Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật tính toán ổn định cho bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón làm bằng vật liệu composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRẦN VĂN ĐIỂN TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ DẠNG VỎ NÓN LÀM BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Chuyên ngành Kỹ thuật máy và t[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRẦN VĂN ĐIỂN TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CHO BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ DẠNG VỎ NÓN LÀM BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thiết bị giới hóa Nơng- Lâm nghiệp Mã số: 60.52.14 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2011 i LỜI CẢM ƠN Sau kết thúc trình học tập nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học, chun ngành Máy thiết bị giới hóa nơng -lâm nghiệp Trường Đại học Lâm nghiệp Tôi nhận thực nghiên cứu đề tài khoa học với nội dung: “Tính tốn ổn định cho bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón làm vật liệu composite ” Đến tơi hồn thành đề tài nghiên cứu, có kết ngồi nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn bảo tận tình Thầy Cơ Trường Đại học Lâm nghiệp, động viên chia sẻ bạn bè đồng nghiệp Nhân dịp xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: - Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Cơ điện Nông nghiệp Nam Bộ - Ban giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp - Các Thầy Cô khoa đào tạo sau đại học Trường Đại học Lâm nghiệp - Thầy giáo TS VŨ KHẮC BẢY trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình thực đề tài Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, trích dẫn luận văn có xuất sứ cụ thể có sở khoa học Cần Thơ tháng năm 2011 Học viên Trần Văn Điển ii MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục bảng iv Danh mục hình v MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lý thuyết 1.2 Đặt toán 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Các bước thực nghiên cứu 1.5 Đối tượng - Phạm vi nghiên cứu - Khả ứng dụng 1.6 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 17 2.2.3 Trạng thái ứng suất màng vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh 21 trọng 2.3 Khái niệm ổn định hệ thức ổn định theo tiêu chuẩn tĩnh 25 iii 2.4 Phương trình ổn định vỏ nón trịn xoay theo tiêu chuẩn tĩnh Chương : ỔN ĐỊNH CỦA BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ DẠNG VỎ NÓN 3.1 Ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân 3.2 Giải toán ổn định vỏ bồn hình nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân 26 30 30 33 Chương KẾT QUẢ TÍNH TỐN VỚI CÁC SỐ LIỆU CỤ THỂ 40 4.1 Cơng cụ tính tốn 40 4.2 Các kết tính tốn 40 4.2.1 Tính tốn với thơng số vật liệu bê-tơng cốt thép 41 4.2.2 Tính tốn với thơng số vật liệu composite 42 4.2.3 Cách sử dụng đồ thị để tìm độ dầy tổi thiểu h* vỏ bồn 44 4.3 Nhận xét kết tính tốn 44 Chương KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC BẢNG STT Tên hình Trang Bảng 4.1 Kết tính tốn 41 Bảng 4.2 Kết tính tốn 43 v DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ STT Tên hình Trang Hình 1.1 Hình ảnh q trình thi cơng xây dựng tháp chứa nước hình nón Hình 1.2 Tháp chứa nước hình nón Trảng Bom – Đồng Nai Hình 2-1 13 Hình 2-2 13 Hình 2-3 18 Hình 2-4 19 Hình 2-5 20 Hình 2-6 21 Hình 2-7 22 10 Đồ thị 4.1 42 11 Đồ thị 4.2 43 MỞ ĐẦU Việc xây dựng bồn đựng chất lỏng nói chung xây dựng bồn chứa nước nói riêng nơi cơng cộng, ngồi việc phục vụ nhu cầu sản xuất sinh hoạt cịn mang tính thẩm mỹ cao Chính có nhiều nơi xây dựng bồn chứa nước dạng vỏ nón với sức chứa 200 m3, chúng xây dựng với