Đang tải... (xem toàn văn)
KY YEU HTTQ CO HOC VA KHI CU BAY CO DK pdf
ON DINH DAN HOI CUA VO TRU COMPOSITE LOP CO KE DEN ANH HUONG NHIET- AM THEO Li THUYET CHUYEN VI BAC CAO PGS TS Trin Ích Thịnh, ĐHBK Hà Nội ‘ThS Trén Minh Tú, ĐWXD Hà Nội “Tóm tất: Vật lệu composie ngày ứng đụng mạnh mê công nghiệp hàng không, vũ trụ Cùng vớ pát triển nhanh chống công nghệ, đôi hỏi phải cao hiểu biế vé ứng sử học vật iu composie tác đựng lỗi và: bế tổ môi trường (nhiệt độ, đô đm ) Phương pháp phẩn từ hồu hạn sử dạng để Inghien cửu toán ẩn định tuyén tinh cho kei edu trụ composie lốp ch đồng thời tải học nht độ Ấm Phần tử chữ nhật đẳng tham sốtic 8dung nứt “mỗi nát 10 bắc tự với mỏ hình chuyển vị bộc cao chọn dé xy dng mơ hình tịnh ốn Lực tới hạn xác định ảnh hưởng củo góc phương sợi khảo sắt ảnh "uởng nhiệt Ẩm nhấn mạnh nghiên cứu điệu kiện làm việc đặc kếi cấu khung mây boy D6 tr lới giải tác gi sơ sảnh với kết tính ANSES “một số lờ giả khác Vật liệu composite nghành công nghiệp hàng không “Trong vài thập kỷ gắn vật liệu composite trở thành lọai vật liệu thay nghành chế tao máy bay Máy bay c6 thé chia làm bốn loại: hang nhẹ, thương mai, van chuyển dân dung quân Kết cấu khung máy bay gồm thành phán như: cánh dưới, thân, sườn, dám đỡ gân, bánh xe hạ cánh, bé mặt bảo vẻ Về khung máy bay phải chịu ngoai lực, có dạng khí động học bảo vệ hành khách thiết bị điều kiện môi trường bên ngồi Mỗi phận có hình đạng đặc tính khác với lựa chọn vật liệu khác Các vật liệu sử dụng kết cấu khung máy bay nhôm, titan, thép composite Hinh cho thấy nhôm sử dụng rộng rãi kết cấu máy bay dân dụng, vật liệu composite ngày ưa chuộng Trong máy bay quân sự, yêu cấu vẻ tinh nảng ngân sách cao hơn, nên việc sử dụng vật liệu composite ting nhanh nhiều (hình với CFC- vật liệu composite cốt sơi) Hình Vật liệu dũng kết cấu máy bay chiến đấu [12] Hinh 2, Vat ligu ding kết cấu máy bay dân dụng [12] Composite chế tạo với tính mong muốn độ bền, độ cứng, khối lượng riêng Vật liệu composite truyền thống gồm hai thành phần vật liệu vật liệu tăng cường Vật liệu nên composite cốt sợi thép, gốm polymer, composite dùng kết cấu khung máy bay composite cốt sợi polymer Chúng có đặc tính sau: ~ Độ bên riêng độ cứng cao ~ Tính dị hướng ~ Khơng bị oxy hóa mơi trường mặn ~ Sức chịu phá hủy tốt ~ Tính ổn định cao ~ Giảm số lượng tiết 'Tuy nhiên vật liệu composite nhạy cảm với tải trọng va chạm, mơi trường, ánh sáng, giá thành cao, biến dang déo vùng tập trung ứng suất lớn Tuy nhiên với đặc tính trội, vật liệu composite sử dụng với ti lệ tăng ngày tăng nghành công nghiệp hàng không Ban đầu composite sử dụng để