính: (1)- Bài toán xác định biên dạng đáy; (2)- Bài toán xác định chiều dày thỏa mãn điều kiện bền; (3)- Bài toán xác định các tham số hình học theo điều kiện thể tích cho trước. Trong đó, bài toán xác định biên dạng đáy là bài toán chủ yếu, cũng là bài toán khó khăn nhất. Để giải quyết các bài toán trên, có 2 hướng dựa theo 2 lý thuyết: Lý thuyết lưới: Theo hướng này, vật liệu composite khi này được giải thiết là vật liệu đơn hướng và tiêu chuẩn bền là tiêu chuẩn ứng suất chính lớn nhất (ứng suất dọc trục sợi) nhỏ hơn giới hạn bền đứt của vật liệu. Trải qua nhiều năm, các nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực trong được quấn theo đường trắc địa và phi trắc địa đã khá hoàn chỉnh. Ở khía cạnh vỏ trụ composite được quấn phẳng cũng đã có một vài nghiên cứu quan tâm, nhưng tóm lại vẫn còn tồn tại một số điểm sau: - Mô hình toán xây dựng đường cong biên dạng đáy vỏ trụ còn chưa hoàn chỉnh khi chưa đề xuất đầy đủ được giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy do sự uống cong của đường cong biên dạng cơ sở; - Chưa đưa ra được phạm vi giới hạn của các tham số hình học. Lý thuyết cơ học vật liệu compozit: Theo hướng này vật liệu composite cốt sợi nền polyme được thay thế bằng vật liệu có các tính chất dị hướng. Việc nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite được quấn trắc địa và phi trắc địa dựa trên lý thuyết cũng đã được tiến hành. Có thể nói lý thuyết là chính xác hơn so với lý thuyết lưới do vật liệu và tính chất của nó đưa vào tính toán phản ánh tương đối đúng với ứng xử thực của vật liệu composite. Nhưng nó có nhược điểm: các tính chất cơ học của vật liệu composite như mô đun đàn hồi và hệ số Poison theo hướng dọc và ngang trục sợi cần được xác định trước; mô hình toán học phức tạp hơn lý thuyết lưới. Đối với các vật liệu composite mà mô đun đàn hồi của chúng theo phương ngang thấp hơn đáng kể so với mô đun đàn hồi theo phươc dọc trục sợi kết quả tính toán biên dạng đáy bình và chiều dày vật liệu theo lý thuyết lưới và lý thuyết
10. 7 liên tục là gần tương tự nhau. 1.3.2. Nghiên cứu trong nước Nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong ở trong nước cũng đã được quan tâm song các kết quả còn khá khiên tốn. Được biết, một nhóm nghiên cứu của Viện Tên lửa đã tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo bình cao áp từ vật liệu composte được quấn theo đường trắc địa. Các nghiên cứu về quấn phi trắc địa, quấn phẳng chưa được thực hiện. 1.4. Kết luận và định hướng nghiên cứu Từ tổng quan tình hình nghiên cứu, Luận án định hướng trọng tâm nghiên cứu giải quyết bài toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng dựa trên nền tảng của lý thuyết lưới, xác lập được phạm vi thông số hình học của vỏ trụ composite cho quấn phẳng theo điều kiện chống trượt với mục tiêu như đã đề cập. Để làm việc đó, Luận án xác định các nội dung nghiên cứu tiếp theo như đã nêu ở phần mở đầu của bản tóm tắt này. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN THIẾT KẾ VỎ TRỤ COMPOSITE CÓ ĐÁY NHẬN ĐƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 2.1. Bài toán xác định biên dạng đáy 2.1.1. Các phương trình cân bằng lực cho xác định biên dạng đáy a. Cân bằng lực của vỏ tròn xoay chịu áp lực trong Hinh 2.1. Mô tả hình học của đáy vỏ trụ trong hệ Hình 2.2. Các lực hoat động tọa độ cực. trên một phân tố của đáy vỏ.
