Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: NGHIÊN CỨU CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM, CHẾ TẠO ĐỒ GÁ, KHAI THÁC THIẾT BỊ KÉO NÉN VẠN NĂNG THỦY LỰC BESTUTM 50 TẤN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO

MỞ ĐẦU1. Cơ sở lý luận và thực tiễnHiện nay,với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ mang lại những lợi ích to lớn cho con người về tất cả các lĩnh vực kỹ thuật và tinh thần. Để hòa nhập vào sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như các nước trên thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã để ra mục tiêu trong thời kỳ mới là thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước”.Muốn thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước” một trong những ngành cần quan tâm phát triển mạnh là Cơ khí chế tạo nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo độ bền cứng và độ ổn định. Vì vậy, công nghệ thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu, lực tới hạn trước khi đưa vào chế tạo các kết cấu cơ khí là việc làm rất cần thiết.a. Tiếp cận tổng quanTìm hiểu các công trình nghiên cứu, các bài báo công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước, trên mạng internet, các mô hình thiết bị thí nghiệm của các trường Đại học, Viện nghiên cứu. Tìm hiểu, trao đổi với những chuyên gia có kinh nghiệm thông qua thư hoặc tổ chức các cuộc tọa đàm, hội thảo. b.Tiếp cận từ thực tiễn đào tạoHiện nay các trường đại học kỹ thuật trên thế giới đều được trang bị các máy thí nghiệm sức bền vật liệu để xác định các tính chất, đặc trưng cơ học của vật liệu. Ngày nay, khi con người đang ngày càng tìm ra nhiều vật liệu mới có nhiều ưu điểm so với các vật liệu truyền thống thì việc thực nghiệm đo đạc cơ tính của các vật liệu đó là một việc rất cấp thiết. Để phục vụ cho công tác đào tạo, ứng dụng trong công nghiệp, xây dựng, trên thế giới có các hãng chuyên cung cấp các sản phẩm máy thí nghiệm cơ học như GUNT (CHLB Đức), INSTRON (Hoa Kỳ), SSAUL BESTECH (Hàn Quốc), LIANGONG (Trung Quốc)... Các máy thí nghiệm loại này ngày càng được hiện đại hóa, tích hợp nhiều chức năng và có độ chính xác cao. c.Tiếp cận từ thực trạng công nghệ và thiết bịXuất phát từ thực tế trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã có phòng thí nghiệm sức bền vật liệu được trang bị máy kéo, nén vạn năng thủylực BESTUTM 50 tấn. So với các máy kéo nén vạn năng của một số trường Đại học như đại học Giao thông vận tải, đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên,... sử dụng cơ cấu nâng hạ đầu kéo nén bằng trục vít, đai ốc thì máy thí nghiệm BESTUTM 50 tấn có một số ưu điểm như:Hoàn toàn dẫn động thủy lực khả năng truyền động êm, kích thước máy gọn nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ vận hành. Có thể tạo ra lực kéo, nén khá lớn, làm việc tin cậy và tuổi thọ cao. Nhưng thiết bị trên cũng còn một số nhược điểm sau:Trên gối uốn sử dụng hai gối đỡ bản lề di động nên việc gá đặt và độ chính xác khi đo chuyển vị bị hạn chế; chỉ thích hợp cho các bài toán uốn lốc nhằm xác định góc uốn.

“NGHIÊN CỨU CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM, CHẾ TẠO

ĐỒ GÁ, KHAI THÁC THIẾT BỊ KÉO NÉN VẠN NĂNG THỦY LỰC BESTUTM 50 TẤN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO”

Những người thực hiện:

PGS.TS Vũ Quý ĐạcThS Nguyễn Xuân Chung

TS Phạm Thị Minh Huệ – Chủ nhiệm đề tài

TS Nguyễn Văn ThịnhThS Trần Thị Thu ThủyThS Nguyễn Thị Thu HườngThS Nguyễn Trí Dũng ThS Nguyễn Văn LuậtThS Khuất Đức DươngThS Trần Nguyên QuyếtThS Lê Đăng Hà

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU IV DANH MỤC HÌNH VẼ V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC IX

MỞ ĐẦU 1

1 Cơ sở lý luận và thực tiễn ………1

2 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài……… 2

3 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu……….4

4 Phương pháp nghiên cứu ……….5

5 Kết quả đạt được của đề tài ……….5

Chương 1: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT, 6

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 6

1.1.Lịch sử phát triển của các thí nghiệm uốn và kiểm tra ổn định vật liệu… 6 1.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu các máy thí nghiệm uốn, tính toán ổn định trên thế giới và ở Việt Nam ……….7

1.2.1 Tình hình trang bị và sử dụng thiết bị thí nghiệm uốn ở Việt Nam … 7 1.2.2 Các thí nghiệm uốn đã được nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam 10 1.3 Tình hình sản xuất và nghiên cứu các máy thí nghiệm tính toán ổn định

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc ………20

1.4.2.Hệ thống do lường và điều khiển ……… ………22

1.4.3 Các bài thí nghiệm đã giảng dạy ……….………22

1.4.4 Các bài thí nghiệm mới có thể xây dựng trên máy BESTUTM 50 tấn 24 1.5 Kết luận chương 1 ………27

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 28

2.1 Phương pháp nghiên cứu……… ………28

2.2 Phân tích lựa chọn phương án nghiên cứu …… ………28

2.2.1 Những khó khăn khi thiết kế ……….………29

2.2.2 Những yêu cầu cơ bản đối với đồ gá…….………30

2.3.1 Đồng hồ so (chuyển vị kế) ………31

2.3.2 Tenxomet đòn ……… ………32

2.3.3 Tenxomet điện trở ……….………33

2.3.4 Cách đo biến dạng bằng phương pháp sơn dòn….………33

2.4 Xây dựng thí nghiệm uốn ba điểm ……… ………34

2.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình uốn ba điểm ………34

2.4.2 Nội dung thí nghiệm ……….………36

2.4.3 Thiết kế đồ gá thí nghiệm ………36

2.4.4 Phôi mẫu dùng trong thí nghiệm ………… ………40

2.5 Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra ổn định ………41

2.5.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình kiểm tra ổn định theo Euler………42

2.5.2 Thiết kế mẫu và đồ gá kiểm tra ổn định………45

2.5.4 Phôi mẫu dùng trong thí nghiệm ……… ………48

2.6 Thiết bị đo, dụng cụ dùng trong thí nghiệm ………50

2.7 Kết luận chương 2 ……….51

Chương 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 Đồ gá thí nghiệm sau chế tạo và lắp ráp ………52

3.2 Thí nghiệm uốn ba điểm ……….………52

3.2.1 Mục đích thí nghiệm ………52

3.2.2 Mô hình thí nghiệm ……… ………53

3.2.3 Tiến hành thí nghiệm ………54

3.2.4 Đề xuất và hoàn thiện quy trình uốn ba điểm………61

3.3 Thí nghiệm kiểm tra ổn định của thanh chịu nén ………66

3.3.1 Mục đích thí nghiệm ……… ………66

3.3.2 Mẫu thí nghiệm ……….………66

3.3.3 Các điều kiện thí nghiệm ………66

3.3.4 Tính toán theo lý thuyết……….………67

3.3.5 Tiến hành thí nghiệm……….………68

3.3.6 Đề xuất và hoàn thiện quy trình kiểm tra ổn định ………70

3.4 Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục ………74

3.4.1 Các nguyên nhân gây sai số ……… ………74

3.4.2 Cách khắc phục ……….………75

3.5 An toàn khi sử dụng máy ………75

3.6 Kiểm tra, bảo dưỡng……….………76

3.7 Ưu, nhược điểm bộ đồ gá thí nghiệm uốn và tính toán ổn định 77 3.8 Kết luận chương 3 ………78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

