Nghiên cứu sử dụng vật liệu sandwich trong đóng tàu vỏ composite

csjĐ ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VŨ VĂN DU NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU SANDWICH TRONG ĐÓNG TÀU VỎ COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÁNH HÒA – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VŨ VĂN DU NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU SANDWICH TRONG ĐÓNG TÀU VỎ COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 60520116 Quyết định giao đề tài: 1486/QĐ-ĐHNT ngày 30/12/2014 Quyết định thành lập HĐ: 179/QĐ-ĐHNT Ngày bảo vệ: 08/4/2016 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN ĐẠT Chủ tịch Hội đồng: PGS.TS TRẦN GIA THÁI Khoa sau đại học: KHÁNH HÒA – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đề tài: “Nghiên cứu sử dụng vật liệu sandwich đóng tàu vỏ composite” công trình nghiên cứu cá nhân chƣa đƣợc công bố công trình khoa học khác thời điểm Nha Trang, ngày 04 tháng 05 năm 2016 Tác giả luận văn Vũ Văn Du iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực đề tài, nhận đƣợc giúp đỡ quý phòng ban trƣờng Đại học Nha Trang, Khoa kỹ thuật giao thông tạo điều kiện tốt cho đƣợc hoàn thành đề tài Đặc biệt hƣớng dẫn tận tình TS Nguyễn Văn Đạt giúp hoàn thành tốt đề tài Qua đây, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: Gia đình lo lắng, giúp đỡ suốt trình học tập Đặc biệt, em xin cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Đạt – Giám đốc Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy tạo điều kiện quỹ thời gian, kinh phí cho em học tập tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm giúp hoàn thành luận văn Cảm ơn Thầy cô giáo khoa Kỹ thuật tàu thủy khoa Kỹ thuật giao thông giúp đỡ tạo điều kiện cho em hoàn thành chƣơng trình đào tạo Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên để hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, ngày 04 tháng 05 năm 2016 Tác giả luận văn Vũ Văn Du iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC ĐỒ THỊ xiii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xiv MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu 3 Nội dung nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .4 Phƣơng pháp nghiên cứu 6.1 Nghiên cứu lý thuyết 6.2 Nghiên cứu thực nghiệm Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu sandwich .5 1.1.1 Khái niệm, cấu tạo 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Phạm vi ứng dụng 1.2 Vật liệu FRP sandwich 1.2.1 Vật liệu da 1.2.1.1.Nhựa Polymer 1.2.1.2 Cốt sợi thủy tinh 12 1.2.2 Vật liệu lõi 15 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN 17 2.1 Lý thuyết Sandwich 17 2.1.1 Giới thiệu .17 2.1.2 Trƣờng biến dạng ứng suất .17 2.1.2.1 Trƣờng chuyển vị 17 