vật liệu bê tơng cốt thép Vì việc thi cơng cơng trình vât liệu có khối lượng riêng lớn bê tơng gặp nhiều khó khăn phải thiết kế hệ thống cốt - pha để đổ bê tông Mặt khác thân bê tông vật liệu có khối lượng lớn, nên tính tốn ta phải kể đến lượng thân vật liệu Bồn đựng chất lỏng ( tháp nước ) với kích thước lớn làm vật liệu kim loại vật liệu composite Bồn nước có dạng vỏ nón đặt trụ giá đỡ Do áp lực thủy tĩnh chất lỏng nên thành bồn nước xuất ứng xuất , chuyển vị Với kích thước khác ( độ dầy vỏ, bán kính , độ dài đường sinh ), với thơng số vật liệu khác có cường độ ứng xuất khác vỏ dẫn đến giới hạn ổn định khác Sự ổn định kết cấu nằm giới hạn đàn hồi Mất ổn định giới hạn đàn hồi tức kết cấu ổn định làm việc giới hạn đàn hồi ( chưa có vùng dẻo xuất hiện) Mất ổn định giới hạn đàn hồi tức kết cấu ổn định có vùng xuất dẻo Trong nội dung nghiên cứu yêu cầu thực tiễn nên xét ổn định giới hạn đàn hồi bồn đựng chất lỏng dạng vỏ nón Với kết cấu hình học vỏ cho, với tham số vật liệu ban đầu, tải thay đổi theo tham số T Khi gia tải ( tức thay đổi T) dẫn đến hai giá trị T : giá trị Ts ứng với tải làm cho kết cấu xuất vùng dẻo giá trị T0 ứng với tải làm cho kết cấu ổn định giá trị T0 lớn Ts (khi xét ổn định đàn dẻo) Do yêu cầu kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi nên trường hợp nghiên cứu ta lấy giá trị lực tới hạn ứng với tham số T* = (T0 , Ts) Ngoài việc dùng vật liệu kim loại để xây dựng bồn chứa chất lỏng, người ta dùng loại vật liệu dạng composite : bê tông cốt sắt, ê-pôsi với cốt sợi vải thường sợi các-bon, sợi thủy tinh Với vật liệu composite khác có tính khác đồng thời việc thi cơng dễ dàng xây dựng bồn có sức chứa lớn cao chẳng hạn dùng vật liệu composite dạng ê- pô-si với cốt sợi vải thường tạo vật liệu thi cơng trường, việc làm cho q trình thi cơng dễ dàng tiết kiệm nhiều thời gian tất nhiên có lợi mặt kinh tế (vì giá thành vải thường nhựa ê-pơ-si khơng đắt) Nghiên cứu ổn định vỏ nón làm vật liệu composite chịu áp lực thủy tĩnh giúp cho việc xây dựng bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón làm việcđược an tồn tối ưu vật liệu xây dựng Chính lẽ đó, việc tính tốn để thay vật liệu cho q trình xây dựng dạng kết cấu cần thiết 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 dạng vỏ nón vật liệu composite chưa có đầy đủ Để nâng cao hiệu sử dụng bồn đựng chất lỏng dạng vỏ nón vật liệu composite, đồng thời xuất phát từ sở khoa học thực tiễn trên, thực đề tài: “Tính tốn ổn định cho bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón làm vật liệu composite ” Chương TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu ổn định 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 ổn định giới hạn đàn hồi 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 ổn định đàn – dẻo số dạng kêt câu vỏ mỏng dưựa số tiêu chuẩn ổn định Bài oán ổn định vỏ có dạng trịn xoay đề cập đến [1] , [3] ,[4] Trong cơng trình tác giả xây dựng phương trình ổn định đàn – dẻo cho kết cấu vỏ dạng trịn xoay Cơng trình [4] có nghiên cứu 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 ) đối L với giá trị lực tới hạn Bồn nước dạng vỏ nón chịu tải ngồi áp lực thủy tĩnh, ta chọn tham số tải trọng lượng riêng chất lỏng :  T Do có kể đến trọng lượng thân vỏ nên ta gọi trọng lượng riêng vỏ  B trọng lượng riêng đơn vị diện tích mặt q ( với q =  B h , h chiều dầy vỏ) 4 Hình 1.1 Hình ảnh trình thi cơng xây dựng tháp chứa nước hình nón Hình 1.2 Tháp chứa nước hình nón Trảng Bom – Đồng Nai Do toán đàn hồi nghiệm, nên kết cấu học làm việc giai đoạn đàn hồi ứng với giá trị tải ngồi có trạng thái ứng suất , biến dạng , chuyển vị Tải trọng gia tải theo tham số Đến