11. 8 Vỏ được đặc trưng bởi các bán kính R1 và R2 là các bán kính cong của cung kinh tuyến và vĩ tuyến nằm trong mặt phẳng vuông góc với kinh tuyến vỏ, được xác định như sau: 3 1 r'2 r R (2.1) R r. 1 r'2 (2.2) 1 r'' 2 cos Kết quả bài toán cân bằng lực của vỏ tròn xoay chịu áp lực trong: p.R 2.q.r p.r2 N 2 (1 p p ) (2.6) 1 2 p.r2 p.R R 2.q.r p.r 2 N 2 2 2 1 p p (2.10) 2 2 R 2 1 p.r b. Cân bằng lực của vỏ composite đơn hướng Kết quả bài toán cân bằng lực của vỏ composite đơn hướng: N tan 2  2 (2.18) N1 Hình 2.3. Mô tả phân bố sợi trên bề mặt Hình 2.4.Cân bằng lực sợi có xét đến vỏ tròn xoay. ma sát trên phân tố vỏ. c. Cân bằng lực sợi trên bề mặt vỏ và điều kiện ổn định sợi Kết quả bài toán cân bằng lực sợi trên bề mặt vỏ: d sin .tan r''.cos r'.tan (2.27) ' .( ) dz r 1 r'2 r Điều kiện ổn định sợi:
12. 9 1 r'2 .(r'.sin  r.'.cos )  [] (2.30) 1 r'2 .sin2  r.r''.cos2  ở đó,  là hệ số trượt cho phép giữa sợi và bề mặt vỏ. 2.1.2. Hệ phương trình cơ sở xác định biên dạng đáy Kết hợp các phương trình (2.18), (2.6), (2.10, (2.1) và (2.2), cũng như (2.27) và đưa về dạng không thứ nguyên bằng cách đặt r r / R,z z / R , nhận được hệ phương trình mô tả biên dạng đáy cơ sở như sau: 2.r 2 1 r'2 r'' tan 2  2.q.r 2 2 p r (2.35) r rp p.R sin .tan  r''.cos  r'.tan   ' .( ) z r 1 r'2 r ở đó, q là lực phân bố ở lỗ cực, q = p.rp/2 với vỏ trụ có lỗ cực được đóng kín và q = 0 ứng với vỏ trụ có lỗ cực hở. Điều kiện biên để giải hệ phương trình vi phân (2.35): z(0) 0 , r (0) 1, r'(0) 0,  (0) = eq (góc quấn tại xích đạo) và hệ số trượt  là một hằng số hoặc một luật phân bố được cho trước. 2.1.3.Một số kết quả tính toán biên dạng và góc quấn a. Trường hợp quấn trắc địa 0 Quy luật Clairaut: r.sin  rp .sin90 rp . Xét hai trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín và lỗ cực hở có phương trình mô tả biên dạng đáy tương ứng như (2.43) và (2.46). r 2 1 r'2 r'' p 2 (2.43) 2 2 r r rp r 2 2.r 2 1 r'2 r'' p (2.46) 2 2 r r rp Kết quả tính toán biên dạng đáy cho các trường hợp khác nhau của bán kính lỗ cực trình bày trên Hình 2.7 và Hình 2.9.
13. 10 Hình 2.7.Biên dạng đáy vỏ trụ được Hình 2.9. Biên dạng đáy vỏ trụ được quấn theo đường trắc địa ứng với quấn theo đường trắc địa ứng với trường hợp bình có lỗ cực đóng kín, trường hợp bình có lỗ cực hở, q = 0. q = p.rp/2. b. Trường hợp quấn phi trắc địa 1 r Quy luật phân bố hệ số trượt khảo sát:   - 1 rp Xét hai trường hợp vỏ trụ có lỗ cực được đóng kín bằng nắp và lỗ cực hở. Kết quả tính đường cong biên dạng đáy và góc quấn tương ứng trình bày từ Hình 2.11 đến Hình 2.14. Hình 2.11. Biên dạng đáy vỏ khi quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực đóng kín. Hình 2.12. Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực đóng kín) theo các tọa độ: a- tọa độ trục z ; b- tọa độ hướng tâm r .