KẾT LUẬN CHUNG ……….………79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép CT3 (tính theo % khối lượng)…….40Bảng 2.2: Đặc trưng cơ học của thép CT3 ……… 41Bảng 2.3: Thành phần hóa học của thép 65 (tính theo % khối lượng) …….48Bảng 2.4: Đặc trưng cơ học của thép 65 ………49Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm uốn ba điểm……….56Bảng 3.2: Kết quả ảnh hưởng của tải trọng đến độ võng và mô – đun đài hồicủa vật liệu ……… 58Bảng 3.3: Kết quả ảnh hưởng của tải trọng đến góc xoay ……….60Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm kiểm tra ổn định ……… 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình uốn dầm công – xôn của Galiles 6

Hình 1.2 Hình ảnh máy thí nghiệm uốn xiên 8

Hình 1.3.Hình ảnh máy kéo, uốn vạn năng thủy lực của hãng JINGYUAN 8

Hình 1.4.Hình ảnh máy kéo, uốn vạn năng cơ điện kiểu trục cơ BESTUTM .9 Hình 1.5 Hình ảnh thí nghiệm uốn dầm công xôn với mẫu không bị phá hủy .11

Hình 1.6 Hình ảnh thí nghiệm uốn bốn điểm với mẫu không bị phá hủy 11

Hình 1.7 Thiết bị đo biến độ võng của dầm uốn bốn điểm với mẫu không bị phá hủy 11

Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm xác định ứng suất tập trung 12

Hình 1.9.Hình ảnh thí nghiệm uốn ba điểm quan sát quỹ đạo trường ứng suất .12

Hình1.10 Sơ đồ thí nghiệm uốn bốn điểm xác định ứng suất của dầmchịu uốn .14

Hình 1.11 Hình ảnh thí nghiệm phá hủy bê tông 14

Hình 1.12 Máy thí nghiệm WP 121 15

Hình 1.13.Hình ảnh máy thí nghiệm độ ổn định WP 120 16

Hình 1.14 Thiết bị thí nghiệm xác định lực tới hạn 16

Hình 1.15 Sơ đồ bộ đồ gá và mẫu thí nghiệm ổn định thanh thẳng chịu nén 17 Hình 1.16 Mẫu thí nghiệm kiểm nghiệm bài toán Euler 18

Hình 1.17 Hình ảnh máy kéo nén vạn năng thuỷ lực BESTUTM 50 tấn 20

Hình1.18 Hệ thống thuỷ lực và cấu tạo ngàm kẹp 21

Hình1.19 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo 22

Hình 1.20 Hình ảnh quá trình kéo thép C45 23

Hình 1.21.Hình ảnh các mẫu thép bị phá huỷ sau khi kéo 23

Hình 1.22.Hình ảnh các mẫu gang xám bị phá huỷ sau khi nén 23

Hình 1.23 Sơ đồ thí nghiệm uốn ba điểm 25

Hình 1.24 Sơ đồ thí nghiệm uốn bốn điểm 25

Hình 2.8 Mô hình con lăn xẻ rãnh trong thiết kế 38

Hình 2.9.Hình ảnh con trượt xẻ rãnh trong thực tế 38

Hình 2.10 Mô hình con trượt trong thiết kế 38

Hình 2.11.Hình ảnh con lăn trong thực tế 38

Hình 2.12 Mô hình thanh đòn kẹp mẫu trong thiết kế 39

Hình 2.13 Hình ảnh thanh đòn kẹp mẫu trong thực tế 39

Hình 2.14 Mô hình căn chỉnh độ lệch mẫu trong thiết kế 39

Hình 2.15 Hình ảnh căn chỉnh độ lệch mẫu trong thực tế 39

Hình 2.16 Mô hình gối đỡ trong thiết kế 39

Hình 2.17 Hình ảnh gối đỡ trong thực tế 39

Hình 2.18 Mô hình mặt bích trong thiết kế 40

Hình 2.19 Hình ảnh mặt bích trong thực tế 40

Hình 2.20 Phôi mẫu thí nghiệm 41

Hình 2.21 Mô hình thanh mảnh bị uốn cong ở trạng thái mất ổn định 42

Hình 2.22 Một số giá trị của μ theo điều kiện liên kết 43

Hình 2.23 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất tới hạn và độ mảnh của thanh 44

Hình 2.24 Mô hình đồ gá thí nghiệm kiểm tra ổn định thanh chịu nén 45

Hình 2.25 Mô hình ngàm kẹp phía trên trong thiết kế 46

Hình 2.26.Hình ảnh ngàm kẹp phía trên trong thực tế 46

Hình 2.27.Tấm định vị trong thiết kế 46

Hình 2.28.Hình ảnh tấm định vị trong thực tế 46

Hình 2.29 Mô hình đế gá kẹp dưới trong thiết kế 47

Hình 2.30 Hình ảnh đế gá kẹp dưới trong thực tế 47

Hình 2.31 Mô hình con trượt trong thiết kế 47

Hình 2.32 Hình ảnh con trượt trong thực tế 47

Hình 2.33 Mô hình con trượt trong thiết kế 48

Hình 2.34 Hình ảnh con trượt trong thực tế 48

Hình 2.35 Kích thước mẫu thí nghiệm 49

Hình 2.36.Hình ảnh thước cặp sử dụng trong thí nghiệm 50

Hình 2.37 Hình ảnh búa 50

Hình 2.38.Hình ảnh bộ lục giác 50

Hình 2.39 Hình ảnh mỏ lết 50

Hình 2.40 Hình ảnh đồng hồ so 51

Hình 3.1 :Đồ gáthí nghiệm uốn ba điểm sau lắp ráp 52

Hình 3.2 :Đồ gáthí nghiệm kiểm tra ổn định thanh chịu nén sau lắp ráp 52

Hình 3.3.Phôi mẫu thí nghiệm uốn 53

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng 56

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tải trọng đến độ võng thực nghiệm

và độ võng lý thuyết 59

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tải trọng đến góc xoay thực nghiệm và góc xoay lý thuyết 60

Hình 3.7 Quy trình công nghệ thử uốn ba điểm trên máy BESTUTM 50 tấn .62

Hình 3.8: “Nhập dữ liệu” chọn tên bài test “Bending” 64

Hình 3.9: Hình ảnh phôi mẫu thí nghiệm kiểm tra ổn định 66

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị ngang 69

Hình 3.11 Quy trình công nghệ kiểm tra ổn định trên máy BESTUM 50 tấn .71

Hình 3.12: Nhap du lieu”chọn tên bài test “load compress“ 73

Hình 3.13 Đi gang tay và đeo kính trong quá trình thí nghiệm 76

Hình 3.14 Cẩn thận khi cho tay vào vùng nén 76

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

5 GB Tiêu chuẩn Trung Quốc (Guojia Biauzhun) 7

6 KS Tiêu chuẩn Hàn Quốc (Korean Standard) 7

\

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

dầu thanh

13

10 Fth cm2 Diện tích mặt cắt tại chỗ đứt của

mẫu thử sau phá huỷ

15

10 F0 mm2 Diện tích mặt cắt nguyên ban

đầu của mẫu thử

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở lý luận và thực tiễn

Hiện nay,với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệmang lại những lợi ích to lớn cho con người về tất cả các lĩnh vực kỹ thuật vàtinh thần Để hòa nhập vào sự phát triển chung của các nước trong khu vựccũng như các nước trên thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã để ra mục tiêu trongthời kỳ mới là thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước”