chế tạo phận không quan trọng Với hiểu biết sâu sắc vật liệu composite, với độ bến độ cứng cao, trọng lượng nhẹ chúng sử dụng làm phận dầm sàn, cửa, phận khí động bánh lái, cửa thân máy bay, bể mặt bảo vệ Hình cho thấy ứng dụng vật liệu composite ngày tăng hệ máy bay Bocing khác 261 " So = = =—= Berreen =e Hình Vật liệu composite Boeing 737-800 [12] Hình Vật ligu composite Boeing 757 [12] Vat ligu bảo vệ bể mật địi hỏi tính chịu oxy hóa cao chúng ln chịu áp lực khơng khí Khi chuyển động khơng khí, nhiệt độ quanh vỏ máy bay tăng cao phụ thuộc vào vận tốc máy bay Độ ẩm thay đổi theo độ cao máy bay Hình cho thấy phân bố nhiệt độ quanh vỏ máy bay máy bay tăng tốc 368 Hình Nhiệt độ vỏ máy bay [12] 'Do tính ứng dụng cao vật liệu composite nên nghiên cứu vẻ chúng thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học nước Vấn để ổn định kết cấu vỏ có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tác giả trình bày nằm mối quan tâm thời năm gần nhiều nhà nghiên cứu Xây dựng thuật toán tính ổn định mảnh vỏ trụ composite lớp 'Mảnh vỏ trụ rời rạc thành phần tử phẳng, ta xây dựng hệ thức cho phần từ phẳng Xét composite gồm ø lớp, đánh số thứ tự từ lên ‘Mat trung bình chọn mặt phẳng Oxy trục Øz hướng theo chiều tăng số thứ tự lớp Mỗi lớp thứ k xác định tọa độ tọa độ mặt dudi f,, vA mat tren h, theo phương z 2.1 Trường chuyển vị biển dạng Voi céc giả thiết lí thuyết tổng qt, chuyển vị điểm có tọa độ (x, y, ) biểu dang đa thức theo tọa độ z, thông thường người ta thường giới hạn đến da thức bậc ba Với có chiều dày trung bình người ta thường sử dụng trường chuyển vị bậc ba khơng đầy đủ ( có xét đến ảnh hưởng biến đạng cắt ngang, bỏ qua thành phần ứng suất pháp theo phương z, ø,,=0) có dạng: u(x»)+28, (2,9) + 2°05 (2,9) +278; (9) v=ve(x,y)+20, (x,y)+2°v) (xy) +278, (x9) với w=wu(,}) Ø1) wạ,v,,wạ thành phần chuyển vị mặt trung bình theo phương x, yz .9,,Ø, thành phần góc xoay pháp tuyến mật trung bình quanh hai truc y.x 1¿,vụ,Ø:,Ø; thành phần chuyển vị bậc cao khai triển chuỗi Taylor 'Khi xét đến tác dụng đồng thời tải trọng học ảnh hưởng nhiệt ẩm, trường biến dạng lớp thứ k biểu diễn: feh={e""}-{e"}+{e"} với số hạng thứ biến dang tai học gây nên @2) 269 fu) Cn [ ms ns Mee Yey fe} =) 7m = my +H Ya] 7a} P= Moy Hon [e+e] [tos + Moe (Met, ) [Mort Mey, ey tú, My 2%, 36; 36, &, Gy b+24 Oy, +80, Í+ztÖyy, xao, Í+z |6), +8), 0 23) số hang thứ hai biến dạng nguyên nhân nhiệt ẩm gây nên: or or (e”}=‡rz ve a, 4, A, 0 |=AT{a„|+Am|8„ T (24) đó: ø,/Ztheothứtự hệ số biến dạng nhiệt hệ số trương nở độ ẩm gây nên AT khoảủg chênh lệch nhiệt độ Ẩm vat ligu composite