BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM QUỐC HOÀN TÍNH TOÁN HÌNH DÁNG VÀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ DẦY CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ SỨC CHỊU ĐỀU, DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP LỰC CHẤ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - PHẠM QUỐC HỒN TÍNH TỐN HÌNH DÁNG VÀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ DẦY CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ SỨC CHỊU ĐỀU, DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP LỰC CHẤT LỎNG VÀ TRỌNG LƯỢNG BẢN THÂN VỎ BỒN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM QUỐC HỒN TÍNH TỐN HÌNH DÁNG VÀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ DẦY CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ SỨC CHỊU ĐỀU, DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP LỰC CHẤT LỎNG VÀ TRỌNG LƯỢNG BẢN THÂN VỎ BỒN Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thiết bị giới hóa nơng lâm nghiệp Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ KHẮC BẢY Hà Nội - 2012 i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận văn tớ t nghiê ̣p Cao ho ̣c ta ̣i Trường Đa ̣i Ho ̣c Lâm Nghiê ̣p, tác giả nhận quan tâm, tận tình giúp đỡ Thầy giáo tham gia giảng dạy Trường Đại học Lâm nghiệp, đặc biệt thầy giáo - TS Vũ Khắc Bảy - Người hướng dẫn khoa học, dành nhiều thời gian, tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian học tập Nhân dịp tác giả xin bày tỏ lòng biế t ơn và ghi nhận giúp đỡ quý báu Xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo khoa thuộc trường Đại học Lâm nghiệp có nhiều ý kiến góp ý giúp tác giả hồn thiện Luận văn cách hệ thống Mặc dù có nhiều cố gắng, thời gian hạn chế, nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót định, mong nhận ý kiến đóng góp quý báu Thầy cô giáo, Hội đồng khoa học của trường để đề tài nghiên cứu hoàn thiện Cuối tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè người thân gia đình giúp đỡ, động viên tác giả suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng 06 năm 2012 Tác giả Phạm Quốc Hoàn ii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn i Danh mục bảng iv Danh mục hình iv ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lý thuyết 1.2 Đặt toán .7 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Các bước thực nghiên cứu 1.5 Đối tượng - Phạm vi nghiên cứu - Khả ứng dụng 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 10 1.5.3 Khả ứng dụng 10 Nội dung trình bày luận văn 10 1.7 Các kết đạt luận văn 11 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN .12 2.1 Các hệ thức lý thuyết đàn hồi .12 2.2 Các hệ thức lý thuyết màng vỏ tròn xoay 13 2.2.1 Định nghĩa ký hiệu 13 2.2.2 Phương trình cân vỏ trịn xoay chịu tải đối xứng trục 18 CHƯƠNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT ĐỀU CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CĨ DẠNG VỎ TRỊN XOAY 23 3.1 Trạng thái ứng suất vỏ tròn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân 23 3.2 Phương pháp tính tốn hình dạng độ dầy vỏ trịn xoay có trạng thái ứng suất điểm , chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân .26 iii 3.2.1 Tính tốn hình dạng độ dầy vỏ bồn .26 3.2.2 Tính tốn thể tích bồn .31 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VỚI CÁC SỐ LIỆU