Muốn thực hiện “Công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước” một trongnhững ngành cần quan tâm phát triển mạnh là Cơ khí chế tạo nhằm tạo ra cácsản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo độ bền cứng và độ ổn định Vì vậy,công nghệ thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu, lực tới hạntrước khi đưa vào chế tạo các kết cấu cơ khí là việc làm rất cần thiết

a Tiếp cận tổng quan

Tìm hiểu các công trình nghiên cứu, các bài báo công bố trên các tạp chítrong và ngoài nước, trên mạng internet, các mô hình thiết bị thí nghiệm củacác trường Đại học, Viện nghiên cứu Tìm hiểu, trao đổi với những chuyêngia có kinh nghiệm thông qua thư hoặc tổ chức các cuộc tọa đàm, hội thảo

b.Tiếp cận từ thực tiễn đào tạo

Hiện nay các trường đại học kỹ thuật trên thế giới đều được trang bị các máythí nghiệm sức bền vật liệu để xác định các tính chất, đặc trưng cơ học của vật liệu.Ngày nay, khi con người đang ngày càng tìm ra nhiều vật liệu mới có nhiều ưuđiểm so với các vật liệu truyền thống thì việc thực nghiệm đo đạc cơ tính của cácvật liệu đó là một việc rất cấp thiết Để phục vụ cho công tác đào tạo, ứng dụngtrong công nghiệp, xây dựng, trên thế giới có các hãng chuyên cung cấp các sảnphẩm máy thí nghiệm cơ học như GUNT (CHLB Đức), INSTRON (Hoa Kỳ),SSAUL BESTECH (Hàn Quốc), LIANGONG (Trung Quốc) Các máy thínghiệm loại này ngày càng được hiện đại hóa, tích hợp nhiều chức năng và có độchính xác cao

c.Tiếp cận từ thực trạng công nghệ và thiết bị

Xuất phát từ thực tế trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã có phòng thínghiệm sức bền vật liệu được trang bị máy kéo, nén vạn năng thủylựcBESTUTM 50 tấn So với các máy kéo nén vạn năng của một số trường Đạihọc như đại học Giao thông vận tải, đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên,

sử dụng cơ cấu nâng hạ đầu kéo nén bằng trục vít, đai ốc thì máy thí nghiệmBESTUTM 50 tấn có một số ưu điểm như:Hoàn toàn dẫn động thủy lực khảnăng truyền động êm, kích thước máy gọn nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ vận hành

Có thể tạo ra lực kéo, nén khá lớn, làm việc tin cậy và tuổi thọ cao

Nhưng thiết bị trên cũng còn một số nhược điểm sau:

Trên gối uốn sử dụng hai gối đỡ bản lề di động nên việc gá đặt và độchính xác khi đo chuyển vị bị hạn chế; chỉ thích hợp cho các bài toán uốn lốcnhằm xác định góc uốn

2.Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

a Tính cấp thiết

Để khai thác triệt để hiệu quả sử dụng của thiết bị đo có độ chính xác caotrên vào chương trình đào tạo đại học, sau đại học, nghiên cứu khoa học,chuyển giao công nghệ và ứng dụng vào quá trình sản xuấtvà nâng cao trình

độ chuyên môn của đội ngũ kỹ sư và cán bộ kỹ thuật cơ khí thì việc thiết kếcác đồ gá, xây dựng quy trình thí nghiệm uốn và kiểm tra ổn định, xác địnhlực tới hạn của thanh chịu nén đúng tâm là việc làm rất cần thiết Trên cơ sở

đó, chúng tôi thực hiện đề tài“Nghiên cứu các bài thực hành thí nghiệm, chế

b.Mục tiêu nghiên cứu

* Mục tiêu chung:

Đáp ứng nhu cầu đào tạo và nghiên cứu khoa học hiện tại của các ngànhhọc kỹ thuật trong Nhà trường nói chung và của khoa Cơ khí và Công nghệ Ô tônói riêng;

Nâng cao trình độ của đội ngũ giảng viên và cán bộ nghiên cứu

* Mục tiêu cụ thể:

Củng cố cơ sở lý luận cho sinh viên, học viên thông qua việc thí nghiệm,

từ đó giúp người học tự tìm hiểu và lý giải những sai số nhất định giữa lýthuyết và thực nghiệm Trang bị cho sinh viên những kỹ năng cơ bản và vậnhành các máy thí nghiệm, sử dụng các phần mềm thí nghiệm

*Mục tiêu kinh tế - xã hội:

Nghiên cứu khai thác triệt để các công năng của các thiết bị thí nghiệm

đã được nhà trường trang bị Giảm đáng kể chi phí đầu tư mua thiết bị mới,góp phần tiết kiệm ngân sách cho giáo dục đào tạo

- Nâng cao chất lượng bài giảng, phục vụ nhu cầu học tập thiết thực củangười học kiểm chứng lại cơ sở lý thuyết với kết quả thực tiễn tìm ra quytrình vận hànhđơn giản, phù hợp nhất, giảm thời gian và chi phí cho quá trìnhđào tạo:

- Góp phần ổn định và phát triển trang thiết bị trong phòng thí nghiệmkết nối với các phòng thí nghiệm kỹ thuật trọng điểm khác của nhà trường

*Mục tiêu khoa học công nghệ:

- Góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu chuyên môn về lĩnh vực Cơhọc của cán bộ tham gia thực hiện đề tài.Đồng thời thúc đẩy hoạt động nghiêncứu khoa học trong khoa và nhà trường

- Góp phần đào tạo đội ngũ kỹ sư, thạc sỹ trong lĩnh vực Kỹ thuật Cơ khínói chung và bộ môn Cơ, Sức bền nói riêng

-Bổ sung thêm nguồn tài liệu chuyên môn về quy trình thí nghiệm uốn

ba điểm xác định độ võng và góc xoay và kiểm tra ổn định và xác định lực tớihạn của thanh chịu nén trong giáo trình, bài giảng, tài liệu chuyên khảo Sức

bền vật liệuphục vụ giảng dạy và đào tạo ngành công nghệ cơ khí và côngnghệ ô tô

3 Đối tượng,phạm vi và nội dung nghiên cứu

a.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu,thiết kế, chế tạo hệ thống đồ gá và quy trình vận hành thínghiệm uốn ba điểm xác định độ võng và góc xoay của dầm thép CT3 vàkiểm tra ổn định và xác định lực tới hạn của thanh chịu nén của thép đàn hồi65trên máy BESTUTM 50 tấn

- Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng vận tốc kéo, tải trọng đến độvõng và góc xoay của dầm thép CT3 chịu uốn ba điểm Trên cơ sở đó, thiết kếquy trình thao tác vận hành trên máy nhằm nâng cao độ chính xác của cácphép đo và giúp người học hiểu rõ sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm

- Quan sát hiện tượng mất ổn định của thanh chịu nén Xác định lực tớihạn, ứng suất tới hạn của thanh bị nén theo Euler

b Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tình hình sản xuất và nghiên cứu các máy thí nghiệm uốn vàtính toán ổn định thanh thẳng trên thế giới và ở Việt Nam.Nghiên cứu và khaithác tính năng công nghệ mới của máy kéo, nén vạn năng thủylực BESTUTM

50 tấn

-Nghiên cứu lựa chọn và thiết kế tổng thể đồ gá uốn, thiết bị kiểm tra ổnđịnh của thanh chịu nén trên máy BESTUTM50 tấn Phân tích lựa chọnphương án đo đạc các thông số thí nghiệm uốn cách xác định độ võng và góc

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài trên, chúng tôi áp dụng một số phương pháp sau: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: Khảo sát hệ thống các môhình, thiết bị sẵn có, nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá, khai thác tính năngcông nghệ mới của thiết bị Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, xây dựng các bài thínghiệm theo mục tiêu đào tạo của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Thiết

kế và chế tạo các thiết bị thí nghiệm đáp ứng yêu cầu của các bài thực hành

- Phương pháp đồ họa kết hợp với các phần mềm (Inventer, cad, ) được

sử dụng để thiết kế đồ gá, thiết bị kiểm tra ổn định nhằm giảm thời gian và kinhphí cho quá trình nghiên cứu

- Sử dụng các thiết bị đo đạc và điều khiển điện tử hiện số để theo dõi vàkiểm tra các thông số công nghệ trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm(thiết bị đo: độ võng, góc xoay, ), vẽ các đồ thị xác định đặc trưng cơ họccủa vật liệu

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để xác định ảnhhưởng của một số thông số: tải trọng, vận tốc đến độ võng và góc xoay củadầm khi uốn ba điểm Kiểm tra ổn định, xác định lực tới hạn làm cơ sở choviệc hoàn thiện thiết kế và chế tạo thiết bị uốn và kiểm tra ổn định và cơ sở sosánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm

5 Kết quả đạt được của đề tài

- Bộ đồ gá thí nghiệm uốn ba điểm.

