Nghiên cứu lý thuyết và tính toán số kết cấu composite và ứng dụng

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I BÁO CÁO TỐNG HỢP NGHIỆM THƯ ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TỐN SỐ KẾT CẤU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG Mã số: QGTĐ 08.07 Chủ nhiệm: PGS.TS Đào Văn Dũng Đồng chủ nhiệm: G S.TSK H Đào Huy Bích ĐAI HỌC Q U Ĩ C G iA HA NỌI ĨPỤNG í AM THỊNG TIN THỰ VIÊN D T Ị ÀOCiỉ, Hà Nội, tháng 12 năm 2009 MỤC LỤC Tên đề tài - Mã số Danh sách người tham g ia .2 Tóm tắt kết nghiên cứu đề tài Đặt vấn đ ề Tổng quan vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài Địa điểm, thời gian phương pháp nghiên cứu Kết nghiên cứu 4.1 Nội dung nghiên cứu 4.2 Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ composite lớp có gia cường 4.3 Phân tích tĩnh động composite lớp sử dụng lý thuyết chuyển vị bậc cao 15 4.4 Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ vật liệu có tính biến thiên 22 Các công bố liên quan đến kết đề tài 28 Kết đào tạo đề tài 30 Kết ứng dụng đề tài 31 Kinh phí cho đề tài 31 Thảo luận 31 10 Kết luận kiến nghị 32 Tài liệu tham khảo 33 Đại học Qc gia Hà Nội Cộng hịa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Độc lập —Tự —Hạnh phúc Hà Nội, ngày 25 thảng 12 năm 2009 BÁO CÁO TỎNG HỢP NGHIỆM THU ĐÈ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tên đề tài - Mã sổ Tên đề tài: Nghiên cửu lỷ thuyết tính tốn sổ kết cẩu composite ứng dụng Mã số: QGTĐ.08.07 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đào Văn Dũng Đồng chủ nhiệm: GS.TSKH Đào Huy Bích Cơ quan quản lý: Đại học Quốc gia Hà Nội Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Danh sách người tham gia đề tài PGS.TS Đào Văn Dũng - Chủ trì - ĐH Khoa học Tự nhiên GS.TSKH Đào Huy Bích - Đồng chủ trì - ĐH Khoa học Tự nhiên TS Vũ Đồ Long - Thư ký- ĐH Khoa học Tự nhiên ThS Hoàng Văn Tùng - ĐH Khoa học Tự nhiên GS.TS Trần ích Thịnh - ĐH Bách khoa Hà Nội ThS Trần Hữu Quốc - ĐH Bách khoa Hà Nội PGS.TS Ngô Như Khoa - ĐH Thái Nguyên PGS.TS Khúc Văn Phú - Học viện Hậu cần TS Nguyễn Văn Đạt - ĐH Thủy sản Nha Trang 10 TS Lê Văn Dân - Viện Công nghệ, Bộ QP TOM TAT CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN c u CHÍNH CỦA ĐẺ TÀI Kết khoa học Đã nghiên cứu lý thuyết tính tốn số kết cấu vỏ vật liệu composite lớp, vật liệu composite tính biến thiên liên tục theo độ dày kết cấu, vật liệu composite áp điện Các nghiên cứu liên quan đến phân tích tuyến tính phi tuyến độ bền, ổn định tĩnh ổn định động, dao động tuyến tính dao động phi tuyến kết cấu vỏ nêu Trong tính tốn đề cập đến yếu tố phi tuyến hình học, phi tuyến vật lý, độ khơng hồn hảo kết cấu dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu: tải nhiệt, tải tĩnh tải phụ thuộc thời gian Đề xuất vài cách tiếp cận giải tốn Đã cơng bố được: 01 cơng trình đăng Tạp chí Quốc tế “ Technische Mechanik” 01 gửi đăng “ Computational Materials Science” 08 cơng trình đăng Tạp chí Quốc gia “ Vietnam Journal of Mechanics” 02 nhận đăng “ Vietnam Journal of Mechanics” 07 cơng trình đăng Tuyển tập Hội nghị Quốc tể 04 cơng trình đăng Tuyển tập Hội nghị