giá trị tham số tải ( mà sau ta gọi lực tới hạn), thêm gia số vô bé cho tham số tải từ cân kết cấu đại lượng ứng suất, biến dạng, chuyển vị thêm số gia, giá trị số gia không : kết cấu tồn nhiều dạng cân kết cấu gọi ổn định Các nghiên cứu học cho tiêu chuẩn ổn định: Tiêu chuẩn tĩnh , tiêu chuẩn động, tiêu chuẩn lượng Trong nội dung nghiên cứu ta dùng tiêu chuẩn tĩnh 1.2 Đặt toán Bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón Chiều dài đường sinh : L , góc mở đỉnh :  , chiều dầy vỏ h vỏ bồn bị ngàm chặt trụ đứng theo đường tròn A-B cách đỉnh O khoảng : x0 Tại biên C-D đai chặt ( nắp đập) Chất lỏng có trọng lượng riêng  T Vỏ có trọng lượng riêng  B có đặc trưng vật liệu : mơ đun đàn hồi E , số Pốt-xơng :  Tính tốn ổn định kết cấu bồn đựng đầy chất lỏng dẫn đến hai vấn đề cần giải :  Với thông số hình học cố định : L , h ,  , x0 thông số vật liệu cho trước : E ,  ,  B , giới hạn  T để kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi  Với thơng số hình học cố định : L ,  , x0 , với thông số vật liệu cho trước : E ,  ,  B với trọng lượng riêng chất lỏng  T cho trước , độ dầy h để kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi Việc nghiên cứu đề tài đưa tốn : Tính tốn ổn định vỏ nón làm vật liệu composite chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân 1.3 Mục tiêu đề tài Yêu cầu toán đặt theo phần trên, tức :  Cố định thông số : L , h ,  , x0 , E ,  ,  B , cần tính tốn giới hạn  T để kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi  Cố định thông số : L ,  , x0 , E ,  ,  B trọng lượng riêng chất lỏng  T , cần tính tốn độ dầy h nhỏ để kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi Do mục tiêu nghiên cứu đề tài cần đạt : Mơ hình hóa thiết lập toán học ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định Tìm mối liên hệ thơng số L , h ,  , x0 , E ,  ,  B ,  T kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi 8 Trên sở mối liên hệ trên, tìm quan hệ hai đại lượng :  T h (khi cố định giá trị L ,  , x0 , E ,  ,  B ) Đưa phần mềm tính tốn ổn định thành vỏ bồn theo tham số vật liệu kích thước hình học thành vỏ Mục tiêu thứ có ý nghĩa thực tế : với tham số hình học vật liệu bồn: L ,  , x0 , E ,  ,  B cho trước, muốn kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi, : - Nếu để chứa loại chất lỏng có trọng lượng riêng  T độ dầy h vỏ bồn phải tối thiểu bao nhiêu, với độ dầy h vỏ bồn cho trước bồn chứa loại chất lỏng có trọng lượng riêng lớn 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 ổn định cho kết cấu vỏ nón Bước Xác định trạng thái ứng suất màng vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân Bước Trên sở xác định trạng thái ứng suất màng vỏ nón đo thiết lập phương trình ổn định cho kết cấu vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân Bước Chuyển phương trình ổn định điều kiện biên dạng viết cho chuyển vị Bước Áp dụng phương pháp Riz phương pháp Bubnov – Galerkin để giải tốn : Tìm dạng nghiệm ( thành phần số gia chuyển vị) dạng chuỗi hàm với hệ số cần xác định Các thành phần số gia chuyển vị thỏa mãn điều kiện biên, hệ số xác định điều kiện : thành phần số gia chuyển vị thỏa mãn phương trình ổn định chúng không đồng thời Trong thực bước ta áp dụng phương pháp Bubnov Galerkin, dẫn đến giải phương trình đại số tuyến tính Vì để khơng có nghiệm tầm thường định thức ma trận hệ số phải 0, điều dẫn đến giá trị tham số tải Lấy giá trị nhỏ số giá trị vừa tìm tham số ứng với lực tới hạn Như vậy, với lực tới hạn ( ứng với tham số tải  *T ), ta tính trạng thái ứng suất vỏ tính cường độ ứng suất u , ta kiểm soát trạng thái đàn hồi kết cấu :  Nếu u < s ( s - giới hạn dẻo vật liệu) kết cấu