- Bộ đồ gá thí nghiệm kiểm tra ổn định của thanh chịu kéo nén

- Bài thí nghiệm đo độ võng và góc xoay của dầm chịu uốn ngang phẳng

- Bài thí nghiệm kiểm tra ổn định của thanh thẳng chịu nén

- Xác định quy trình mất ổn định của thanh bị nén dọc trục và xác địnhbằng thực nghiệm độ lớn của lực tới hạn

- Kỹ năng cơ bản phân tích số liệu thí nghiệm và đo chuyển vị, vận hànhthiết bị thí nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT,TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.Lịch sử phát triển của các thí nghiệm uốn và kiểm tra ổn định vật liệu

Uốn và kiểm tra ổn định vật liệu là một phần thực nghiệm trong môn họcSức bền vật liệu được xây dựng trên một số kết quả và giả thiết thí nghiệmtương ứng với các bài toán cụ thể, sự lập luận trên cơ sở thực tế vừa mangtính khoa học và giúp thiết lập các công thức tính toán ít phức tạp hơn về mặttoán học

Vào thế kỷ thứ 16, Leonardo da Vinci (1452-1519) là người đầu tiên minhhọa độ võng trong một số bản vẽ Tuy nhiên, ông chưa được ghi nhận với bất

kỳ sự phát hiện công thức toán học nào Người đầu tiên áp dụng toán học đểtính độ võng là Galiles (1564- 1642), bằng việc xét một dầm công - xôn làm cơ

sở cho thiết kế đóng tàu hàng hải như hình 1.1 [9] Sau đó ông đã nghiên cứu

mở rộng với những dầm tựa đơn giản và đã rút ra được một số kết luận đột phánhư: “Một dầm đặt theo chiều dày thì chống uốn tốt hơn là đặt theo bề rộng”, “Tải trọng tĩnh đặt vào một dầm công- xôn là tỷ lệ thuận với chiều dài bìnhphương”, hay “một dầm rỗng khỏe hơn dầm đặc với cùng khối lượng, vật liệu”[12]

minh rằng một dầm bị uốn thì một mặt bị căng, còn mặt kia bị nén, và cácbiến dạng uốn sinh ra do ảnh hưởng trực tiếp của ứng suất pháp và ứng suấttiếp Các bài toán Sức bền vật liệu nghiên cứu ngày nay chủ yếu tuân theođịnh luật Hooke [9], [12].

Trong thế kỷ 20, nhiều nhà khoa học khác cũng đã nghiên cứu về lýthuyết biến dạng dẻo, đàn hồi nhớt, đàn hồi dẻo, lý thuyết từ biến,… giúpchúng ta nghiên cứu sâu hơn và toàn diện hơn về độ bền, độ cứng vững và độ

ổn định của các bài toán thực tế theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật.Những khám phá của họ chính là cơ sở cho những thí nghiệm của ngày nay

1.2 Tình hình sản xuất và nghiên cứu các máy thí nghiệm uốn, tính toán

ổn định trên thế giới và ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và yêu cầu từ thực tế nhiềuthiết bị thử nghiệm sức bền đã phát triển rất mạnh từ các thiết bị giảnđơnnhững năm 1780khi cuộc cách mạng công nghiệp diễn ra ở các nướcChâu Âu Vào cuối những năm 1850, David Kirkaldy đã chế tạo thành côngmáy thử nghiệm sức bền có hỗ trợ của thủy lực [1], [10] Các máy thử nghiệmsức bền cho phép xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu như kéo, nén,uốn, cắt, bóc, xé rách vật liệu của các nước như Anh, Đức, Nhật Bản, HànQuốc,vv… được phát triển mạnh mẽ Mỗi nước sản xuất máy có cấu tạo khácnhau nhưng nguyên lýđể kiểm tra độ bền, độ cứng và độ ổn định của vật liệuthì phụ thuộc vào đặc trưng cơ học và tính chất hóa lý của từng vật liệu và kếtquả cần đạt được của sản phẩm thử nghiệm tuân theo tiêu chuẩn thế giớiISOcác nước trên thế giới như ASTM, DIN,OCT, GB và KS

1.2.1.Tình hình trang bị và sử dụng thiết bị thí nghiệm uốn ở Việt Nam

Thiết bị uốn có rất nhiều loại và được dùng phổ biến nhất ở rất nhiềunước trên thế giới trong đó có cả Việt Nam chúng ta như máy uốn thủy lực,máy uốn cơ điện, …

1.2.1.1.Máy thí nghiệm uốn xiên

Ở Việt Nam hiện nay, bên cạnh

một số trường được trang bị máy thí

nghiệm hiện đại thì về cơ bản hệ

thống các máy thí nghiệm sức bền vật

liệu phục vụ đào vẫn đang sử dụng

các máy đã cũ, kích thước cồng kềnh,

tích hợp ít chức năng, đo đạc thủ

công, độ chính xác không cao như

máy thí nghiệm uốn xiên tại phòng

thí nghiệm sức bền vật liệu - Trường

đại học Giao thông Vận tải Hà Nội

[3]

Máy thí nghiệm uốn xiên hình 1.3 cho phép kiểm tra bền và xác địnhchuyển vị cho dầm tại vị trí mặt cắt nguy hiểm nhất của dầm

1.2.1.2 Máy kéo, nén, uốn vạn năng WE-1000B của hãng JINGYUAN

(Trung Quốc) ở trường Đại học Giao thông vận tải

Năm 2005, trường Đại học Giao thông vận tải có trang bị máy kéo nénvạn năng WE-1000Bcủa Trung Quốc như hình 1.3 [3]

Hình 1.2 Hình ảnh máy thí nghiệm

uốn xiên

*Cấu tạo máy:Khoang giữa và phần uốn 3 có tác dụng tạo ra lực để thử

mẫu Phần điều chỉnh máy 6 để điều chỉnh tốc độ uốn và lực tác dụng lênmẫu.Phần ghi kết quả thử nghiệm được đồng hồ 4 và quả pulô 5 vẽ lên giấy

*Nguyên lý hoạt động:Cặp mẫu thử vào cơ cấu kẹp số 1, sau đó điều

chỉnh nút điều chỉnh 6 để điều chỉnh tốc độ cơ cấu chấp hành để bắt đầu kéo(nén) thử mẫu Trong quá trình uốn thì đồng hồ đo lực 4 và đồng hồ đo độ

dãn dài làm việc, sau đó cơ cấu vẽ cơ học (pulô) số 5 sẽ vẽ biểu đồ trên giấy.