Quốc gia Tồng công: 23 cơng ừình Kết phục vụ thực tế Góp phần vào tính tốn kết cấu composite vỏ tàu composite loại nhỏ Trung tâm nghiên cứu chế tạo tàu Nha Trang, Đại học Thủy sản Nha Trang ứng dụng composite có gân gia cường làmbàn đẩy mũi tàu đẩy đồn xà lan Đơng Triều Quảng Ninh Kết đào tạo a) Đã đào tạo 04 thạc sĩ (Lê Khả Hòa, Phạm Văn Khoa, Nguyễn Thị Kim Thoa, Trịnh Minh Công) b) Số lượng học viên Cao học: 04 (Bùi Gia Phi, Nguyễn Mai Phương, Lê Thị Thùy Dương, Nguyễn Thị Huệ) c) Đã đào tạo 01 Tiến sĩ (Lê Văn Dân) d) Số nghiên cứu sinh làm việc đề tài: 06 (Trần Hữu Quốc (đã bảo vệ sở), Lê Kim Ngọc (đã bảo vệ sở), Hồng Văn Tùng, Bùi Quốc Bình, Bùi Văn Bình, Đỗ Tiến Dũng) ĐẶT VẨN ĐÈ Vật liệu - vật liệu composite chế tạo từ hai nhiều thành phần khác nhau, thành phần có đặc trưng - lý - hóa riêng, tổng hợp chúng lại cho ta vật liệu Tùy cách chọn thành phần cách tổ hợp mà ta có vật liệu với tính theo yêu cầu Điểm bật vật liệu composite có độ bền cao nhẹ, chịu nhiệt độ cao điều kiện khác môi trường Vật liệu composite ngày ứng dụng nhiều hầu hết lĩnh vực kinh tế quốc dân, từ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, giao thông thủy lợi đến ngành công nghiệp chế tạo máy, khai thác dầu khí, hóa chất đặc biệt ngành đóng tầu, ngành hàng khơng, hàng khơng vũ trụ lị phản ứng hạt nhân Hai loại vật liệu composite: composite lớp - hình thành cách đặt lớp vật liệu có tính khác vật liệu có tính biến thiên - hình thành hỗn hợp trộn hai nhiều vật liệu khác theo tỉ lệ tăng - giảm Vật liệu composite thử hai loại vật liệu có đặc trưng học biến thiên liên tục hàm tọa độ Các kết cấu không gian dạng vỏ hai loại vật liệu chiếm tỉ lệ lớn kết cấu vật liệu composite ứng dụng nhiều kĩ thuật Nhiều nghiên cứu độ bền ổn định dao động kết cấu - vỏ composite thực hiện, số phương pháp nghiên cứu đề xuất với cách tiếp cận khác nhận nhiều kết lý thuyết ứng dụng Tuy nhiên, nhiều vấn đề cịn đề cập, kết cịn phản ánh tài liệu khoa học nước quốc tế Đề tài hướng đến nghiên cứu số vấn đề sauíxác định đặc trưng tính vĩ mơ vật liệu composite phục vụ cho tính tốn ứng dụng; phương pháp giải tích nghiên cứu ôn định phi tuyên, dao động phi tuyến ổn định động kết cấu composite lớp dạng tấm, vỏ thoải hai độ cong, vỏ trụ có gân gia cường lệch tâm, tâm gia cường dạng lượn sóng xuât biến dạng lớn kể kết cấu khơng hồn hảo; phương pháp phần tử hừu hạn phân tích tĩnh động tâm composite lớp cỏ gân gia cường đặt với tiết diện gân có dạng bât kỳ sừ dụng lý thuyết bậc cao; phân tích phi tuyến tĩnh động tâm vỏ băng vật liệu composite có tính biến thiên theo độ dày kết cấu định hướng ứng dụng kết cấu vỏ composite có gân gia cường ừong tính tốn vỏ tàu composite loại nhỏ TỔNG QUAN CÁC VÁN ĐÈ NGHIÊN c ứ u Nghiên cứu toán tĩnh học, động lực học ổn định kết cấu mỏng khơng gian làm vật liệu composite có nhiều kết đăng tải tạp chí chuyên nghành Giải toán vừa phương pháp giải tích vừa phương pháp số với trợ giúp máy tính,trong sử dụng nhiều phương pháp phần tử hữu hạn 1.1 Đối với kết cấu vỏ vật liệu composite lớp người ta tiếp cận phương pháp mođun hiệu phương pháp tính tốn kĩ thuật Các nghiên