CỤ THỂ 32 4.1 Cơng cụ tính tốn 32 4.2 Các kết tính tốn .32 4.2.1 Tính tốn với vật liệu bê-tông cốt thép : 33 4.2.2 Tính tốn với vật liệu composite : 36 4.3 Nhận xét kết tính tốn 40 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO iv DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang 4.1 Tọa độ (v , t) độ dầy h điểm kinh tuyến v 34 4.2 Tọa độ (v , t) độ dầy h điểm kinh tuyến v 37 TT DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang 1.1 Hình ảnh q trình thi cơng xây dựng tháp chứa nước 1.2 Tháp chứa nước Trảng Bom – Đồng Nai 2.1 Mặt hình học vỏ 13 2.2 Mặt trung bình vỏ 13 2.3 Hình 2.3 19 2.4 Lực tác động lên mặt cạnh phân tố 20 2.5 Hình 2.5 21 2.6 Cân vỏ vịng trịn vĩ tuyến 22 3.1 Chọn hệ tọa độ tính tốn : Trục 0v trục 0t 24 3.2 Hình 3.2 24 3.3 Tại đỉnh bồn 28 4.1 Mặt cắt đứng thành vỏ bồn 33 4.2 Mặt cắt đứng thành vỏ bồn 36 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước lĩnh vực khí chể tạo lắp giáp sửa chữa máy, thiết kế, thiết bị cho loại hình cơng nghệ sản xuất đóng vai trị quan trọng Phạm vi sử sản phẩm nghành chế tạo lắp máy rộng rãi.từ chi tiết nhỏ đơn giản đến chi tiết, sản phẩm có kích thước lớn phức tạp Những sản phẩm tạo nhờ má móc thiết bị khác Với xu tồn cầu hóa để nâng cao sức mạnh cạnh tranh trình hội nhập cần phát triển theo hướng tối giảm chi phí gia cơng sở đảm bảo nâng cao chất lượng sản phẩm Trong xu tồn cầu hóa để nâng cao sức cạnh tranh trình hội nhập cần phát triển sản xuất theo hướng tối giảm chi phí gia cơng sở đảm bảo nâng cao chất lượng sản phẩm,cũng thẩm mĩ Bồn chứa chất lỏng chủ yếu ta thấy nhiều cơng nghiệp hóa dầu tất hoạt động sản xuất buôn bán tích trữ liên quan đến khâu bờn bể chứa Bồn bể chứa tiếp nhận nguyên liệu trước đưa vào sản xuất tồn trữ sau sản xuất Bồn chứa có vai trị quan trọng có nhiệm vụ tồn trữ nguyên liệu sản phẩm giúp ta nhận biết số lượng tồn trữ Tại hoạt động kiểm tra chất lượng, số lượng phân tích tiêu trước xuất hàng tiêu thụ thực Bờn chứa có nhiều loại : Dựa theo chiều cao xây dựng người ta có bể ngầm, bể nổi, bể nửa ngầm bể khơi Dựa theo áp suất Ta có bể cao áp, bể áp lực trung bình, bể áp thường Phân loại theo vật liệu xây dựng ta có bể kim loại bể phi kim, cuối dựa theo hình dạng ta có bể trụ đứng, bể trụ nằm, bể hình cầu, hình giọt nước 2 Bờn đựng chất lỏng ( tháp nước ) với kích thước lớn làm vật liệu kim loại vật liệu composite thường xây dựng khu công nghiệp dân sinh Bồn nước có dạng vỏ trịn xoay đặt trụ giá đỡ Do áp lực thủy tĩnh chất lỏng nên thành bồn nước xuất ứng xuất , chuyển vị Nếu với hình dáng tròn xoay tùy ý, tác dụng áp lực chất lỏng trọng lượng thân, điểm vỏ có ứng suất với cường độ khác theo hướng Để bồn làm việc giới hạn cho phép cường độ ứng suất u phải nhỏ cường độ ứng suất cho phép p điểm Để tốn nguyên liệu xây dựng cần có hình dáng độ dầy hợp lý để ứng suất theo hướng điểm thành vỏ Do vậy, tính tốn hình dạng trịn xoay thay đổi độ dầy vỏ bồn đựng chất lỏng làm vật liệu kim loại hay composite có sức chịu phía áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân giúp cho việc xây dựng bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ trịn xoay làm việc an tồn tối ưu vật liệu xây dựng Hình dạng tháp nước thường vỏ nón hay dạng giọt nước Tháp nước dạng giọt nước việc cơng trình thẩm mỹ nơi cơng cộng mà cịn hình dạng