Quá trình thử nghiệm uốn song ta gạt cần gạt đảo chiều để cơ cấu kẹp về vị tríban đầu, tháo mẫu kiểm ra và đo kiểm kích thước của phôi mẫu

*Ưu điểm:Có thể dùng để xác định đặc trưng cơ học nhiều loại vật liệu

khác nhau như thép, composite,vv…

* Nhược điểm: Chỉ uốn được lực tải trọng dưới 100 (tấn) Quá trình uốn

thì cơ cấu vẽ cơ học (pulô) vẽ biểu đồ và chuyển đổi dữ liệu ra máy tính sẽ cósai lệch của giá trị khá lớn

1.2.1.3.Máy kéo, nén, uốn vạn năng cơ điện - BESTUTM 50MD

Năm 2013, phòng thí

nghiệm Sức bền vật liệu

của trường Đại học Công

nghiệp Hà Nội được trang

bị máy kéo, nén cơ điện

trọng tối đa 50 kN như trên

hình 1.4[13] Hình 1.4.Hình ảnh máy kéo, uốn vạn

năng cơ điện kiểu trục cơ BESTUTM

50MD

1- đế máy; 2- đồ gá uốn; 3-thiết bị đo biến dạng; 4- chày gia tải; 5- hộp thân máy; 6- ụ động; 7- cảm biến lực; 8- bộ điều khiển bằng tay; 9- máy tính

*Cấu tạo: Với kết khung gia tải kiểu hai cột với 3 cụm chính: Cụm thân

máy, cụm truyền động và cụm điều khiển

*Nguyên lý hoạt động: Sau khi gá kẹp mẫu trên gối uốn sử dụng phần

mềm máy tính điều khiển máy thực hiện thí nghiệm kéo hoặc uốn mẫu.Chuyển động chính là chuyển động của ụ động 5, được truyền động từ động

cơ điện, qua bộ truyền xích đến hai trục vít me – đai ốc bi Lực kéo (uốn)được đo bằng cảm biến lực 6 lắp ngay trên ụ động 5 Độ biến dạng của mẫuuốn được đo bằng hành trình dịch chuyển của ụ động 5 trên hộp thân máy 4.Sau khi thực hiện thí nghiệm, phần mềm máy tính 10 sẽ hiển thị các thông sốcủa thí nghiệm như thông số mẫu, ứng suất, biến dạng,… và biểu đồ quan hệcủa lực uốn – chuyển vị của mẫu thí nghiệm

*Ưu điểm:Đây là thiết bị dễ sử dụng, phần mềm đi kèm theo máy dễ cài

đặt và thao tác.Tự động nhận dạng và hiệu chuẩn cảm biến lực.Khung thiết kếgọn và vững chắc tăng khả năng an toàn và thuận tiện

* Nhược điểm:Không thử nghiệm được với các mẫu thí nghiệm có kích

thước lớn.Chưa tự động hóa được khâu gá kẹp phôi mẫu

1.2.2.Các thí nghiệm uốn đã được nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam

Để xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu, đã có nhiều công trìnhnghiên cứu thí nghiệm uốn trong phòng thí nghiệm và thực tiễn sản xuất làm

cơ sở so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm Điển hình là một số công

dầm, dụng cụ đo biến dạng của dầm, một kẹp tải – cho phép đặt tải trọng (cácquả cân) lên dầm với mục đích xác định các modun đàn hồi Young của vậtliệu như trên hình 1.5

Hình 1.5 Hình ảnh thí nghiệm uốn dầm công xôn với mẫu không bị phá hủy

Cũng trong nghiên cứu này các tác giả đã hướng dẫn cách tiến hành thínghiệm uốn dầm có hai mút thừa trong miền đàn hồinhư hình 1.6 được kếtnối với thiết bị đo để xác định độ võng góc xoay cũng như trường ứng suấtcủa dầm chịu uốn như trên hình 1.6

Hình 1.6 Hình ảnh thí nghiệm uốn bốn điểm với mẫu không bị phá hủy

Hình 1.7 Thiết bị đo biến độ võng của dầm uốn bốn điểm với mẫu không bị

phá hủy

Năm 2004, tại phòng thí nghiệmVishay Measurements Group[17], đãdùng sơ đồ thí nghiệm và cách chất tải giống như thí nghiệm uốn xiên Mụcđích của thí nghiệm là giúp người học hiểu được tầm quan trọng của sự tập

trung ứng suất, xác định được hệ số tập trung ứng suất Kttrên mẫu thí nghiệm

có khoét lỗ.Tải trọng P được tăng dần nhờ thêm vào các quả cân ở đầu tự docủa dầm như trên hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ thí nghiệm xác định ứng suất tập trung

Trong đó:σB-MAX-ứng suất lớn nhất xuất hiện tại vị trí sát lỗ khoét, MPa;

σB-NOM-ứng suất danh nghĩa, MPa

Trong thời gian qua, ở nước ta cũng có rất nhiều phòng thí nghiệm vàcác công trình nghiên cứu uốn các loại vật liệu khác nhau Tại trường Đại họcgiao thông vận tải đã cho sinh viên làm rất nhiều thí nghiệm như quan sát quỹđạo ứng suất chính (trường ứng suất) trong dầm uốn phẳng như hình 1.9 [3]

Hình 1.9.Hình ảnh thí nghiệm uốn ba điểm quan sát quỹ đạo trường ứng suất

Dầm có mặt cắt ngang chữ nhật làm bằng mica, mẫu được quét lớpmỏng vật liệu dòn hai mặt bên của chiều cao dầm Với ứng suất pháp trongdầm uốn ngang là:

thuần tuý”, dùng thiết bị đo biến dạng giai đoạn dầm làm việc trong giới hạn

đàn hồi để xác định giá trị ứng suất trong dầm So sánh kết qủa đo được vớigiá trị tính thông qua nội lực Mx và mô mem chống uốn Wxnhằm kiểm tra tínhđúng đắn của lý thuyết Tính ứng suất dầm uốn thuần túy thông qua thiết bị

đo ứng suất – biến dạng như sơ đồ và thiết bị trên hình 1.10

Hình1.10 Sơ đồ thí nghiệm uốn bốn điểm xác định ứng suất của dầmchịu uốn

Dầm thép được đặt trên hai gối của giá thí nghiệm, hai quang treo trêndầm được điều chỉnh sao cho khoảng cách từ chúng đến hai gối bằng nhau đểkhi đặt quả nặng lên hai quang treo với cùng một giá trị thì đoạn ở giữa haiquang treo là uốn thuần tuý Ở đoạn dầm này có dán điện trở đo biến dạng ởmặt trên và mặt dưới Hai điện trở này được nối với máy đo biến dạng Sau khiquá trình tăng tải kết thúc ta bỏ dần quả nặng trên quang treo ra và đọc số liệutrên máy đo với quá trình giảm tải về 0 kg Khi tăng tải từ 0kg đến 9kg, ta có

sự thay đổi điện thế của ten xơ mét điện phía trên là 0,05 vôn, ten xơ mét phíadưới là 0,065 vôn Ứng sất lớn nhất là 21,6 daN/cm2, Ứng suất nhỏ nhất 19,66daN/cm2 Từ số liệu trên cho thấy sự khác biệt giữa lý thuyết và thí nghiệm làkhông đáng kể, các giả thiết để thành lập công thức tính là đáng tin cậy

Năm 2014 tác giả Nguyễn Thành Vũ, Bùi Công Thành và các cộng sự tạitrường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [15] đãtiến hành thí nghiệm và tính toán các đặc trưng nứt cơ bản của một số loại bêtông cường độ cao như trên hình 1.11

Hình 1.11 Hình ảnh thí nghiệm phá hủy bê tông

Kết quả thí nghiệm uốn trên 3 điểm các mẫu dầm có đường nứt mồi đãxác định được hệ số cường độ ứng suất giới hạn, độ bền nứt giới hạn, nănglượng nứt và chiều dài đặc trưng của vùng phá huỷ bê tông của 2 loại bê tông

có cường độ chịu nén từ 60 MPa đến 80 MPa

1.3.Tình hình sản xuất và nghiên cứu các máy thí nghiệm tính toán ổn định trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.1.Tình hình trang bị và sử dụng thiết bị thí nghiệm tính toán ổn định trên thế giới và ở Việt Nam

Năm 2008, trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã xây dựng

phòng thí nghiệm cơ học trang bị máy

thí nghiệm WP 121 của hãng GUNT

Hamburg – Cộng hòa liên bang Đức

[2] để xác định lực tới hạn theo công

thức Euler như hình 1.12

1- khung chính; 2- thanh cong; 3- tường phía sau; 4-giá đỡ gắn phía dưới; 5- giá gắn phía trên; 6- bộ phận giữ để tạo lực nén; 7-tải trọng làm cong thanh

* Nguyên lý hoạt động: Lắp mẫu thí nghiệm vào giá gắn phía dưới 4 và

giá gắn phía trên 5 Chỉnh giá đỡ phía trên để thanh cong không bị hỏng khi bịquá tải Gia tăng tải trọng từ từ, khi gần được giá trị tải trọng tính toán làmthanh cong thì chỉ tăng gia trọng từng cấp 1N để nhìn thấy rõ nét sự mất ổnđịnh của thanh như điểm cong Máy thí nghiệm chỉ có thể gia tải từ 2- 32 N

Do đó, có thể kiểm tra được các mẫu thí nghiệm kim loại có kích cỡ rất nhỏ,hoặc các loại vật liệu composite

Cũng trong thời gian này tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sưphạm Kỹ thuật Hưng Yên còn được trang bị thiết bị thí nghiệm kiểm tra ổn

định WP 120của hãng GUNT Hamburg- Cộng hòa liên bang Đức [2] như

Hình 1.12 Máy thí nghiệm WP 121

hình 1.13.