cứu tập trung vào vấn đề liên quan đến độ bền ổn định dao động kết cấu composite khơng có gân tăng cường, khơng tính có tính đến phi tuyến hình học, kết cấu hồn hảo kết cấu khơng có độ hồn hảo ban đầu Khối lượng báo khoa học, sách tham khảo có nhiều, tổng quan nêu phần liên quan đến vấn đề nghiên cứu đề tài a) Liên quan đến độ bền cần phân tích trạng thái ứng suất vỏ composite lớp tác dụng dạng tải trọng [2, 3, 14, 16, 20, 21, 23, 25, 26, 33, 37], chịu ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm [ 18, 46, 47] biến dạng lớn xuất ứong kết cấu phải tính đến phi tuyến hình học [4, 6, 15, 22, 24, 28, 31, 33, 42] b) Phân tích tuyến tính phi tuyến ổn định vỏ composite lớp khơng có gân gia cường [6, 21, 27, 30, 33, 38, 41] ổn định vỏ có gân gia cường [7, 8, 10, 11, 29, 35, 36], c) Phân tích tuyến tính phi tuyến động lực vỏ composite khơng có gân gia cường [1, 19, 21, 22, 27, 32, 33, 34], vỏ có gân gia cường [5, 9, 12, 13, 22], Qua kết nghiên cứu ta thấy có nhiều vấn đề khoa học cần phát triển: • Sử dụng lí thuyết chuyển vị bậc cao cho lời giải xác cho tính tốn tâm vỏ composite, đặc biệt với vỏ có độ dày khơng nhỏ • Tính trạng thái ứng suất - biến dạng vỏ composite có hình dạng phức tạp có gân khơng có gân gia cường, gân đặt tày ý tiêt diện gân có dạng bất kỳ, tính đến làm việc chúng trường hợp nhiệt độ độ ẩm • Phân tích phi tuyến ổn định vỏ composite lóp có gân giạ cường đặt tùy ý, nghiên cứu ảnh hưởng cua khuyết tật đến mât ôn định kêt câu Nghiên cứu trạng thái sau ổn định kết cấu a • Phân tích dao động phi tuyến vỏ composite lớp có gân gia cường Nghiên cứu ổn định kết cấu chịu tải trọng động 1.2 Đối với kết cấu vỏ vật liệu composite có tính biến thiên, nghiên cứu thực hai thập niên gần Do mục đích nghiên cứu hướng tới đề tài phân tích ơn định dao động kết cấu vỏ composite có tính biên thiên (FGM) nên nêu số nét tổng quan vấn đề Kết cấu vỏ FGM sử dụng nhiều cơng nghiệp hàng khơng, khí cụ bay lị phản ứng hạt nhân Các kết cấu làm việc tác dụng áp suất nhiệt độ cao, nên việc phân tích ồn định dao động cần thiết Vật liệu FGM khảo sát vật liệu làm từ hôn hợp hai vật liệu đàn hồi có tính khác nhau, trộn lẫn với tỉ lệ tăng - giảm Kết cho ta vật liệu coi vật liệu đàn hồi có mođun đàn hồi, số Poisson mật độ khối lượng hàm tọa độ Đối với vật liệu FGM tạo từ kim loại gốm dành cho kết cấu vỏ đại lượng hàm biến thiên liên tục theo độ dày a) ổn định nhiệt vỏ FGM tác dụng trường nhiệt độ biến đổi biến đổi theo độ dày nhận kết cơng trình [49, 50, 51, 56, 57, 58, 59, 60, 67] b) Phân tích ổn định vỏ FGM cách tuyến tính hóa hệ thức nhận biểu thức lực tới hạn thể [43, 44, 45, 47, 53, 61, 62, 63, 65, 68] c) dao động vỏ FGM khảo sát đặc trưng dao động tự [46, 48, 52, 54, 55, 64, 66], Qua kết nghiên cứu việc phân tích tĩnh động kết cấu vỏ FGM xuất biến dạng lớn cịn đề cập Do cần tiến hành phân tích phi tuyến ổn định, xét trạng thái kết cấu sau ổn định, dao động phi tuyến ổn định động kết cấu vỏ FGM MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN c u CỦA ĐÊ TÀI 2.1 Mục tiêu đề tài Sử dụng đặc trưng lí hai loại vật liệu composite, vật liệu