14. 11 Hình 2.13. Biên dạng đáy vỏ khi quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực hở. Hình 2.14. Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực hở) theo các tạo độ: a- tọa độ trục ; b- tọa độ hướng tâm . 2.1.4.Giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy cơ sở Trong hầu hết trường hợp đường cong biên dạng đáy cơ sở được xác định từ (2.35) đều có hiện tượng uốn cong, nên cần phải có giải pháp hiệu chỉnh. Đối với ℽ vỏ trụ có lỗ cực đóng kín, phần đường cong thứ nhất sẽ nhận được từ việc giải hệ (2.35) với q = p.rp/2, còn phần đường cong hiệu chỉnh sẽ nhận được từ việc giải hệ Hình 2.15. Sự không khớp nhau giữa kinh tuyến đáy vỏ trụ kín được tính phương trình (2.35) với điều kiện toán với thực tế và mô tả hình học liên quan. biên là z 0 , r(0) r(z f ) , r '(0) - ,  (0)  (z ) và (z ) . f curve1 f Tuy nhiên, đối với vỏ trụ có lỗ cực hở, giải pháp này là không thể thực hiện do phương trình xác địnhz biên dạng của đườngr cong 1 và đường cong 2
15. 12 là giống nhau, nên chúng gây ra điểm uốn tương tự nhau. Để giải quyết, tác giả đề xuất giải pháp hiệu chỉnh bằng một cung tròn có bán kính cong kinh tuyến là R1f (Hình 2.15), có phương trình như sau: z R .sin z 2 r R .cos r 2 R 2 1 f f f 1 f f f 1 f 2 1/ 2 (2.52) f arccos(1 r )  z z f 2.2. Bài toán xác định các kích thước hình học theo điều kiện thể tích cho trước Bán kính phần trụ của vỏ sẽ được xác định theo công thức: V V R 3 (2.55) V V z f 1 z f 2 c d 3 (1) 2 (2) 2 .L (r ) dz (r ) dz 0 0 ở đó, L là chiều dài phần trụ; rp1 và rp2 là các bán kính lỗ cực của các đáy trong hệ tọa độ không thứ nguyên. Từ L lựa chọn, sẽ tìm được một giá trị R. Tiếp sau, sẽ xác định được chiều dài phần trụ và các biên dạng đáy trong hệ tọa độ thực đủ để thiết kế hình học của vỏ trụ composite. 2.3. Bài toán xác định chiều dày lớp vỏ composite Chỉ xét cho trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín. a. Chiều dày của lớp vật liệu composite trên đáy Trong hệ tọa độ không thứ nguyên: heq pb - Chiều dày tại phần xích đạo: heq 2 (2.58) R 2. c .cos eq h cos - Phân bố chiều dày trên đáy: h heq (2.63) R r.coseq b. Chiều dày của lớp quấn ngang trên phần trụ 2 pb  c .heq.sin eq hc (2.67)  c 
16. 13 2.4. Kết luận chương 2 Trên nền tảng của lý thuyết lưới, luận án đã tổng hợp và hệ thống hóa được lý thuyết chung về thiết kế vỏ trụ composite có đáy, trong đó: 1. Đã đưa ra được mô hình toán chung cho thiết kế biên dạng đáy và khảo sát tính toán cho các trường hợp cụ thể là quấn trắc địa và quấn phi trắc địa với hệ số trượt phân bố theo quy luật mong muốn nhất định. Đồng thời cũng đã đề xuất giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy do sự uốn cong của biên dạng đáy cơ sở. 2. Đã thiết lập được công thức xác định chiều dày các lớp quấn (quấn xoắn, quấn ngang) trên phần hình trụ và phần đáy vỏ trụ phụ thuộc vào góc quấn, áp suất phá hủy và độ bền vật liệu composite. 3. Đã đưa ra phương pháp xác định kích thước hình học của vỏ trụ composite có đáy đủ điều kiện để xây dựng biên dạng hình học của vỏ trụ theo điều kiện thể tích cho trước. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THẾT KẾ VỎ COMPOSITE DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY ĐƯỢC QUẤN PHẲNG 3.1. Mô hình toán đáy vỏ trụ theo sơ đồ quấn phẳng Hình 3.1. Các tham số hình học của vỏ trụ composite được quấn phẳng.