4

5 6

Hình 1.13.Hình ảnh máy thí nghiệm độ ổn định WP 120

1-trụ gia tải;2- thanh ngang; 3-đồng hồ đo độ võng; 4- cảm biến đo lực; 

5 khung đế; 6 đồng hồ đo lực; 7 thiết bị gia tải theo phương ngang; 8

-mẫu

* Nguyên lý hoạt động:Cài mẫu có rãnh chữ V vào ổ đỡ và làm chặt

bằng ốc vít.Đặt thiết bị kiểm tra độ võng 3 theo phương thẳng đứng Thanh

ngang 2 gia tải phải được kẹp chặt trên cột mà vẫn giữ khoảng cách 5mm để

dịch chuyển.Đầu tiên ta làm căng mẫu với lực nhỏ và tăng tải từ từ cho đến

khi lực không thay đổi

* Nhược điểm:Chỉ kiểm tra ổn định

cho các mẫu thí thí nghiệm có lực tới hạn

nhỏ2000N Kết quả thí nghiệm chưa

được kết nối với phần mềm vẽ đồ thị,

phải tính toán thủ công nên kết quả thí

nghiệm có nhiều sai lệch

Năm 2007, bộ môn Sức bền Vật liệu

trường Đại học Giao thông Vận tải đã có

một máy thí nghiệm xác định lực tới hạn

của một thanh chịu lực ở đầu [3] Máy thí

nghiệm này chế tạo dựa theo mẫu đã

được dùng ở cácphòng thí nghiệm của

Hình 1.14 Thiết bị thí nghiệm xác

định lực tới hạn

1 - tải trọng; 2- đồng hồ đo chuyển vị; 3- tấm truyền tải trọng và liên khớp trên;4- mẫu thí nghiệm;5-khung đỡ; 6 - liên kết khớp dưới,

Trung Quốc, Ấn Độ, như trên hình

1.14

Các tác giả dùng thiết bị trên để xác định lực tới hạn của một thanh thép.Nhưng trong thực tế, việc xác định lực tớihạn bằng thiết bị này thường khôngđạt được độ chính xác mong muốn và khóquan sát được thời điểm thanh bắtđầu cong và chưa vẽ được biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lực và biếndạng

Từ năm 2005, bên cạch các thiết bị cũ, cồng kềnh, đo đạc có nhiều sai

số, trường Đại học Giao thông Vận tải đã đầu tư thiết bị kéo, nén, uốn vạnnăng HFM – 50 tấncủa Mỹ Nhằm khai thác công năng của các thiết bị thínghiệm, các nhà khoa học tại các phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu đãnghiên cứu cải tiến, khai thác thêm các tính năng công nghệ và xây dựng cácbài thí nghiệm mới Năm 2012, tác giả Vũ Đình Lai và các cộng sự đã nghiêncứu xây dựng bài thí nghiệm ổn định thanh bị nén trên máy kéo nén vạn năngHFM50 tấn [9] như trên hình 1.15

Hình 1.15 Sơ đồ bộ đồ gá và mẫu thí nghiệm ổn định thanh thẳng chịu nén

1- tấm truyền tải trọng và tạo liên kết khớp trên; 2- đầu kẹp mẫu thử; 3- vít điều chỉnh độ lệch tâm và cố định mẫu; 4- mẫu thí nghiệm; 5- tấm chắn; 6- tấm truyền tải trọng và tạo liên kết khớp dưới; 7- vít an toàn.

Với hệ thống gá đặt hiện có của máy HFM-50 tấn nhóm thực hiện đề tài

đã thiết kế và đặt chế tạo thêm bộ đồ gá chuyên dụng để có thể thực hiện thínghiệm Thiết bị thí nghiệm hoàn toàn có thể tự động trong việc đo, ghi lực vàchuyển vị cùng với sự trợ giúp của máy tính Kết luận cho thấy hoàn toàn cóthể thực hiện thí nghiệm ổn định trên máy này với kết quả thu được là rất khảquan

1.3.2 Các thí nghiệm tính toán ổn định đã được nghiên cứu trên thế giới

và ở Việt Nam

Bài toán ổn định là một trong những bài toán có ý nghĩa rất lớn về mặt lýluận cũng như thực tế tính toán kết cấu cơ khí, công trình Tuy các bài toán ổnđịnh đàn hồi hoặc ngoài đàn hồi được giải dựa trên các tiêu chí khác nhau,nhưng chúng ta hoàn toàn có thể kiểm tra lại bằng thực nghiệm

Ở các nước như Liên Xô cũ, Đức, Trung Quốc, Ấn Độ và ở nước ta (cáctrường Đại học Bách Khoa, Thủy Lợi, trường Đại học Giao thông Vận tải vàĐại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trong việc giảng dạy môn Sức bền Vậtliệu, đã xây dựng các bài thí nghiệm xác định lực tới hạn của thanh thép vớikích thước cụ thể

Năm 2008, hãng GUNT Hamburg -CHLB Đức đã xây dựng bài thựchành thí nghiệm nhằm xác định lực tới hạn theo công thức Euler trên máy thíWP121[2] Với mẫu thí nghiệm là một thanh thép mỏng dài 180mm, có tiếtdiện hình chữ nhật, vật liệu bằng thép CT3 như sau:

Hình 1.16 Mẫu thí nghiệm kiểm nghiệm bài toán Euler.

Đối với thép CT3, độ mảnh tới hạn là th=100, do đó điều kiện trên cóthể viết:

Trong quá trình thí nghiệm tăng tải trọng từ từ, khi gần được giá trị tảitrọng tính toán làm thanh cong thì chỉ tăng gia trọng từng cấp 1N giúp ngườiquan sát nhìn thấy rõ sự mất ổn định của thanh như các điểm cong Tính sai sốcủa lực tới hạn theo công thức giữa thực nghiệm và tính lý thuyết (theo phầntrăm) Hướng dẫn người học biết nhận xét thí nghiệm và nêu nguyên nhân saisố

Từ năm 2008 đến nay tại phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu của trườngĐại học Hưng yên đã tiến hành thí nghiệm kiểm tra ổn định thanh thẳng cóchiều dài thay đổi, tiết diện thay đổi và vật liệu thay đổi nhằm khảo sát cácvấn đề về việc thanh bị cong, các yếu tố ảnh hưởng như sự liên kết tại hai đầuthanh, chiều dài và đường kính của thanh, các tham số vật liệu trên máy thínghiệmWP 120 của hãng GUNT Hamburg (CHLB Đức) Chèn mẫu vào gờvào rãnh chữ V Thanh ngang gia tải được phải được kẹp chặt trên cột mà vẫngiữ khoảng cách 5mm để dịch chuyển Ban đầu làm căng mẫu với lực nhỏ vàchưa đo kết quả sau đó tăng tải từ từ nhờ sử dụng nút xoay cho đến khi lựckhông thay đổi Đọc độ lệch từ thiết bị đo lực, sau mỗi lần lệch 0,25mm đến1mm Kiểm tra có thể dừng lại khi mà lực không thay đổi mặc dù tải vẫn tăngxác định được lực làm cong mẫu làm cơ sở kiểm tra điều kiện ứng dụng công