composite lớp vật liệu composite có tính biến thiên giải tốn độ bền, ổn định dao động kết cấu vỏ bàng vật liệu không gia cường có gia cường tính đến yếu tố biến dạng lớn, dạng phức tạp kết cấu tác dụng dạng tải trọng nhiệt độ với định hướng ứng dụng thực tế 2.2 Nội dung nghiên cứu đề t i Nội dung nghiên cứu vấn đề hướng vào việc phân tích phi tuyến làm việc kết cấu, ừong lưu ý đặc biệt đến kết cấu có gia cường, có độ khơng hồn hảo ban đầu, đồng thời đề xuất cách tiếp cận giải vấn đề Nội dung cụ thể: i) Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ composite lớp có gia cường phương pháp giải tích ii) Phân tích tĩnh động composite lớp có gân gia cường đặt tùy ý với tiết diện gân sử dụng lí thuyết chuyên vị bậc cao phương pháp phần tử hữu hạn iii)Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ composite có tính biến thiên iv) Định hướng ứng dụng vỏ composite có gân gia cường vào thực tế Có thể tiến hành vài thí nghiệm để kiểm định kết lý thuyết ĐỊA ĐIỂM, THỜI GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 3.1 Địa điểm Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (các thành viên trường đồng thời cộng tác viên từ trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Thái Nguyên, Học viện Hậu cần, Trung tâm nghiên cứu chế tạo tàu Nha Trang, Viện Cơng nghệ Bộ Quốc phịng) 3.2 Thời gian Hai năm từ tháng 1.2008 đến tháng 12.2009 3.3 Phương pháp nghiên cứu Dựa lý thuyết hoc vật liệu composite (composite lớp composite có tính biến thiên) thiết lập phương trình toán độ bền, ổn định dao động dạng kết cấu composite, đề xuất cách tiếp cận phù hợp sử dụng phương pháp giải tích phương pháp số thích hợp để giải tốn đặt Tìm kết có ý nghĩa khoa học định hướng ứng dụng vào tính tốn thực tiễn KÉT QUẢ NGHIÊN CỬU Trong nội dung đăng ký nghiên cứu đề tài chia thành chuyên đề theo đối tượng nghiên cứu: vấn đề phân tích tĩnh động cho composite, vấn đề phân tích tĩnh động cho vỏ composite vấn đề ứng dụng Tuy nhiên đặc thù vật liệu composite, loại vật liệu người tạo nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế nên đa dạng, mà cách tiếp cận giải toán kết cấu vật liệu lại khác Trong nghiên cứu đề tài liên quan đến hai loại vật liệu composite: vật liệu composite lớp với lớp có tính khác nên giải tốn phải sử dụng phương pháp hóa hai vật liệu có tính biến thiên liên tục theo độ dày kết cấu Do để nêu rõ cách giải quyêt nội dung nghiên cứu đặt ra, nghiên cứu ) tiến hành theo kết cấu vỏ vật liệu composite lớp theo kết cấu vỏ vật liệu composite có tính biến thiên liên tục 4.1 Nội dung nghiên cứu kết nhận Trong báo cáo nội dung nghiên cứu kết trình bày mục sau • Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ composite lớp có gia cường phương pháp giải tích • Phân tích tĩnh động composite lớp có gia cường sử dụng lý thuyết chuyển vị bậc cao phương pháp phần tử hữu hạn • Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ vật liệu có tính biến thiên • Định hướng ứng dụng vỏ composite có gân gia cường vào thực tế’ 4.2 Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ compossỉte lớp có gia cường Các kết cấu composite lớp vỏ có