2.1.2.2 Trƣờng biến dạng 18 2.1.2.3 Trƣờng ứng suất 19 2.1.3 Phƣơng trình tổng quát sandwich 19 v 2.1.4 Vật liệu FRP sandwich có lớp da dày 20 2.2 Tìm hiểu tiêu chuẩn thí nghiệm .22 2.2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN .22 2.2.1.1 Thử kéo .23 2.2.1.2 Thử cắt 24 2.2.1.3 Thử nén .24 2.2.1.4 Thử tỉ trọng .25 2.2.2 Tiêu chuẩn ASTM 26 2.2.2.1 Thử nén theo tiêu chuẩn ASTM 365-03 [12] 26 2.2.2.2 Thử cắt theo tiêu chuẩn ASTM C273 – 00 [13] .27 2.2.2.3 Thử uốn theo tiêu chuẩn ASTM C393 – 00 [14] 28 2.3.Thiết bị thử nghiệm 29 2.3.2 Công dụng 30 2.3.3 Thông số kỹ thuật 30 2.4 Một số công nghệ thi công vật liệu FRP sandwich 30 2.4.1.Công nghệ đúc tiếp xúc (tạo lớp tay/hand lay-up) 31 2.4.1.1 Giới thiệu 31 2.4.1.2 Nguyên lý 31 2.4.1.3 Ƣu nhƣợc điểm 31 2.4.1.4 Ứng dụng 32 2.4.2 Công nghệ hút chân không (Vacuum Infusion) .32 2.4.2.1 Giới thiệu 32 2.4.2.2 Lý thuyết truyền nhựa 32 2.4.2.3 Ƣu nhƣợc điểm 34 2.4.2.4 Ứng dụng 35 2.5 Tìm hiểu số Quy phạm hành 35 2.5.1 Quy phạm QCVN 56: 2013/BGTVT [2] 35 2.5.1.1 Giới thiệu chung 35 2.5.1.2 Nhận xét 35 2.5.2 Quy phạm ABS 1978 [3] 36 2.5.2.1 Giới thiệu chung 36 2.5.2.2 Nhận xét 36 2.6 Tìm hiểu số tàu làm vật liệu sandwich hoạt động Việt Nam 37 vi 2.6.1 Tàu Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy 37 2.6.2 Tàu seahorse S5 38 2.6.3 Tàu seahorse Cat S5 38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 40 3.1 Quy trình thi công sản phẩm công nghệ đúc tiếp xúc (tạo lớp tay) 40 3.2 Quy trình thi công đúc tiếp xúc (tạo lớp tay/hand lay-up) 41 3.2.1.Giai đoạn chuẩn bị 41 3.2.2 Tiến hành .41 3.3 Quy trình thi công theo công nghệ hút chân không (Vacuum Infusion) 43 3.2.2.1 Giai đoạn chuẩn bị 46 3.2.2.2 Các bƣớc tiến hành 47 3.3 Kết thử nghiệm tính vật liệu .53 3.3.1 Kết thử vật liệu FRP 54 3.3.1.1 Thử nghiệm kéo FRP 54 3.3.1.2 Thử nghiệm uốn FRP 55 3.3.1.3 Thử tỉ trọng FRP 56 3.3.2 Kết thử vật liệu FRP sandwich .56 3.3.2.1 Thử nghiệm nén FRP sandwich .56 3.3.2.2 Thử nghiệm cắt FRP sandwich 57 3.3.2.3 Thử tỉ trọng lõi 58 3.3.2.4 Thử nghiệm uốn FRP sandwich ( Khoảng cách gối 40 mm) .58 3.4 Đề xuất quy trình tính toán kết cấu thân tàu FRP sandwich .58 3.4.1 Tính chiều dày vỏ đáy 59 3.4.1.1 Tấm lớp 59 3.4.1.2 Tấm Sandwich 60 3.4.1.3 Kết cấu đáy .61 3.4.2 Tính chiều dày mạn tàu 63 3.4.2.1 Tấm lớp 63 3.4.2.2 Tấm Sandwich 65 3.4.2.3 Khung sƣờn 65 3.4.3 Boong 65 3.4.3.1 Tấm da 65 3.4.3.2 Tấm sandwich 66 vii 3.4.3.3 Kết cấu boong 67 3.4.4 Vách kín nƣớc 68 3.4.4.1 Tấm vách 68 3.4.4.2 Kết cấu vách .69 3.4.5 Thƣợng tầng lầu lái 70 3.4.5.1 Tải trọng thiết kế 70 3.4.5.2 Tấm mạn thƣợng tầng 70 3.4.5.3 Nẹp vách 72 Mô đun SM mô men quán tính mặt cắt I nẹp vách kể phần mép kèm không nhỏ giá trị nhận đƣợc từ công thức sau: 72 3.4.6 Kiểm