vỏ có sức chịu theo hướng tác dụng áp lực nước trọng lượng thân Vật liệu composite thay nhiều cho vật liệu kim loại xây dựng Tính tốn cách chi tiết để tối ưu hóa có chương trình tính thuận tiện cho việc thiết kế thi công xây dựng bồn nước có sức chịu vật liệu composite chưa có đầy đủ 3 Để đảm bảo cho bờn làm việc đảm bảo tính an tồn hiệu kinh tế đồng thời đáp ứng tính thẩm mĩ địi hỏi việc thiết kế tính tốn phải tỉ mỉ cẩn thận đảm bảo độ xác cao Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn nêu trên, đồng ý hội đồng khoa học- công nghệ sở đào tạo SĐH trường ĐHLN, Tôi tiến hành thực luận văn tốt nghiệp với đề tài “Tính tốn hình dáng thay đổi độ dầy vỏ bồn đựng chất lỏng có sức chịu đều, tác dụng áp lực chất lỏng trọng lượng thân vỏ bồn ” CHƯƠNG TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu độ bền kết cấu học vấn đề quan tâm Trên sở lý thuyết đàn hồi mà có quan hệ ứng suất – biến dạng theo Húc, người ta giải nhiều toán độ bền kết cấu dạng bản, vỏ Sự phát triển nghiên cứu học đàn dẻo với mơ hình lý thuyết đàn dẻo khác nhau, người ta có kết nghiên cứu tính tốn đàn – dẻo số dạng kết cấu vỏ mỏng Bài toán độ bền vỏ có dạng trịn xoay đề cập đến [1], [2], [5] Trong cơng trình tác giả xây dựng phương trình tính tốn bền cho kết cấu vỏ dạng trịn xoay Cơng trình [3] có nghiên cứu độ bền ổn định đàn - dẻo vỏ nón chịu áp suất ngồi, cơng trình tác giả có xét đến ảnh hưởng đặc trưng vật liệu đến giá trị lực tới hạn xét đến ảnh hưởng độ mỏng vỏ ( qua tỷ số h ) L giá trị lực tới hạn Bờn nước dạng vỏ có sức chịu chịu tải áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân vỏ, ta chọn tham số tải trọng lượng riêng chất lỏng trọng lượng riêng vỏ B trọng lượng riêng đơn vị diện tích mặt q ( với q = B h , h chiều dầy vỏ) Do tốn đàn hời nghiệm, nên kết cấu học làm việc giai đoạn đàn hời ứng với giá trị tải ngồi có trạng thái ứng suất , biến dạng , chuyển vị Tải trọng ngồi bờn đựng nước áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân vỏ, chúng có cường độ hướng khác điểm Vì để có trạng thái ứng suất theo hướng vỏ cần có hình dạng độ dầy Hình 1.1 Hình ảnh q trình thi cơng xây dựng tháp chứa nước Hình 1.2 Tháp chứa nước Trảng Bom – Đồng Nai 1.2 Đặt tốn Bờn đựng chất lỏng có dạng vỏ trịn xoay Vỏ bờn bị ngàm chặt trụ đứng theo đường trịn A-B Vỏ có trọng lượng riêng B có đặc trưng vật liệu : mơ đun đàn hời E , số Pốt-xơng Bờn đựng đầy chất lỏng có trọng lượng riêng Cần tính tốn hình dạng vỏ quy luật thay đổi chiều dầy vỏ để cho ứng suất điểm vỏ giá trị định trước Như việc tính tốn vỏ bờn đựng chất lỏng có sức chịu dẫn đến vấn đề cần giải : Với yêu cầu sức chứa chất lỏng bồn định trước.Với thông số vật liệu cho trước : E , B trọng lượng riêng chất lỏng, hình dạng vỏ bờn tròn xoay thay đổi độ dầy h vỏ phải để ứng suất điểm theo hướng giá trị định trước Việc nghiên cứu đề tài đưa tốn : “Tính tốn hình dáng thay đổi độ dầy vỏ bồn đựng chất lỏng có sức chịu đều, tác dụng áp lực chất lỏng trọng lượng thân vỏ bồn ” 1.3 Mục tiêu đề tài Yêu cầu toán đặt theo phần trên, tức : Với sức chứa chất lỏng bồn định trước Với thông số vật liệu: E , B , trọng lượng riêng chất lỏng T cho trước, hình dạng vỏ bờn trịn xoay thay đổi độ dầy h vỏ phải để ứng suất điểm theo hướng giá trị định trước Do mục tiêu nghiên cứu đề tài cần đạt : Mơ hình hóa thiết