17. 14 Quan hệ giữa góc quấn  với các tham số hình học của đáy vỏ trụ được quấn phẳng (trong hệ tọa độ không thứ nguyên): r.tan r'. z.tan e tan  (3.9) 1 r'2 . r 2 z.tan e 2 Thay (3.9) vào phương trình thứ nhất của (2.35) sẽ nhận được phương trình mô tả biên dạng đáy trong trường hợp chung. Đối với trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín, ta có phương trình biên dạng đáy như sau: 2 r.tg r'. z.tg e 1 r'2 r'' 2 (3.11) 1 r'2 . r 2 z.tg e 2 r Để giải phương trình (3.11), các tham số ban đầu e và  cần được cho trước với điều kiện biên là: z(0) 0 , r (0) 1, r'(0) 0 . Đối với quấn phẳng, bán kính lỗ cực rp không thể được cho trước do cần phải thỏa mãn quan hệ hình học sau: r z .tan e p p (3.13) 3.2. Ràng buộc của các thông số hình học a. Các ràng buộc của các tham số, e và  Do kinh tuyến của đáy thu được từ phương trình (3.11) và góc quấn  xác định thông qua phương trình (3.9) chỉ phụ thuộc vào tham số e và , vì vậy, từ phương trình (2.27), thấy rằng, hệ số trượt,  sẽ chỉ phụ thuộc và hai thông số ban đầu e và . Nhưng do điều kiện không trượt của sợi (2.30), nên chỉ có một phạm vi giới hạn của các tham số và  thỏa mãn. b. Các ràng buộc của bán kính cực, rp Bán kính cực rp vừa cần thỏa mãn phương trình hiệu chỉnh (2.52) và quan hệ hình học (3.13), do đó, nó sẽ là nghiệm của phương trình sau: 2 r e 2 p R .sin z r R .cos r R 2 1 f f f p 1 f f f 1 f tan  (3.14) arccos (1 r 2 ) 1/ 2 f z z f
18. 15 c. Giới hạn của chiều dài trụ, L Quan hệ giữa với và : L 2.e 2.e (3.15) L R R.tan tan d. Giới hạn của bán kính hình trụ, R Bán kính phần trụ được xác định như sau: V R 3 (3.17) Vc 2Vd trong đó Vc và Vd là thể tích không thứ nguyên phần trụ và đáy của vỏ. 3.3. Các kết quả tính toán 3.3.1.Biên dạng đáy và phân bố hệ số trượt Hình 3.2. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0 và các Hình 3.3. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0,1 và các giá trị góc  khác nhau. giá trị góc  khác nhau. e Hình 3.4. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0,2 và các Hình 3.5. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0,3 và các giá trị góc  khác nhau. giá trị góc  khác nhau.
19. 16 Hình 3.6. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0,4 và các Hình 3.7. Kinh tuyến đáy với 푒̅ = 0,5 và các giá trị góc  khác nhau. giá trị góc  khác nhau. Hình 3.8. Sự phụ thuộc của hệ số trượt trên Hình 3.9. Sự phụ thuộc của hệ số trượt trên tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0. tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,1. Hình 3.10. Sự phụ thuộc của hệ số trượt Hình 3.11. Sự phụ thuộc của hệ số trượt trên tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,2. trên tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,3.