tra độ bền dọc 72 3.4.6.3 Mô đun chống uốn tiết diện ngang thân tàu 74 3.4.6.4 Mô men quán tính tiết diện ngang 75 3.5 Tính toán kết cấu tàu cụ thể 75 3.5.1 Tính toán kết cấu canô cao tốc 75 3.5.1.1 Tính toán kết cấu vật liệu FRP thông thƣờng 76 3.5.1.2 Tính chiều dày vỏ canô 4.5 m theo kết cấu vỏ sandwich 77 3.5.2 Tính chiều dày vỏ tàu cá Gia Hội 24m 79 3.5.2.2 Tính chiều dày vỏ tàu cá Gia Hội 24m theo kết cấu vỏ FRP sandwich 81 Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP SANDWICH 85 4.1 Hiệu mặt độ bền 85 4.2 Hiệu mặt kinh tế 87 4.3 Tính thẩm mỹ sản phẩm 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 Kết luận 92 Kiến nghị 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 95 viii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ASTM: American Society for Testing and Materials ABS: American Bureau of Shipping BGTVT: Bộ giao thông vận tải UNINSHIP: Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy BPO: Benzoyl Peroxide – chất đóng rắn CSM: Chopped Strand Mat – Vải sợi thủy tinh vô hƣớng FRP: Fibeglass Reinfored Plastic - Vật liệu composite MEKP: Methyl Ethyl Ketone Peroxide - chất đóng rắn QCVN: Quy chuẩn Việt Nam VIP: Vacuum Infusion Process WR: Woven roving - vải thuỷ tinh PU: Polyurethane u: Chuyển vị theo phƣơng x v :Chuyển vị theo phƣơng y w: Chuyển vị theo phƣơng z [ ]: Tenseur ứng suất [A]: Ma trận độ cứng màng [B]: Ma trận độ cứng màng – uốn [D]: Ma trận độ cứng uốn [N]: Lực màng [M]: Mômen uốn xoắn [Q]: Lực cắt ngang h : Chiều dày sandwich k: Lớp thứ k c: Lõi sandwich s : Tính đối xứng cỉa composite lớp x, y,z: Các trục lớp ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cơ tính riêng số vật liệu thƣờng gặp [6], [4] Bảng 1.2 Cơ tính riêng số vật liệu lõi thƣờng gặp [4] Bảng 1.3 Sử cải tiến mặt độ cứng sức bền thay đổi kết cấu cấu [4] .8 Bảng 1.4: Các thông số kỹ thuật nhựa Polyester [6] .12 Bảng 2.1: Kích thƣớc quy định ống hút 34 Bảng 2.2: Áp suất hút độ chân không .34 Bảng 3.1: Bảng tính chọn đƣờng kính ống 44 Bảng 3.2 Tính toán thời gian hút 44 Bảng 3.1 Kết thử kéo FRP theo công nghệ đúc tiếp xúc .54 Bảng 3.2 Kết thử kéo FRP theo công nghệ hút chân không 55 Bảng 3.3 Kết thử uốn FRP theo công nghệ đúc tiếp xúc .55 Bảng 3.4 Kết thử uốn FRP theo công nghệ hút chân không 56 Bảng 3.5 Kết thử tỉ trọng FRP 56 Bảng 3.6 Kết thử nén vật liệu FRP sandwich lõi foam Divinycell H80 57 Bảng 3.7 Kết thử cắt vật liệu FRP sandwich với lõi Foam Divinycell H80 57 Bảng 3.8 Kết thử tỉ trọng lõi Foam Divinycell H80 .58 Bảng 3.9 Kết thử uốn vật liệu FRP sandwich (VIP) 58 Bảng 3.10 Kết thử uốn vật liệu FRP sandwich (đúc tiếp xúc) 58 Bảng 3.11: Hệ số k 59 Bảng 3.12: Hệ số 60 Bảng 3.13: Hệ số k3 69 Bảng 3.14: Giá trị hệ số c1 k3 .72 Bảng 4.1 Độ bền vật