ngậm vào “Am lượng số hạng thứ ba thành phần biến dang phi tuyến: ey fe"}=y 75 t= yn] | 3Á9*92#'9) Ta 20995 =9) 25) |i, tray team, |uu,ty,y, tm, ttl, +0, + ,¥, 2.2 Trường ứng suất nội lực “Trường ứng suất lớp thứ k: ° (ol ts-[2] (fe"}-fe"}+{e"}) sốt hiểu chuyển trí vec to hay ma trận eo “Trong Ở, số ma trân độ cứng vật liệu lớp thứ k hệ trục tọa độ tổng thể kết cấu xác định qua ma trận biến đổi hệ sở ứng suất, biến dạng hẳng số ma trận độ cứng O, lớp vật liệu xác định theo mô đun kĩ thuật [2] “Tích phân thành phẩn ứng suất dọc theo chiéu dày ta thu biểu thức nội lực: 0) Các thành phần nội lực nhiệt độ độ ẩm gây là: MEME ONE MI) oy có lấp ae we acre] @, | arts Ky la, TỊM [z, Ny My Ng Mỹ No mr wr Mr) Mr N” M””|=Š oy Ng Ma Ne Me™ ole [8 [[J||2,| |B, Ne AnÑ z z' ?» — @® 'hụ,h,_, khoảng cách từ mặt trung bình tới mặt mặt lớp thứ k Ề ‘Phuong trình quan hệ tổng quát có kể đến ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm biểu diễn: F N w M| [D, ø| |2 M’}=|D, s D, 0]1|z; o pile D, # Tạp với:i: D, =(3 +,J il |”) [un] | 6,}-| [x”] 8, (29) BD Dy : | ; (2.10) @10) ah Trong đó: (4, ,„D,,Eụ, F,,G,„H,)=Š |0, (,z,z!,2',z°,2°,z°E (j=1,2/) TÂN, và: rece — =2) S VO lan GBD EF tàu = ber ey Hoy +¥er! fea 50 tool et 2=k, eat = Yor kate HaWie 62Ye = Ber %, +8.) ky ky} k kg}Ì=f,, 8, 8+9} = 8, }+¥0, 8% +Men} Yaa = Pu 24Ÿ bel = 60; 301} rool He Hi ba tat be by tan Tol= = 0, + We, 8, + Wey » 205 52¥% ,36),38,} @ay 21 2.3 Phương trình ổn định kết cấu vỏ ‘Nang lượng phán tử biến dạng đàn hồi ngọai lực mật trung bình gây ra: yak Jeftlzr-; Stel (le*}-fe"| fer))ar- Jew.ss,)s “1J[È]£†-t*T-t"Tlektt2)-t=lete)el= = f(uy, +n, Jas: i 2.12) _ (leeF tou ter fer 101 6) sero fe}a dB lento te} tert ton te}-fer} fo er} 2d[* HerF to ter}-terJ ToL fer) sfer/ oer} = flu, +», Jas với N,N, la cde ngọai lực theo hai phương x, mặt trung bình Nâng lượng phần tử ứng suất ban đầu gây tải học tính theo: Uy= {ậ£*1}z (2.113) ‘Dong phần tử tính theo: Y2 62 r-‡ 1Í (Š}^k vềvt vềMát withefut vê wy (2.14) Véi {d"} vec to chuyén vi nuit phần tử, biểu thức lượng viết dạng: 0=t+0,=3|z][x'Iel«3lv]:]eleste] z]fl)+ +;|e† [x;]l“} “Hey [z]-;#† ID *(Ê]£rtettes} rade} Lary} 'Với [ K“ ] ma trận độ cứng tuyến tính (thơng thường )của phần tử [Kj] ma trần độ cứng phi tuyến phần tử [ K; ] ma trần độ cứng hình học tải học gây nên 22 (2.15) 616) [Xã] ma trận độ cứng hình học lực nhiệt ẩm gây nên + [M“] ma trận khối lượng phần tử [Fs]; [25] vec tatye nút nhiệt dm học phần tử ` Thay (2.15) (2.16) vào phương trình chuyển động Lagrange: TPd|ð(T-i HH ° tet ơ(T-U) G17) với 4}=ÍN «- 4, om» 4,} vec tơ bậc tựdo kết cấu “Ta nhận phương trình chuyển động cho phần tử: BA ˆ_§au 202 ma trận độ cứng, véc tơ lực nút hệ tọa chuyển đổi ma trận khối l độ địa phương phần tử hệ tọa độ tổng thể kết cấu, phép ghép nối thông thường PTHH ta nhận phương trình chuyển động kết cấu vỏ dạng sau: [# ])+[£ ]fah+[ Ay a} [Ke ]ta}+[ A Hah = {Fa} {4} 005) Các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, vec tơ lực nút (2.19) xác định toa độ tổng thể kết cấu Thi xét toán tĩnh ta nhận phương trình: [K ]igh= {Fa} + {Fn} 220) "Phương trình giải tốn ổn định có dang: [x Jfa}+[&e]{a}+[K2 ]{o}={Fa} + {Fon} @2n [ K;] ma trận độ cứng hình học tải trọng học đơn vị gây nên 314 Ma trận độ cứng phần tử Phin tử chọn để nghiên cứu phần từ C° tứ giác nút, nút 10 bậc tự Các ‘ham dang N, (i=1, 2, 8) xác định hệ tọa độ qui chiéu (£,77) cho [11] 'ec tơ chuyển vị đ điểm phần từ cho bởi: N;.NJ|fa} {a,}' fa} =[N]{#} a= ZN (En, =ÍN, VỚI d=Ă, = fio, vụ Mạ 6, 6;Ÿ - vec tơ chuyểnvị Ø, ty % % vụ Mụ 6, 6, xạ 2.2) OG 6,Ÿ -veetơchuyển vị nútthứi ae {fa } t4}- fa} ~ vec tơ bậc tự đo phần tử 'Các thành phần biến dạng xác định qua vec to chuyển vị dạng: 213 €,) we [te] [le rele le a, }=|s, |=| 1, |Íe)=| 1, |JŠ x4 =| 5, +} || «| lu, n\" B, 1, văn) 5, E„ L, ma trận tốn tử đạo hàm biểu diễn phụ lục [5.]=[[.]X [“.]x: - [2.]M] [Z“]-[[~]M [Z] - [Z]x] (%]7[,]M [2]M = [s]M] (#)-l[S]M te) - [2}] ay [5]=[I,]w, [“]x - [“]M] 3.4.1 Ma trận độ cứng tuyển tính phần tử “Từ biểu thức lượng phán tử tấm, ma trận độ cứng tuyến tính tính theo: “fle TEFGIG STEMI SR ”„” —~ Jdet|J|d£dn (225) với det|J| định thức ma trận Jacobian {11} 3.4.2 Ma trận độ cứng hình học “Thuế thức nàng lượng ứng suất bán đầu tả trọng học gây nên tá thủ đợc: [x:1- [[Ile[tzle ||ae{2]4£¿n Các số hạng ma trận (H/ xác định bởi: Để tính thành phẩn nội lực ma trân [H] cần phải xác định phân bố ứng suất ban đầu việc giải phương trình cho tải học don vi: ạ}={F2} 24 (24.3 Ma trdn độ cứng hình hoc lực nhiệt dm "Ma trận độ cứng hình học lực nhiệt ẩm gây nên cho bởi: xi} 27) fier [AP Je] set[ sagan (Céc số hang ma trận /H"”J tương tự nhu /H), chi khéc la céc thành _ ne tong (7h hành pha ộ lạ nh ấn suy tiệc gi phương th [x]fa}= {Fr} phần : (2.28) 2.4.4.Vec tơ tải phần tử “9 1% (B]=[ÏJIMIIB]MHRSmlz)=[[ETl.Jleem ca) đó: Ấ} =[n, _ n,} cường độ lực phân bố mặt phẳng trung bình (f„}=[MP" NỊƑ "Kích thước hình hoc, tọa địa phương chúng hệ tọa độ tổng thé Nợ” Mị" MP” Mi O}'lacéc thinh phẩn lực nhiệtẩm ma trận độ cứng, vec tơ lực nút tính hệ phần tử Để có phương trình tịan kết cấu ta phải chuyển đổi thong qua ma trận chuyển đổi hệ trục [T] [11] k]-rl'tri[z:]-trf[x:]r1:[E:]-Ir[(