gia cường sử dụng rộng rãi thực tiễn công nghiệp hàng khơng tàu thủy Gia cường gia cường cách thêm gân cho dạng kết cấu tạo gờ lượn sóng, vỏ trụ lượn sóng theo đường sinh Các thành phần gia cường cho phép kết cấu có khả chịu lực tốt phải bổ sung trọng lượng nhỏ thành phần gia cường Trong mục ừình bày kết nghiên cứu theo phương pháp giải tích cịn đề cập tài liệu cơng bố về: - Phân tích phi tuyến Àri đinh trạng thái sau ổn định compossite lớp có gài í ~' composite lớp lượn sóng, vỏ composite lớp vỏ hai - Phân tích phi tuyến ổ ' -:" cường bao gồm dao khơng hồn hảo / 4.2.1 Phăn tích phỉ tuỵ cổ gân gia cường Xét vỏ thoải hai I tâm dọc ngang chị? â Quan hệ phi tuyến gi " rKarman với độ A võng „ °lí mặt- •giữa; Et o > , s2 khoảng cách du mom £l = - — - k xw< Z’zỉ ’ z :2 momen quán õx, mặt vỏ tiến hành theo kết cấu vỏ vật liệu composite lớp theo kết cấu vỏ vật liệu composite có tính biến thiên liên tục 4.1 Nội dung nghiên cứu kết nhận Trong báo cáo nội dung nghiên cứu kết trình bày mục sau • Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ composite lớp có gia cường phương pháp giải tích • Phân tích tĩnh động composite lớp có gia cường sử dụng lý thuyết chuyển vị bậc cao phương pháp phần tử hữu hạn • Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ vật liệu có tính biến thiên • Định hướng ứng dụng vỏ composite có gân gia cường vào thực tê 4.2 Phân tích phi tuyến tĩnh động vỏ compossite lóp có gia cường Các kết cấu composite lớp vỏ có gia cường sử dụng rộng rãi thực tiễn công nghiệp hàng không tàu thủy Gia cường gia cường cách thêm gân cho dạng kết cấu tạo gờ lượn sóng, vỏ trụ lượn sóng theo đường sinh Các thành phần gia cường cho phép kết cấu có khả chịu lực tốt phải bổ sung trọng lượng nhỏ thành phần gia cường Trong mục ừình bày kết nghiên cứu theo phương pháp giải tích cịn đề cập tài liệu công bố về: - Phân tích phi tuyến ổn định trạng thái sau ổn định compossite lớp có gân gia cường, composite lớp lượn sóng, vỏ composite lớp vỏ hai độ cong có gân gia cường - Phân tích phi tuyến động lực học vỏ composite lớp có gia cường bao gồm dao động phi tuyến ổn định động có tính đến độ khơng hồn hảo kết cấu 4.2.1 Phân tích ph i tuyến tình động tẩm vỏ composite hai độ cong có gân gia cường Xét vỏ thoải hai độ cong composite lớp gia cường gân lệch tâm dọc ngang chịu tải phân bố mặt tải nén cạnh biên Quan hệ phi tuyến biến dạng chuyển vị dựa theo lý thuyết Von Karman với độ võng lớn sau Ô2W _ õu £, = - ÔXx ,0 _ ổ v e; = — ôx Xi = - dx.2 ’ ( 1) 105 Các hãng số vật liệu đo thực nghiệm [5] thể bảng 5.1 sau: Bảng 5.1 Cơ tính vật liệu composite dùng đóng tàu Việt Nam Vật liệu com posite Polyester TT Đại lượng không no, cốt: Đổng phương tư WR M atting E n (Mpa) 10584 4807 E 22(Mpa) 2642 4807 G 12(Mpa) 1025 2054 V>12 0.19 0.17 p ( k g / m 3) 1600 1400 s.2.2.3 C h ế tạo m ẫu Hình 5.3 Mầu composite có gân gia cường Mẩu chế tạo phòng nhiệt độ 26°c độ ẩm 70% Mầu gia cơng theo phương pháp trát lớp Quy trình chế tạo mẫu thực tương tự gia công vỏ tàu thực tê Hình 5.3 thê loại mâu với loại mặt cắt gân khác có diện tích Số lượng mẫu: + Tấm có gân mặt cất ngang