liệu 85 Bảng 4.2 Bảng so sánh giá trị độ bền FRP (VIP) với vật liệu đóng tàu .86 Bảng 4.3 Bảng giá trị lực uốn vật liệu 86 Bảng 4.4: Tổng hợp chi phí thi công sản phẩm theo vật liệu công nghệ khác 89 Bảng 4.5 Tổng hợp kết cấu thiết kế tính toán chƣơng 90 x Chọn chiều dày lớp đáy: đáy = mm Lớp vỏ bao đoạn mút: (theo 7.4) - Vỏ tàu có kết cấu lớp nên đoạn tàu chiều dày giảm dần 0.85 chiều dày lớp vỏ bao đoạn tàu: + Lớp mạn: Chọn = 7,09 mm = mm + Lớp đáy: Chọn = 7,47 mm = mm - Đoạn gia cƣờng mũi tàu dài 0.3L tính từ mũi tàu: CS L (theo 7.4.3) Trong đó: C đƣợc tra theo bảng 7.2 Do Thay số ta có: = 1.0 nên C = 5,36 9,85 mm Chọn: = 10 mm Lớp vỏ đáy: (theo 7.2.1) - Chiều rộng lớp vỏ đáy: b = 530+14,6L Trong đó: B = 6.024 m chiều rộng tàu Thay số ta có: b = 0,838 m Chọn bề rộng lớp vỏ đáy: b = 0,9 m - Chiều dày lớp vỏ đáy: Thay số ta có: Chọn: = k1(9 + 0.4L) = 17,44 mm = 18 mm Vì tàu thiết kế thuộc loại tàu cá đo để vỏ tàu có khả giữ nhiệt ngƣời thiết kế phải ốp thêm lớp foam cách nhiệt dày khoảng 100mm, sau phủ lớp FRP dày - 3mm lên bề mặt lớp foam cách nhiệt để đảm bảo nƣớc không thấm vào lớp cách nhiệt 3.5.2.2 Tính chiều dày vỏ tàu cá Gia Hội 24m theo kết cấu vỏ FRP sandwich Do tàu thiết kế tàu cá nên kết cấu đƣợc tính theo công thức tàu toàn phần nhƣ mục 3.4 Chiều dày FRP sandwich phải thỏa mãn: - Chiều dày FRP sandwich phải lớn chiều dày tối thiểu sandwich tính theo công thức 81 - Momen quán tính FRP sandwich W2 phải lớn momen quán tính lớp W1: W2 > W1 d Tấm vỏ đáy Tấm lớp: Với: t 0,0510 s kh , mm s = 400 mm k = 0,028: đƣợc nội suy theo bảng 4.11 với s = 400mm, S = 5900mm h = 3,05 m: khoảng cách tính m từ cạnh dƣới đến boong mạn Thay vào ta đƣợc: t = 9,0 mm Momen quán tính có chiều rộng b= 25mm: W1 = bt3/12 = 1510,5 mm4 Tấm FRP sandwich - Tổng chiều dày tối thiểu tấm: d Với: 0,0015 k hs / u , mm s = 400 mm k2 = 0,70 đƣợc nội suy theo bảng 4.15 h = 3,05 m: khoảng cách tính m từ cạnh dƣới đến boong mạn u = 0,023 kg/mm2 : độ bền cắt PU foam Thay vào ta đƣợc: t = 55,7 mm - Chiều dày tối thiểu lớp da tấm: + Chiều dày lớp da t1 = 0,74.0,35.k3.(C1 + 0,26.L) = 3,5 mm + Chiều dày lớp da t2 = 0,74.0,25.k3.(C1 + 0,26.L) = 2,5 mm Với: k3 = 1,2 C1 = 5,7 L = 21,09 m; Chọn chiều dày FRP sandwich: d = 58 mm > t = 9,3 mm với = 50 mm, t = 3,5 mm, Có W2 = 140408,4 mm4 > W1 = 1510,5 mm4 82 = mm e Tấm vỏ mạn t Tấm lớp : Với: 0,0510 s kh , mm s = 400mm k = 0,028 đƣợc nội suy theo bảng 4.11 với s = 500mm, S = 2750mm h = 2,75 m Thay vào ta đƣợc: t = 8,7 mm Momen quán tính có chiều rộng b= 25mm: W1 = bt3/12 = 1361,9 mm4 Tấm FRP sandwich - Tổng chiều dày tối thiểu tấm: d Với: 0,0015 k hs / u , mm s = 400 mm k2 = 0,70 đƣợc nội suy theo bảng 4.12 h = 2,75 m u = 0,023 kg/mm2 (theo chƣơng 4) Thay vào ta đƣợc: d = 50,2 mm - Chiều dày tối thiểu lớp da tấm: + Chiều dày lớp da t1 = 0,74.0,35.k3.