20. 17 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số trượt Hình 3.13. Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,4. vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,5. Nhận xét: Khi cả 푒̅ và  lớn, xu hướng trượt của sợi sẽ càng cao; khi góc  là nhỏ, xu hướng trượt của sợi tại các điểm gần xích đạo sẽ cao hơn; nếu góc  là lớn, xu hướng trượt của sợi tại các điểm gần lỗ cực sẽ lớn hơn. 3.3.2. Phạm vi giới hạn của các thông số hình học của vỏ trụ composite được quấn phẳng dựa trên điều kiện không trượt của sợi Quan hệ giữa  với 푒̅ và  như Hình 3.15. max Hình 3.15. Biểu đồ đường đồng mức biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị vào các tham số e và . Các Hình 3.16 đến 3.19 cho phép chọn ra các cặp (푒̅, ) thích hợp đáp ứng điều kiện không trượt của sợi. Quan hệ chiều dài phần trụ với  như L max Hình 3.20, nhận thấy: - Nếu  = 0,1, phải nhỏ hơn 2, với mọi,  45o; max L - Nếu  = 0,2, có thể đạt 3,8, với mọi,  30o; max L - Và nếu  = 0.4, có thể đạt 7,5, với mọi,  18o. max L
21. 18 Hình 3.16. Phạm vi giới hạn của và  Hình 3.17. Phạm vi giới hạn của và  với  = 0,1. với = 0,2.  max e Hình 3.18. Phạm vi giới hạn của và  Hình 3.19. Phạm vi giới hạn của và  với = 0,3. với = 0,4. Hình 3.20. Quan hệ của chiều dài phần trụ vớ hệ số trượt .
22. 19 3.4. Kết luận chương 3 Đã đưa ra mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng, từ đó, chỉ ra được phạm vi giới hạn của các tham số hình học theo điều kiện không trượt của sợi. Các kết quả chính: - Quấn phẳng chỉ phù hợp với các trường hợp có khoảng cách lệch tâm 푒̅, chiều dài phần trụ 퐿̅ và góc quấn ban đầu trên phần trụ  là nhỏ; - Khi khoảng cách lệch tâm 푒̅ và góc ban đầu trên phần trụ  là lớn, khuynh hướng trượt của sợi là cao hơn cả ở phần xích đạo và gần lỗ cực; - Đối với trường hợp quấn ướt ([] 0,2), các giá trị 푒̅, 퐿̅ và  tương ứng có thể đạt 0,21, 3,8 và 380; - Đối với trường hợp quấn khô ([] 0,4), các giá trị 푒̅, 퐿̅ và  tương ứng có thể đạt 0,38, 7,5 và 450. CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÌNH ÁP LỰC COMPOSITE DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN PHẲNG 4.1. Yêu cầu chung về kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ trụ composite. a. Nhiệm vụ thiết kế - Thể tích bên trong: V = 1,0 lít; - Áp suất bền: 100 at (10 MPa). b. Các tham số thiết kế Hình 4.1. Kết cấu vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực trong. - Các tham số hình học ban đầu: e, . - Công nghệ sử dụng: Quấn ướt ( = 0,2). - Các tham số cần tính toán: Biên dạng đáy; bán kính lỗ cực và bích: rp, rb (rf); chiều dài và bán kính trụ: L, R; chiều dày các lớp vật liệu composite: heq ,hp, hc.
23. 20 c. Lựa chọn vật liệu - Vật liệu composite: Sợi thủy tinh E (bề rộng: 5 mm, dày: 0,3 mm); nền epoxy biến tính ED-20/EDG-1/P-9-14/MPDA. - Vỏ kín: Nhựa HDPE, độ bền 34 MPa, độ giãn dài tương đối 35%. - Bích: Hợp kim nhôm 6061-T4; Cơ tính vật liệu composite xác định bằng kéo mẫu vòng như Bảng 4.3. Bảng 4.3. Tính chất vật liệu composite nghiên cứu chế tạo. Mẫu Tính năng Đơn vị đo Trung bình M1 M2 M3 Độ bền kéo, [c] MPa 680 682 684 682 Modul đàn hồi, Ec GPa 45,6 45,9 46,0 45,8 Độ giãn dài % 2,6 2,6 2,8 2,7 4.2. Tính toán các tham số kết cấu – công nghệ 4.2.1. Trình tự tính toán xác định các tham số kết cấu – công nghệ Hình 4.8. Lưu đồ thứ hai tính toán thông số kết cấu-công nghệ vỏ trụ composite nhận được bằng sơ đồ quấn phẳng.