1.4 Nghiên cứu khai thác tính năng công nghệ mới của máy kéo nén vạn năng thuỷ lực BESTUTM 50 tấn

Thực hiện mục tiêu đào tạo kỹ sư định hướng thực hành của Đại họcCông nghiệp Hà Nội,năm 2013, Trường đã có phòng thí nghiệm sức bền vậtliệu được trang bị máy kéo, nén vạn năng thủy lực BESTUTM 50 tấnkết nốivới phần mềmUTM HYD 500 hiển thị số liệu thí nghiệm và đồ thị thínghiệm Máy có thể thực hiện được nhiều loại thí nghiệm xác định đặc trưng

cơ lý tính của các loại vật liệu như kéo, nén, uốn, cắt,… với các tải trọng vàvận tốc biến dạng khác nhau và có lực kéo lớn nhất là 50 tấn, được sản xuấttại Hàn Quốc

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

1.4.1.1 Cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo của máy BESTUTM 50 tấn thể hiện trên hình 1.17

Hình 1.17 Hình ảnh máy kéo nén vạn năng thuỷ lực BESTUTM 50 tấn

1-bàn máy; 2- hai trụ máy; 3- ụ động; 4- bộ điều khiển bằng tay; 5- khoang trên; 6- bộ đồ gá kéo; 7- cụm cảm biến đo biến dạng Extensometer; 8- cơ cấu vít, đai ốc; 9- bộ đồ gá uốn; 10 - hộp máy; 11- máy in; 12- máy tính; 13- bàn điều khiển;14- hộp thủy lực;

Phần chính của máy là bộ khung có hai khoảng không (dual space), cácvùng này được dùng để đặt mẫu thí nghiệm kéo hoặc nén, uốn Máy sử dụng

hệ thống truyền động môtơ và tải thuỷ lực trợ động và có cấu trúc khung tảitrọng chịu lực gồm 4 trụ chịu lực vững chắc Nguồn dẫn động của máy làbơm dầu thuỷ lực Bơm sẽ tạo ra dòng dầu cao áp đi vào khoang trên hoặckhoang dưới của xy lanh tạo ra lực kéo hoặc lực uốn

Máy có hai khoang thử cho phép thực hiện các phép thử kéo và nén vàcác phép thử khác (cần các ngàm kẹp tương ứng) cho các vật liệu riêng biệtkhác Khoang thử được điều chỉnh để đáp ứng với các mẫu thử có chiều dàilớn Kẹp mẫu chắc chắn được đảm bảo bởi tác động nêm của các ngàm kẹpthuỷ lực Máy thử có tải trọng lớn nhất 50 tấn(490kN) và độ chính xác ± 0.5%lực tải hiển thị từ 1% đến 100% dung lượng lực tải

Đối với các thí nghiệm uốn, nén, mẫu được đặt giữa ụ động 3 và bànmáy 1 và thí nghiệm kéo mẫu được đặt trên gá kẹp 6 được lắp ở khoang trên 5

và ụ động 3 Tùy theo loại thí nghiệm mà cần thiết phải có các chi tiết gá, kẹpmẫu tương ứng Đối với thí nghiệm kéo, mẫu được kẹp bằng hệ thống ngàmkẹp hình côn, có lực kẹp ban đầu bằng thủy lực thông qua hệ thống bánh răngtrục vít như hình 1.18

tay 4.Để vận hành máy bật công tắc nguồn trên bàn điều khiển 13, nguồn điệnđược cấp cho động cơ quay sẽ làm bơm dầu trong hộp thủy lực 14 hoạt độngtruyền tải trọng cho cảm biến lực (loadcell) được lắp trong hộp máy 10 lênkhoang trên 5 Phần mềm máy tính 12 được sử dụng để điều khiển máy thựchiện thí nghiệm kéo hoặc nén mẫu, bằng cách điều khiển hệ thống thủy lực đểnâng bàn máy thông qua xy-lanh thủy lực Lực kéo (nén) được đo bằng cảmbiến lực (loadcell) lắp ngay trên pittong thủy lực Độ biến dạng của mẫu được

đo bằng extendsometter với thí nghiệm kéo và hành trình bàn máy với thínghiệm nén Sau khi thực hiện thí nghiệm,các thông số thí nghiệm được khaibáo và kết quả thí nghiệm được hiển thị trên màn hình máy tính và kết xuấtcác thông số của thí nghiệm như thông số mẫu, ứng suất, biến dạng và biểu đồquan hệ của lực kéo, nén– biến dạng của mẫu

1.4.2.Hệ thống do lường và điều khiển

Toàn bộ hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu đo được thiết kế dựa trêncông nghệ vi điện tử với các chíp vi xử lý thế hệ mới Tất cả các dữ liệu đượcchuyển về máy tính để xử lý và hiển thị kết quả trong suốt quá trình đo thôngqua bộ vi xử lý DSP Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo lường được thể hiện ởhình 1.19

Hình1.19 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo

Bộ A/D chuyển đổi tín hiệu đo lực từ loadcell có độ phân giải nội 18 bit(1/200.000), cho phép đạt được giá trị đo lực có độ chính xác rất cao, tươngđương với các máy hiện hành của các hãng chế tạo của Mỹ và Đức

1.4.3 Các bài thí nghiệm đã giảng dạy

Trong chương trình giảng dạy môn Sức bền vật liệu của trường Đại họcCông nghiệp Hà Nội đã xây dựng và cho sinh viên đại học, cao đẳng ngành

kỹ thuật Cơ khí và Công nghệ ô tô tiến hành các bài thí nghiệm kéo phá hủyvật liệu thép và nén vật liệu gang để xác định cơ lý tính của các loại vật liệuđược sử dụng rộng rãi trong các kết cấu cơ khí như trục động cơ, đế máy,…giúp người học biết cách vận hành thiết bị thí nghiệm và so sánh các sai sốgiữa lý thuyết và thực nghiệm

Hình 1.20 Hình ảnh quá trình kéo

thép C45 bị phá huỷ sau khi kéo Hình 1.21.Hình ảnh các mẫu thép

Từ tháng 3 năm 2013 đến nay, phòng thí nghiệm sức bền vật liệu củaTrường đã cho sinh viên làm thí nghiệm kéo phá hủy vật liệu thép khác nhaunhư CT3, C45 (hình 1.20 – 1.21) nhằm xác định các đặc trưng cơ bản của vậtliệu gồm ba giai đoạn là đàn hồi, chảy dẻo, củng cố và tái bền Qua thínghiệm đã xác định được tính chất cơ lý của vật liệu như mô đun đàn hồi kéonén của vật liệu cũng như độ thắt tỷ đối và biến dạng dài tương đối đặc trưng

Hình 1.22.Hình ảnh các mẫu gang xám bị phá huỷ sau khi nén

Qua thí nghiệm giúp người học quang sát và nhận xét được mối quan hệgiữa P (tải trọng) và biến dạng dọc tuyệt đối (ΔL) Đồng thời xác định đượccác đặt trưng cơ bản của vật liệu gang chỉ có hai giai đoạn là giai đoạn đànhồi tuyến tính và giai đoạn phá hủy.Xác định giới hạn bền khi kéo¿ )của gang.Thí nghiệm cho thấy biến dạng của gang tăng ít khi P tăng Quá trình pháhuỷcủa gang trải qua 2 giai đoạn và chỉ tồn tại giới hạn bền khi kéo

So với các máy kéo nén vạn năng của một số trường Đại học như Đạihọc Giao thông vận tải, đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, sử dụng cơcấu nâng hạ đầu kéo nén bằng trục vít, đai ốc nên máy thí nghiệm BESTUTM

50 tấncó một số ưu điểm như:

 Hoàn toàn dẫn động thủy lực, do đó có khả năng truyền động êm,chống quá tải tốt và đặc biệt là có thể thay đổi tốc độ kéo nén vô cấp;