chữ nhật: mẫu 106 + Tâm có gân mặt cắt ngang chữ T: mẫu + Tâm có gân mặt cất ngang chữ U: mẫu 5.2.3 T iến hành đo tần số dao động riêng Các mâu đo với trường hợp: ngàm bốn cạnh ngàm hai cạnh song song với trục Oy, hai cạnh song song trục Ox tự Sơ đồ lắp đặt thiết bị hình 5.4 Hình 5.4 Sơ đồ thiết bị đo dao động Hình 5.5 thể hệ thống đo tần số dao động riêng có gân chữ u hai cạnh ngàm, hai cạnh tự Hình 5.5 Đo tần số composite có gân chữ u 107 * ■ —— — ■ T ấ m c ó gân m ặt c ắ t ng ang c h ữ nhật T ấ m có gân m ặt cắt ng ang c h ữ nhật ng àm c ạn h c n h ng àm , c ạn h tự T ấ m c ó gân m ặt c ắ t ng ang c h ữ T T ắ m c ó gàn m ặt cắt ng ang c h ữ T ng àm c ạn h c n h n g àm , c ạn h tự T ấ m c ó gân m ặt c ắ t ng ang c h ữ ng àm c n h u T ấ m có gân m ặt cắt ng an g c h ữ c n h n g àm , cạn h tự u Hình 5.6 Các composite có gân gia cường mặt cat khác chiu điều kiện biên khác Các trường hợp tấm-gân ngàni cạnh, ngam cạnh cạnh tự cùa kết cấu composite có gân gia cường co mặt căt ngang chù nhật, chữ T chữ u thể hinh ó 108 M oi mau thừ đo tần số dao động tự hai trường hợp điều kiện biên ngàm bôn cạnh hai cạnh ngàm, hai canh tự Mỗi trường hợp điều kiện biên mẫu thử tiến hành đo lần Sau môi lân đo thu đô thị tần số dao động riêng (xem phụ lục 2) trục hoành biểu thị tần số dao động riêng (Hz) trục tung biểu diễn biên độ tần số dao động Hình 5.7 Đ thị dao động riêng kết cấu tấm-gân Ket đo tần số dao động tự loại so sánh với kết tính phương pháp phần tử hữu hạn trình bày bảng 5.2 bảng 5.3 sau: Bảng 5.2 Tần số dao động tự (H z) com posite sợi thuỳ tinh/polyester có gân gia cường ngàm cạnh Gân chữ u Gân chữ T Gân chữ nhật Tần số Fem Exp (%) Fem Exp (%) Fem 185.6 172.1 7.8 213.5 196.8 8.5 251.2 226.6 10.9 244.53 223.3 9.5 251.2 229.4 9.5 255.6 231.2 9.5 249.03 225.4 10.5 269.9 236.1 14.3 275.7 238.5 15.6 Exp (%) 109 Bảng 5.3 Tân sô dao động tự (Hz) com posite sợi thuỷ tinh/polyester có gân gia cường ngàm cạnh canh tự Gân chữ nhật Gân chữ T Gân chữ u Tần số Fem Exp (%) Fem Exp (%) Fem Exp (%) 41.4 39.1 5.9 46.9 44.0 6.6 51.5 47.7 8.0 52.2 48.0 8.8 52.2 48.5 7.6 52.2 48.9 6.7 87.1 79.9 9.0 89.5 80.9 10.6 90.1 81.2 11.0 Từ bảng 5.2 5.3 ta nhận thấy kết đo tần số dao động com posite có gân gia cường gần với kết tính tốn phần tử hữu hạn Với trường hợp ngàm bổn canh sai khác nằm khoảng từ 7.8% đến 15.6% trường hợp ngàm hai cạnh, hai cạnh tự sai khác nằm khoảng từ 5.9% đến 11% Cả kết tính tốn phàn tử hữu hạn kết đo thực nghiệm chi ràng với khối lượng vật liệu cấu thành, có gán gia cường mặt cắt chữ u cho tần số dao động lớn có gân gia cường mặt cắt chữ T chữ nhật 110 5.3 ứ n g d ụng 5.3.1 G iới thiệu Trong mục này, ta tính tốn bàn đẩy mũi tàu đồn xà lan Đơng Triều, Quảng Ninh Hình 5.9 Mũi tàu đẩy kết cấu composite có gân gia cường Ill Bàn mơ hình bàng composite lớp có gân gia cường mặt căt chữ u Các nội dung cần giải theo trinh tự sau: - Xây dựng mơ hình tính bàn đẩy composite sử dụng chương trinh tính viết Matlab - Giải tốn uốn cho bàn đẩy mũi tàu có gân gia cường mặt cất ngang chữ u Từ đó, tìm giá trị độ võng ứng suất lớn - Ap dụng tiêu chuân bền ứng