24. 21 Kết quả tính toán các thông số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng trình bày ở Bảng 4.4. Bảng 4.4.Thông số kết cấu – công nghệ của vỏ theo sơ đồ quấn phẳng. STT Tên gọi Ký hiệu Đơn Giá trị vị 1 Góc quấn ban đầu trên phần trụ 훾 - /20 2 Khoảng cách lệch tâm không thứ nguyên 푒̅ - 0,2 3 Chiều dài phần trụ không thứ nguyên 퐿̅ - 2,51 4 Bán kính bích không thứ nguyên ̅ - 0,42 5 Bán kính cực không thứ nguyên ̅ - 0,3 6 Bán kính phần trụ thực tế 푅 mm 45 7 Chiều dài phần trụ thực tế 퐿 mm 113 8 Chiều dày lớp quấn phẳng trên đường xích đạo ℎ mm 0,51 9 Xác định chiều dày tính toán lớp quấn ngang ℎ mm 0,90 10 Xác định số lớp quấn phẳng thực tế 푛 2 11 Xác định số lớp quấn ngang thực tế 푛 3 12 Xác định số vòng quấn trong một lớp quấn phẳng 𝑖 57 13 Xác định số vòng quấn trong một lớp ngang 𝑖 20 Hình 4.9. Biên dạng kinh tuyến của đáy Hình 4.10. Sự phụ thuộc của hệ số trượt  vào tọa độ trục ̅. vỏ trụ compozit cho quấn phẳng với các thông số ban đầu 푒̅ = 0,2;  = /20. a) b) Hình 4.11. Chiều dày của đáy theo ̅ (a) và theo biên dạng kinh tuyến (b).
25. 22 4.3. Công nghệ chế tạo vỏ trụ có đáy theo sơ đồ quấn phẳng 4.3.1. Máy quấn phẳng Hình 4.12. Kết cấu máy quấn phẳng: 1- khối quấn phẳng; 2- bàn trượt ; 3, 4- gá trục chính và khung thân; 5-khuôn quấn; 6 - bàn cấp sợi. 4.3.3.Chế thử sản phẩm Hình 4.20. Mẫu vỏ trụ có hai đáy quấn phẳng từ vật liệu composite. Kết quả: Không quan sát thấy hiện tượng trượt sợi; công nghệ quấn đơn giản, các lớp quấn đều; chiều dày phần trụ đảm bảo theo thiết kế. 4.4.Thử nghiệm đánh giá khả năng làm việc của sản phẩm Bảng 4.6. Kết quả thử nghiệm các vỏ bình composite quấn phẳng. Chiều dày Chiều dày Áp suất Áp suất Áp suất Sai lớp lớp phá phá hủy phá hủy số, Số hiệu STT composite composite hủy lý thuyết thực, % bình tính toán thực tế yêu cầu MPa MPa mm mm MPa 1 VTCP-N1 1,5 1,65 15 17,6 16,3 8,7 2 VTCP-N2 1,5 1,67 15 17,6 15,9 6,0 Kết quả: Phù hợp kết quả tính toán, sai số 10%.