(C1 + 0,26.L) = 2,9 mm + Chiều dày lớp da t2 = 0,74.0,25.k3.(C1 + 0,26.L) = 2,1 mm Với: k3 = 1,0 C1 = 5,7 L = 21,09 m Chọn chiều dày FRP sandwich: d = 57,5 mm > t =8,7 mm với = 50 mm; = mm ; mm, = 2,5 mm Có W2 = 124528,9 mm4 > W1 = 1361,9 mm4 Nhận xét: Với số liệu tính toán chiều dày vỏ tàu ta thấy việc tính toán chọn chiều dày lớp da FRP lớp lõi linh hoạt Việc lựa chọn cần đảm bảo chiều dày mô đun chống uốn mặt cắt ngang FRP sandwich lớn lớp FRP 83 Số liệu sau tính toán chiều dày vỏ vật liệu FRP sandwich theo quy trình đề xuất chênh lệch nhiều so với số liệu tính toán chiều dày vỏ vật liệu FRP theo QCVN 56: 2013/BGTVT Tuy nhiên, chiều dày tổng lớp da FRP vỏ FRP sandwich mỏng chiều dày vỏ lớp khác nhiều khối lƣợng vỏ tàu làm vật liệu FRP sandwich giảm đáng kể Hơn thế, tàu cá vỏ FRP sandwich có lớp lõi foam làm cho vỏ tàu có khả nhiệt tốt, với kết cấu vỏ lớp sau tính toán chiều dày vỏ thỏa mãn quy phạm, quy chuẩn để vỏ tàu có khả giữ nhiệt ngƣời thiết kế phải ốp thêm lớp cách nhiệt sau phủ lớp FRP lên bề mặt lớp cách nhiệt để đảm bảo nƣớc không thấm vào lớp cách nhiệt Chính thế, kết cấu vỏ tàu cá tính theo lớp đảm bảo khả giữ nhiệt hầm cá dƣ bền, khối lƣợng vỏ tăng, gây lãng phí Một yếu tố quan nữa, vỏ tàu làm vật liệu FRP sandwich khả liên kết lớp da lớp lõi cao đƣợc thi công công nghệ hút chân không độ bền đƣợc tăng lên, khả tách lớp lớp xảy hơn; kết cấu vỏ lớp đƣợc ốp thêm lớp cách nhiệt khả liên kết dễ gây tách lớp lớp FRP lớp cách nhiệt 84 Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG VẬT LIỆU FRP SANDWICH 4.1 Hiệu mặt độ bền Bảng 4.1 Độ bền vật liệu TT VẬT LIỆU Thép cấp A đóng tàu Nhôm 5083P Gỗ chò Composite (đánh tay) Composite (VIP) THỬ KÉO THỬ UỐN Ứng suất Modul đàn Ứng suất Modul đàn (Mpa) hồi (Mpa) (Mpa) hồi (Mpa) 460 205700 819,8 72583 306,6 70000 410,2 55057 103,4 9375,2 109,7 15521 193,0 7423,3 210,9 11950,5 272,0 12389,9 302,0 14357,5 Đồ thị 4.1: Ứng suất vật liệu Đồ thị 4.2: Mođun đàn hồi vật liệu 85 Qua đồ thị biểu diễn tính vật liệu dùng đóng tàu nay, ta thấy vật liệu FRP (VIP) – vật liệu dùng làm lớp da cho vật liệu FRP sandwich có tính tƣơng đối cao đáp ứng tốt kết cấu tàu vỏ FRP sandwich Cụ thể: Bảng 4.2 Bảng so sánh giá trị độ bền FRP (VIP) với vật liệu đóng tàu Ứng suất Modul đàn Ứng suất Modul đàn kéo hồi kéo uốn hồi uốn Thép cấp A 0,59 lần 0,06 lần 0,37 lần 0,2 lần Nhôm 5083P 0,89 lần 0,18 lần 0,74 lần 0,26 lần Gỗ chò 2,63 lần 1,32 lần 2,75 lần 0,93 lần FRP (đánh tay) 1,30 lần 1,04 lần 1,12 lần 1,16 lần 2,78 lần 1,81 lần 2,01 lần 2,09 lần FRP (VIP) Vật liệu FRP theo QCVN 56:2013/BGTVT Theo bảng 4.2, thấy vật liệu FRP (VIP) có độ bền cao gỗ chò dùng