suất lớn Tsai-Wu để tính tải trọng tới hạn cho bàn đẩy 5.3.2 M ô tả bàn đẩy m ũi tàu I C ấu tạo, kích thư ớc bàn đẩy Bàn gồm composite lớp phẳng hình chữ nhật gia cường bời gân dọc gân ngang, mặt cắt chữ u (hình 5.10) Bàn đẩy chịu áp lực phân bố phần diện tích Các thơng số cụ thể sau: - Tấm gân chế tạo từ composite lớp thủy tinh/Polyester(W R8) xen kẽ com posite Mat thủy tinh/Polyester(M45) có tính cho bảng 5.4 [6] - Đ ộ bền kéo, nén cắt lớp vật liệu cho bảng 5.5 - Các thơng số hình học giới thiệu bảng 5.6 Bảng 5.4 Thông số vật liệu bàn đẩy mũi tàu Loại WR8 M45 E, MPa 10584 4807 e MPa 2642 4807 e MPa 2642 4807 012 0.19 0.17 U23 U 31 - - - - G,2 MPa 1025 2054 g 23 MPa 528 961 G 31 MPa 1025 2054 p kg/m3 1600 1400 Bảng 5.5 Độ bền vật liệu bàn đẩy mũi tàu X K X N Y k Y n s M Pa M Pa M Pa M Pa M Pa W R8 381 40 95 20 M 45 8 8 25 Loại 112 B àng 5.6 Thơng số kích thước hình học bàn đẩy Vj trí Mơ tả Chiều dài Chiểu rộng Chiều dày Sổ lớp Composite Chiều cao gân Chiều dày sườn Số lớp Composite Bẽ rộng gân Chiêu dày cánh Số lớp Composite JH ã00 D _ E a o Ui w o n ~ Is = 0.56m Ký hiệu b t n hw tw n's hf tf ns tố Đon vị m m m lớp m m lớp m m lớp TT XE Is = 0.56m Giá tri 2.8 1.3 0.03 45 0.07 0.01 15 0.07 0.01 15 Is = 0.56m Is = 0.56m Is = 0.56m Aj ■I -« ! I I i i I = 2.8m Hình 5.10 Kích thước chung bàn đẩy mũi tàu Kích thước cụ thể gân gia cường bàn đẩy thê hình 5.11 M at c ắ t A - A (B - B) hf= O.Ũ7m L t»= 0.01m Hình 1 M ặt cắt ngang gân chữ u 113 s.3.2.2 Xác định áp lực lớn lên bàn đẩy [6] Khi đồn xà lan, có trường hợp nguy hiểm khu vực mủi tàu đẩy sau: a Tàu đ â y băt đáu đ â y đồn xà lan mảy hoạt động hết cơng su ất đồn xà lan khóng dịch chuyển Lúc xem tầu đẩy hoạt động chế độ buộc tàu Do vậy, lực tác động lên bàn đẩy lực đẩy chân vịt trường hợp buộc Lực đẩy chân vịt trường hợp buộc tàu xác định theo công thức kinh nghiệm sau: pbt = (8.5 -r 10)Ne (5.1) Trong đó: Pbt: lực đẩy chân vịt trường hợp buộc tàu (Kg) N e : n g suất m áy chính, N e = HP D o đó: p bt = (8.5 + 10).350 = 2975 H- 3500 Kg Đ ể đảm bảo an toàn, chọn: Pbt = 3500 K g = 35000 N b Tàu đ ẩ y đ ẩ y đoàn xà lan tốc độ hàng hải tự bị m ăc cạn đột ngột Lúc bàn đẩy chịu lực va chạm xác định lực từ phương trình sau: r mVữ-m V x = ự ^ d t V] : vận tốc tàu đẩy đoàn xà lan tốc độ định mức v : vận tốc cùa đoàn xà lan bị mac cạn đột ngột m : lượng chiếm nước riêng tàu đẩy (s): thời gian va chạm Fvc: lực va chạm có phương ngược chiều chuyển động (5.2) 114 Trong trường hợp va chạm này, chuyển động cỏ quy luật biến thiên không thay đơi nhiều, viết lại cơng thức sau: mVg - mVl = ị p vcd t = Fvc'b.T (5.3) voiF vctb: lục va chạm trung bình B iến đổi biểu thức (5.3) ta có: Các thơng số phương trinh (5.4) lấy theo thực tế sau: - K hi tàu m ắc cạn đột ngột, vận tốc cùa tàu giảm dần sau dừng hẳn, Vo = - Tốc độ hoạt động trung bình tàu, V! = hl/h = 2.57 m/s - Thời gian từ mắc cạn đến tàu dừng hẳn, theo kinh nghiệm T = 2-5 s Đ ẻ đảm bảo an toàn, chọn T = s - Lượng chiếm nước cùa tàu đẩy, m = 65400 kg Thay giá trị vào (5.4) ta có: Fvab = ÌV (5 ) Tuy nhiên, tàu mắc cạn, lực qn tính xung lực va chạm, tàu cịn