ổn định giới hạn đàn hồi kết cấu chứa chất lỏng có  T  *T  Nếu u > s kết cấu ổn định giới hạn đàn hồi kết cấu chứa chất lỏng có T  s (  s ứng với giá trị làm cho u = s ) Trong bước thực trên, bước thực nhờ [1] , [2] , [3] , 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 ổn định bồn đựng đầy chất lỏng có dạng vỏ nón có kể đến trọng lượng thân vỏ dạng tốn : ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định  Giải toán ổn định vỏ nón để dẫn đến liên hệ thông số L , h ,  , x0 , E ,  ,  B ,  T kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi 10  Trên sở mối liên hệ trên, tìm quan hệ hai đại lượng :  T h (khi cố định giá trị L ,  , x0 , E ,  ,  B )  Đưa phần mềm tính tốn ổn định thành vỏ bồn theo tham số vật liệu kích thước hình học thành vỏ 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định, giải toán dẫn đến liên hệ thông số L , h ,  , x0 , E ,  ,  B ,  T kết cấu làm việc ổn định giới hạn đàn hồi  Có thể thay đổi giá trị tham số L, h ,  , x0 , E ,  ,  B ,  T tính tốn  Lập chương trình tính 1.5.3 Khả ứng dụng  Cho kết tính tốn nhanh có phần mềm  Đề tài có khả ứng dụng tính tốn xây dựng bồn chứa nước dạng vỏ nón với thơng số hình học khác : L , h ,  , x0 thông số vật liệu khác E ,  ,  B , với chất lỏng chứa bồn có trọng lượng riêng  T khác Nội dung trình bày luận văn Nội dung luận văn gồm phần mở đầu, chương phụ lục :  Chương : Tổng quan nội dung nghiên cứu  Chương : Cơ sở lý thuyết sử dụng luận văn  Chương : Ổn định bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón  Chương 4: Kết tính tốn với số liệu cụ thể  Chương : Kết luận Phần phụ lục code chương trình tính Visual-Basic 11 1.7 Các kết đạt luận văn Kết nghiên cứu đề tài thực : - Xây dựng mơ hình tính toán ổn định giới hạn đàn hồi bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ nón chịu áp lực thủy tính trọng lượng thân - Xác định lực tới hạn ổn định giới hạn đàn hồi thông qua tham số tải  T - trọng lượng riêng chất lỏng với tham số hình học bồn : L , h ,  , x0 tham số vật liệu vỏ bồn : E ,  ,  B Từ cho mối liên hệ trọng lượng riêng chất lỏng  T độ dầy h vỏ, điều sở cho tính tốn xây dựng bồn cách hợp lý an tồn sử dụng - 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 giới hạn đàn hồi không bị ổn định 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  2ij (2- 2) + Hệ thức Cô-si u j   u ij   i    x j xi  (2- 3) + Điều kiện đầu t = có : * ui(x1 , x2 , x3 , 0) = ui0  x1 ,x2 ,x3 ,0  * ui t (2-4)  vi0 (x1 ,x ,x3 ) t0 + 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 13 Việc chứng minh tồn nghiệm toán chứng minh 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 Hình 2-2 14 Để phân tích nội lực, ta tách vỏ phân tố vô nhỏ hai cặp mặt phẳng gần vuông 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 toán trạng thái biến dạng, ứng suất dựa theo giả thiết sau :  Các đoạn thẳng vuông 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 12 y R x *y  v u 2 w   2 y 12 x R y     v     u  *xy         2 x    1 y  1  (2-8) ... trình ổn định vỏ nón tròn xoay theo tiêu chuẩn tĩnh Chương : ỔN ĐỊNH CỦA BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ DẠNG VỎ NÓN 3.1 Ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân 3.2 Giải toán ổn định vỏ bồn. .. tốn ổn định bồn đựng đầy chất lỏng có dạng vỏ nón có kể đến trọng lượng thân vỏ dạng toán : ổn định vỏ nón chịu áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân với điều kiện biên xác định  Giải tốn ổn định vỏ. .. tơng vật liệu có khối lượng lớn, nên tính tốn ta phải kể đến lượng thân vật liệu Bồn đựng chất lỏng ( tháp nước ) với kích thước lớn làm vật liệu kim loại vật liệu composite Bồn nước có dạng vỏ nón