 Kích thước máy gọn nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ vận hành;

 Có thể tạo ra lực kéo, nén khá lớn, làm việc tin cậy và tuổi thọ cao Nhưng thiết bị trên cũng còn một số nhược điểm sau:

 Trên gối uốn sử dụng hai gối đỡ bản lề di động nên việc gá đặt và độchính xác khi đo chuyển vị bị hạn chế; chỉ thích hợp cho các bài toán uốn lốc(uốn dẻo) nhằm xác định góc uốn của vật liệu kim loại

 Khi máy hoạt động hệ thống kết nối với máy vi tính chỉ thể hiện được

đồ thị đường cong đặc tính giữa tải trọng và chuyển vị dài, chưa thể hiện đượcchuyển vị góc của vật liệu quá trình uốn vật liệu trong giai đoạn đàn hồi

1.4.4 Các bài thí nghiệm mới có thể xây dựng trên máy BESTUTM 50 tấn

Để khai thác triệt để hiệu quả sử dụng của thiết bị đo có độ chính xác caotrên vào chương trình đào tạo đại học, sau đại học, nghiên cứu khoa học,chuyển giao công nghệ và ứng dụng vào quá trình sản xuất, qua nghiên cứu

nhóm nghiên cứu thấy rằng với kết cấu của thiết bị có thể khai thác xây dựngcác bài thí nghiệm mới trên máy như sau:

1.4.4.1.Bài thí nghiệm uốn ngang phẳng

Với bài thí nghiệm này thường sử dụng phương pháp uốn ba điểm có sơ

đồ như ở hình 1.23 dưới đây

Hình 1.23 Sơ đồ thí nghiệm uốn ba điểm

Phương pháp uốn ba điểm sẽ cho kết quả là mô đun đàn hồi uốn của vậtliệu E; ứng suất uốn ; biến dạng dài tương đối  và đồ thị đường cong đặctính biểu diễn mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng dài tuyệt đối

Ưu điểm của phương pháp uốn ba điểm là việc tiến hành thí nghiệm vàchuẩn bị mẫu thí nghiệm khá dễ dàng Tuy nhiên phương pháp này có nhượcđiểm khá nhạy cảm với những loại mẫu có hình dạng khác nhau cũng như tốc

độ uốn khác nhau

1.4.4.2.Uốn bốn điểm

Ngoài ra có thể tiến hành bài thí nghiệm uốn ngang phẳng sử dụng cácphương pháp khác như uốn 4 điểm nhằm xác định trường ứng suất của dầmchịu uốn như sơ đồ hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ thí nghiệm uốn bốn điểm

Đối với phương pháp này cần có các thiết bị đo độ võng đặt tại giữa hai

gối đỡ Phương pháp uốn bốn điểm cũng đo được độ bền uốn và mô đun đànhồi uốn vật liệu composite và gỗ thường sử dụng trong ngành giao thông vàxây dựng.

1.4.4.3 Uốn dầm công - xôn đặt lực ở đầu tự do

Phương pháp thí nghiệm uốn dạng mẫu thí nghiệm một đầu công - xônthường được dùng để xác định mô đun đàn hồi uốn phục vụ trong công tácgiảng dạy Quá trình thí nghiệm thường không uốn đến khi mẫu bị phá hủy

Sơ đồ uốn của thí nghiệm như ở hình 1.25

Hình 1.25 Sơ đồ uốn mẫu liên kết công -xôn đặt lực ở đầu tự do

Bài thí nghiệm này ngoài việc thiết kế thêm đồ gá ngoài để kẹp mẫunhư trên thì ta cần lắp thêm hệ thống thiết bị đo ứng suất Kết quả thu đựợccủa thí nghiệm là độ bền uốn, ứng suất trên mặt mẫu thử trong giới hạn đànhồi, mô đun đàn hồi uốn, độ võng, góc xoay của dầm chịu uốn

1.4.4.4 Bài thí nghiệm kiểm tra ổn định thanh chịu nén

Để kiểm tra ổn định thanh, dùng lực nén được tạo ra trên máy kéo nénvạn năng với mô hình thí nghiệm như hình 1.26 Ta có thể tạo thí nghiệmvới sơ đồ như ở hình 1.26a Lực tới hạn xác định nhờ thực nghiệm theo bàitoán Euler và quan sát hiện tượng thanh bị cong, ảnh hưởng của sự liên kếtgiữa hai đầu thanh như hình 1.26b:

Ngoài những bài thí nghiệm đề cập ở trên còn có thể xây dựng nhiều bàithínghiệm khác nữa như thí nghiệm phá hủy dầm chịu uốn, thí nghiệm pháhủy trượt, thí nghiệm đo độ bền cắt, hoàn toàn có thể xây dựng dựa trên cơ

sở máy kéo nén vạn năng Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì nhómnghiên cứu chỉ tập trung thiết kế đồ gá thí nghiệm uốn ba điểm và đồ gá thiết

bị kiểm tra ổn định của thanh chịu nén với đặc điểm chung là lực gây uốn,gây nén khi tính toán ổn định (P) được tạo ra từ lực uốn, nén của máy kéo nénvạn năng Còn phần đồ gá và các thiết bị đo đạc cần thiết phải chế tạo và lắpđặt bổ sung thêm nhằm thiết kế các bài thí nghiệm làm sáng tỏ cơ sở lý thuyếtcho bài giảng môn học Sức bền vật liệu đang được giảng dạy tại trường Đạihọc Công nghiệp Hà Nội

1.5.Kết luận chương 1

1 Đã tiến hành nghiên cứu tổng quan quá trình hình thành và phát triểnphương pháp và thiết bị uốn và kiểm tra ổn định của các vật liệu, các bài thínghiệm uốn và kiểm tra ổn định đã được các trường đại học trong cả nướcgiảng dạy trong những năm qua

2.Việc nghiên cứu khai thác và phát huy thêm các tính năng mới củamáy sẽ đảm bảo tính kinh tế hơn so với việc trang bị thêm các máy thí nghiệmmới Đáp ứ́ng nhu cầu đào tạo và nghiên cứ́u khoa học hiện tại của các ngànhhọc kỹ thuật trong Nhà trường nói chung và Bộ môn Cơ Sức bền của khoa Cơkhí nói riêng

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết nhiệm vụ khoa học của đề tài, chúng tôi sử dụng phươngpháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

Áp dụng phương pháp điều tra đánh giá: Đánh giá tổng quan nghiên cứuthiết bị và các phương pháp tiến hành thí nghiệm trên thế giới và ở Việt Nam,kết hợp với việc tham khảo ý kiến của các chuyên gia để lựa chọn, thiết kế vàchế tạo đồ gá, khai thác tính năng công nghệ mới của thiết bị

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của thí nghiệm uốn ba điểm và kiểm tra ổnđịnh của thanh chịu nén từ đó xác định được các thông số đặc trưng cơ, lýtính của vật liệu thí nghiệm nhằm định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm

Áp dụng phương pháp đồ họa kết hợp với các phần mềm (Autocad,SolidWork, Excell ) để thiết kếbản vẽ chi tiết, mô hình 3D đồ gá, thiết bị kiểmtra ổn định có sự trợ giúp của máy vi tính nhằm giảm thời gian và kinh phí choquá trình nghiên cứu

Sử dụng các thiết bị đo đạc và điều khiển điện tử hiện số để theo dõi vàkiểm tra các thông số công nghệ trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm (thiết bịđo: độ võng, góc xoay, ), vẽ các đồ thị xác định đặc trưng cơ học của vật liệu.Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để xác định ảnhhưởng của một số thông số: tải trọng, vận tốc đến độ võng và góc xoay củadầm khi uốn ba điểm Kiểm tra ổn định, xác định lực tới hạn làm cơ sở choviệc hoàn thiện thiết kế, chế tạo thiết bị uốn và kiểm tra ổn định trên cơ sở so