lập toán học độ bền vỏ tròn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định Tìm mối liên hệ thơng số E , , B , T , h kết cấu làm việc giới hạn đàn hời Trên sở mối liên hệ trên, tìm profin thiết diện vỏ độ dầy h dọc đường kinh tuyến vỏ ứng suất điểm vỏ theo hướng giá trị định trước Đưa phần mềm tính tốn phụ thuộc hình dạng thành vỏ bồn thay đổi độ dầy h thành vỏ với thể tích chứa chất lỏng bờn Mục tiêu thứ có ý nghĩa thực tế : cho phép thiết kế hình dạng vỏ bồn quy luật thay đổi độ dầy h vỏ, để bồn đựng đầy chất lỏng có trạng thái ứng suất theo hướng điểm ứng suất giá trị định trước , đờng thời tính tốn độ dầy h cần thiết để bờn có sức chứa theo yêu cầu 9 1.4 Các bước thực nghiên cứu Để giải mục tiêu toán trên, đề tài cần phải thực bước sau: Bước Thiết lập phương trình tính bền cho kết cấu vỏ trịn xoay Bước Xác định trạng thái ứng suất màng vỏ tròn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân Bước Trên sở xác định trạng thái ứng suất màng vỏ tròn xoay, thiết lập phương trình tính tốn hình dạng đường sinh độ dày h vỏ với điều kiện ứng suất theo hai hướng : dọc đường kinh tuyến hướng vĩ tuyến giá trị định trước Bước Đưa thuật tốn giải số phương trình Bước Lập trình tính tốn để có kết nhanh chóng thay đổi thơng số Do hình dạng vỏ bồn phụ thuộc vào giá trị thông số nên dẫn đến sức chứa bồn phụ thuộc vào thơng số Vậy nhờ chương trình tính, ta lựa chọn giá trị thông số hợp lý để sức chứa bờn có giá trị định trước Chẳng hạn : với thông số vật liệu vỏ trọng lượng riêng chất lỏng cố định, độ dầy h phải để bồn làm việc trạng thái ứng suất có sức chứa định trước Trong bước thực trên, bước thực nhờ [1] , [2] , [3] , [5], bước đề tài giải 1.5 Đối tượng - Phạm vi nghiên cứu - Khả ứng dụng 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Mơ hình hóa tốn tính tốn bền bờn đựng đầy chất lỏng có dạng vỏ trịn xoay, có kể đến trọng lượng thân vỏ đưa dạng tốn: tính tốn bền vỏ trịn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định 10 Giải tốn độ bền vỏ trịn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện : trạng thái ứng suất theo hướng : vĩ tuyến kinh tuyến giá trị định trước Trên sở mối liên hệ trên, tìm quan hệ đại lượng : E , B , , h , để từ tìm hình dạng vỏ bồn quy luật thay đổi h cố định Đưa phần mềm tính tốn hình dạng thành vỏ bờn theo tham số vật liệu theo ứng suất định trước thành vỏ 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu Tính tốn bền vỏ tròn xoay chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân , với điều kiện trạnh thái ứng suất theo hướng giá trị định trước Có thể thay đổi giá trị tham số E , , B , h0 – ( độ dầy vỏ đỉnh bờn) - tính tốn Lập chương trình tính 1.5.3 Khả ứng dụng Đề tài có khả ứng dụng tính tốn xây dựng bờn chứa nước dạng trịn xoay theo thơng số vật liệu vỏ cho trước E , B , chất lỏng chứa bờn có trọng lượng riêng Bồn thiết kế xây dựng cho trạng thái ứng suất vỏ bồn theo hướng vĩ tuyến kinh tuyến giá trị định trước đờng thời có sức chứa theo yêu cầu Cho kết tính toán nhanh xây dựng phần mềm Nội dung trình bày luận văn Nội dung luận văn gồm phần mở đầu, chương phụ lục : Chương : Tổng quan nội dung nghiên cứu 11 Chương : Cơ sở lý thuyết sử dụng luận văn Chương : Trạng thái ứng suất vỏ bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ trịn xoay Chương 4: Kết tính