chịu tác động lực đẩy chân vịt trường hợp buộc tàu Nghĩa áp lực tác dụng lên bàn đẩy lúc hợp lực trường hợp Pt = Pb + Pqt = 35000 + 84039 = 119039 N Tính đến trường hợp động va chạm, ta chọn hệ số động K - Tải trọng uốn phân bố đều: p — 172520 N /m Hình 5.13 Lưới phần tử để tính bàn đẩy có gân chữ u 117 5.3.3.2 Kết tính tốn a K ết tính tốn chuyển vị ứng suất Ta đặt tải trọng phân bố p = 172520 N /m vng góc với bề mặt tâm, sau tìm độ võng ứng suất lớn kết cấu Bảng 5.7 n g suất độ võng lớn bàn đẩy Độ võng M ổ tả x max ơy max TXy max mm NW N /W N/m J 5,343 -22,510e6 -24,010e6 3,707e6 Mặt lớp Mặt lớp Mặt lớp 13 cánh gân (1) cánh gân (2) cánh gân (2) lớn Giá trị tính tốn Vị trí lớp Vị í xuất (3) Trong đó: (1), (2), (3) thể hình 5.14 1/2 Mãt bàn đẩy Hình 5.14 V ị trí xuất ứng suất chuyển vị lớn b Tỉnh tải trọng tói hạn dựa vào thuyết bền T sai-W u G iống tính tốn tải trọng tới hạn trình bày trên, ta tính tải trọng tới hạn p maj cho bàn đẩy mũi tàu Kết giới thiệu bảng 118 B ảng 5.8 Giá trị tải trọng tới hạn bàn đẩy theo thuyết bền Tsai - Wu Pmax Mô tả N/m Giá trị tính tốn 221400 Vị trí phá hủy Lớp phá hủy sườn gân Mặt trên, lớp thứ 13 N hận xét: - ứ n g xuất a x lớn ứng suất nén, xuất cánh gân song song với trục X lớp composite WR8 thủy tinh/Polyester cỏ góc 0° - ứ n g xuất (Ty lớn ứng suất nén, xuất cánh gân song song với trục y lớp composite WR8 thủy tinh/Polyester có góc 90° - ứ n g xuất ơxy lớn xuất cánh gân song song với trục y lớp com posite M45 Mat thủy tinh/Polyester - Trong làm việc gân biên song song với trục y chịu bất lợi - Tải trọng tới hạn tính theo thuyết bền Tsai-Wu bàn đẩy pmli| = 221400 N /m lớn gấp 1,28 lần tải trọng bất lợi nhấtp = 172520 N /m - Vị trí phá hủy ứng với tải trọng tới hạn bàn đẩy điểm thuộc sườn gân, mặt lớp thứ 13, vật liệu com posite M45 Mat thủy tinh/Polyester 5.4 K ết luận chư ơng Trong chương 5, luận án tiến hành thí nghiệm đo tần sổ dao động ba loại com posite có ba loại gân gia cường có hình dạng mặt căt khác có diện tích mặt cắt ngang mặt cắt chữ nhật, mặt cất chữ T mặt cắt chữ u Kết đo gần gũi với kết tính tốn bang phần tử hữu hạn, chênh lệch lớn 15.6%, chứng minh mơ hình chương trình có độ tin cậy cao 119 Kêt đo tân số dao động riêng cùa com posite gia cường bời gân có hình dạng mặt cắt khác có diện tích thực nghiệm m hình phần tử hữu hạn chi com posite gia cường gân có mặt cắt chữ Ư cho tần số cao so với gia cường bời gân chữ nhật chữ T 35.34% 17.66% Điều cho thây gia cường bời gân chữ u kết cấu có độ cứng lớn so với gia cường gân chữ nhật gân chữ T, lý gân chữ u hay ứng dụng thực tế Chương luận án áp dụng mơ hình để tính tốn cho ứng dụng thực tế bàn đẩy mũi tàu đẩy đoàn xà lan Đông Triều, Quảng Ninh Bàn đẩy mũi tàu mơ hình composite có gân gia cường chữ u , mơ hình thực hiện: - Tính độ võng ứng suất điều kiện làm việc bất lợi nhât bàn đẩy mũi tàu - X ác đ ịn h đ ợ c tả i trọ n g u ố n tớ i h n pmax c h o bàn đẩy Từ lời giải số toán trên, ta thấy bàn đẩy mũi tàu đảm bảo độ bền độ cứng Điều hoàn toàn hợp lý tàu đẩy xà lan 2.500 với bàn đẩy hoạt động tốt Đông Triều, Quảng Ninh từ cuối năm 2006 đến