26. 23 4.5. Kết luận chương 4 1. Đã thực nghiệm thiết kế chế tạo một loại vỏ trụ composite bằng công nghệ quấn phẳng có thể tích 1,0 lít, áp suất phá hủy đến 15MPa bằng vật liệu cốt sợi thủy tinh E, nền epoxy; 2. Đã thiết kế và chế tạo 01 thiết bị quấn phẳng đơn giản đủ điều kiện tiến hành các thí nghiệm cho quấn phẳng; 3. Đã thực hành quấn và khẳng định được thiết kế đưa ra là phù hợp, hiện tượng trượt sợi không xảy ra; 4. Đã tiến hành thử áp lực đo áp suất phá hủy, nhận thấy, các kết quả tính toán phù hợp với thực tế trọng phạm vi sai số không quá 10%. KẾT LUẬN I. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ vật liệu composite đã và đang được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và quốc phòng. Từ tổng quan tài liệu, Luận án đã định hướng nghiên cứu xây dựng mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy trong trường hợp chung, trong đó, trọng tâm vào thiết kế biên dạng đáy vỏ trụ được quấn phẳng và xác định phạm vi giới hạn của các tham số hình học theo điều kiện không trượt của sợi. 2.Trên nền tảng của lý thuyết lưới với giả thiết vật liệu composite là đơn hướng và kế thừa các thành tựu KHCN thế giới liên quan, Luận án đã tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết chung cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy, cụ thể: - Đã thiết lập được hệ phương trình toán mô tả biên dạng cơ sở của đáy, từ đó, tính toán cho các trường hợp cụ thể là quấn trắc địa và phi trắc địa với hệ số trượt phân bố theo một quy luật nhất định; - Đã đề xuất được giải pháp hiệu chỉnh biên dạng đáy do hiện tượng uốn cong của đường cong biên dạng cơ sở đáy; - Đã thiết lập được công thức xác định chiều dày các lớp quấn (quấn xoắn, quấn ngang) trên phần hình trụ và phần đáy bình phụ thuộc vào góc quấn, áp suất phá hủy và độ bền vật liệu composite. 3. Từ lý thuyết chung, dựa trên các quan hệ hình học của quỹ đạo quấn phẳng, Luận án đã xây dựng được phương trình toán mô tả biên dạng đáy vỏ
27. 24 trụ composite được quấn phẳng. Từ đó, đã khảo sát ảnh hưởng của các tham số ban đầu là độ lệch tâm e và góc quấn ban đầu  đến hình dạng đáy, nhất là đến quy luật phân bố hệ số trượt, từ đó, làm nền cho việc xác định phạm vi giới hạn của các thông số hình học ban đầu theo điều kiện không trượt. Kết quả đã chỉ ra rằng, với kỹ thuật quấn phẳng, các tham số: độ lệch tâm e, chiều dài phần trụ L và góc quấn ban đầu  phải nhỏ để đảm bảo sợi không trượt khi quấn, cụ thể: - Cho trường hợp quấn ướt ([] 0.2), e 0,21.R, L 3,8.R và  380. - Cho trường hợp quấn khô ([] 0.4), e 0,38.R, L 7,5.R và  450. 4. Từ mô hình toán của vỏ trụ composite được quấn phẳng, Luận án đã đưa ra trình tự tính toán thiết kế và cụ thể hóa cho một loại vỏ trụ composite có thể tích ban đầu 1,0 lít, áp suất bền 10 MPa, được chế tạo từ composite cốt sợi thủy tinh/nền epoxy. Thiết kế và chế tạo thiết bị quấn phẳng phù hợp thiết bị đã có và thực hành công nghệ để minh chứng. Kết quả khẳng định, mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận được bằng sơ đồ quấn phẳng là tin cậy. II. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu hệ thống hóa được mô hình lý thuyết cho vỏ trụ chịu áp lực trong nhận được bằng phương pháp quấn từ composite cốt sợi. Từ đó, góp phần làm sáng tỏ và bổ sung cơ sở khoa học cho thiết kế các bình áp lực composite hình trụ có đáy mà hiện đang còn chưa đầy đủ ở Việt Nam. - Xây dựng được mô hình toán vỏ trụ có đáy chịu áp lực trong theo sơ đồ quấn phẳng, trong đó đã xác định được miền thông số hình học ban đầu là độ lệch e, chiều dài trụ L và góc lệch  theo điều kiện không trượt của sợi phục vụ trực tiếp cho quá trình thiết kế. - Đề xuất được trình tự tính toán thiết kế, sơ đồ công nghệ, thiết kế chế tạo được thiết bị quấn và chế thử sản phẩm đạt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. III. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, phát triển mô hình tính toán trong trường hợp có kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất xung và đường kính các lỗ cực khác nhau.