tốn với số liệu cụ thể Chương : Kết luận Phần phụ lục code chương trình tính Visual-Basic 1.7 Các kết đạt luận văn Kết nghiên cứu đề tài thực : - Xây dựng mô hình tính tốn hình dạng độ dầy vỏ bờn đựng chất lỏng dạng trịn xoay để vỏ có trạng thái ứng suất chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân - Xây dựng phương trình liên hệ tham số vật liệu, độ dầy vỏ, ứng suất theo hai hướng vĩ tuyến kinh tuyến - Có thể thay đổi giá trị tham số E , , B , h0 – ( độ dầy vỏ đỉnh bờn) - tính tốn - Viết phần mềm tính tốn giúp cho việc lựa chọn thơng số phù hợp xây dựng bồn chứa chất lỏng, để đảm bảo bồn chứa đầy chất lỏng làm việc trạng thái ứng suất định trước có sức chứa theo yêu cầu 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 2.1 Các hệ thức lý thuyết đàn hồi + Phương trình cân ij K j xi (2 1a) không kể lực khối : ij xi 0 (2-1b) + Định luật Huc ( phương trình trạng thái) ij ij 2ij (2- 2) + Hệ thức Cô-si u j u ij i x j xi + Điều kiện đầu (2- 3) t = có : * ui(x1 , x2 , x3 , 0) = ui0 x1 ,x2 ,x3 ,0 * ui t (2-4) vi0 (x1 ,x ,x3 ) t0 + Các điều kiện biên * Trên biên Su cho chuyển vị : u u b * Trên biên S lực mặt F = Tn ij n j Fi (2-5) (2-6) Các phương trình (2-1a) (hoặc (2-1b) ), (2-2) , (2-3) với điều kiện đầu (2-4) điều kiện biên (2-5), (2-6) lập thành hệ kín xác định thành phần chuyển vị, thành phần biến dạng thành phần ứng suất Việc chứng minh tờn nghiệm tốn chứng minh 13 2.2 Các hệ thức lý thuyết màng vỏ tròn xoay 2.2.1 Định nghĩa ký hiệu Tương tự lý thuyết tấm, ta gọi h chiều dầy vỏ coi chiều nhỏ nhiều so với kích thước khác bán kính cong vỏ ( ≤ 20 lần) Gọi mặt chia đôi chiều dầy vỏ mặt trung bình ( mặt ) Nếu biết hình dạng mặt trung bình chiều dầy điểm mặt ta hồn tồn xác định vỏ mặt hình học Hình 2.1 Mặt hình học vỏ Hình 2.2 Mặt trung bình vỏ 14 Để phân tích nội lực, ta tách vỏ phân tố vô nhỏ hai cặp mặt phẳng gần vng góc với mặt trung bình vỏ chứa độ cong vỏ Chọn trục tọa độ x y theo phương tiếp tuyến với đường cong điểm O hình vẽ, cịn trục z vng góc với mặt trung bình Ký hiệu bán kính cong mặt phẳng xz yz Rx Ry Khi tính tốn trạng thái biến dạng, ứng suất dựa theo giả thiết sau Các đoạn thẳng vng góc với mặt trung bình vỏ cịn thẳng vng góc với mặt trung bình vỏ chịu uốn độ dài chúng không đổi ( giả thiết pháp tuyến thẳng Kirchhoff ) Thành phần ứng suất pháp theo pháp tuyến với mặt trung bình bỏ qua Nếu gọi *x , *y , *xy thành phần biến dạng mặt thành phần biến dạng : x *x z.x x ; y ; y *y z. y ; xy *xy z. xy (2-7) độ cong mặt theo phương x y , xy độ xoắn mặt Các đại lượng biểu diễn theo thành phần chuyển dịch theo hệ thức Cơ-si có dạng : *x u v 1 w 1 x 12 y R x *y v u 2 w 2 y 12 x R y v u *xy 2 x 1 y 1 (2-8) ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP PHẠM QUỐC HỒN TÍNH TỐN HÌNH DÁNG VÀ SỰ THAY ĐỔI ĐỘ DẦY CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ SỨC CHỊU ĐỀU, DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP. .. dáng thay đổi độ dầy vỏ bồn đựng chất lỏng có sức chịu đều, tác dụng áp lực chất lỏng trọng lượng thân vỏ bồn ” CHƯƠNG TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu độ bền... dầy h vỏ phải để ứng suất điểm theo hướng giá trị định trước Việc nghiên cứu đề tài đưa tốn : ? ?Tính tốn hình dáng thay đổi độ dầy vỏ bồn đựng chất lỏng có sức chịu đều, tác dụng áp lực chất lỏng