đóng tàu, phù hợp với yêu cầu QCVN 56:2013/BGTVT đề Bảng 4.3 Bảng giá trị lực uốn vật liệu Chiều dày Lực uốn lớn (mm) (N) FRP sandwich (VIP) 14,25 1870,8 FRP Sandwich (đánh tay) 15,23 1454 Vật liệu Theo bảng 4.3, cho thấy vật liệu sandwich theo công nghệ VIP có khả chịu lực uốn lớn gấp 1,28 lần vật liệu FRP sandwich tạo lớp tay với cấu tạo, số lớp khoảng cách hai gối (khoảng cách gối 40mm) Nhƣ vậy, ứng dụng công nghệ hút chân vào thi công chế tạo vật liệu sandwich có hiệu đáng kể mặt độ bền đồng thời phản ánh liên kết chặt chẽ vật liệu thành phần, công nghệ hút chân không công nghệ hoàn toàn phù hợp để ứng dụng công nghiệp đóng tàu composite nƣớc ta 86 4.2 Hiệu mặt kinh tế Để đánh giá hiệu mặt kinh tế sản phẩm ứng dụng vật liệu FRP sandwich vào đóng tàu, học viên tiến hành theo dõi, thi công sản phẩm cụ thể để từ so sánh với vật liệu khác (ở học viên so sánh với vật liệu FRP) Sản phẩm đƣợc lựa chọn để thi công ca nô 4,5m Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy thiết kế với thông số nhƣ sau: - Chiều dài lớn Lmax - Chiều rộng lớn Bmax = 1,800 m - Chiều cao mạn D = 0,680 m - Lƣợng chiếm nƣớc W = 0,736 Tấn - Tổng diện tích phần vỏ ca nô: S = 9,5m2 = 4,450 m Hình 4.1: Vỏ ca nô vật liệu FRP Hình 4.2: Vỏ ca nô vật liệu FRP sandwich 87 VL ÑN4 ÑN3 ÑN2 ÑN1 CDIII CDII CDI CDI CDII DN0 CDIII CDI CDIII CDII BGI ÑN4 ÑN3 CDIII BGII ÑN2 CDII BGIII ÑNI CDI ÑCB BGI CDIII CDII ÑN4 CDI ÑN2 ÑNI ÑCB Hình 4.3: Đƣờng hình ca nô 4,5 m 88 ÑN3 Bảng 4.4: Tổng hợp chi phí thi công sản phẩm theo vật liệu công nghệ khác S.LƢỢNG STT VẬT TƢ ĐƠN VỊ Hút chân không FRP A 10 11 B 12 13 14 15 16 17 18 VẬT TƢ CHÍNH Gen kg Nhựa đánh tay kg Nhựa HCK kg Vải 800 kg Vải 840 (HCK) kg Vải 600 (HCK) kg Mat 300 (HCK) kg Mat 300 kg Foam H80 kg Dung môi kg Đông rắn kg VẬT TƢ PHỤ Vải tách khuôn m2 Lƣới dẫn m2 Bình xịt keo bình Ống xoắn D12 m Ống liền D12 m Băng keo Cuộn Cục cấp keo Cục FRP sandwich FRP (hand lay up) ĐƠN GIÁ (1000đ) 6,8 20 17 0 8,2 0,7 0,15 6,8 18 3,2 3,2 5,6 0,15 41 17 0 8,2 0 0,15 120 50 80 30 50 50 50 35 500 35 72 10 10 30 30 2,5 10 10 30 30 2,5 0 0 0 15 10 310 15 120 50 89 THÀNH TIỀN (1000đ) Hút chân không FRP 3852,3 1080 340 1600 510 0 287 24,5 10,8 2070 150 100 620 150 450 300 300 FRP (hand FRP sandwich lay up) 6592,8 1080 340 1440 350 300 160 112 2800 10,8 2070 150 100 620 150 450 300 300 3937,8 1080 2050 510 0 287 0 10,8 0 0 0 0 GHI CHÚ Foam = 5.6 kg Tỉ lệ: 1kg nhựa/ 33cc Tỉ lệ: 1kg nhựa/ 6cc C 19 20 D 21 NGÀY CÔNG Công chuẩn bị Công (hút or đánh) Tổng A+B+C Khối lƣợng vỏ thành phẩm công 3 350 1225 1050 công 0,5 0,5 350 175 175 750 7147,3 9887,8 4687,8 kg 62 59 1225 1050 750 ngƣời/1.5h 75 Bảng 4.5 Tổng hợp kết cấu thiết kế tính toán chƣơng TÀU CA NÔ 4.5 m TÀU CÁ GIA HỘI Thành phần Lớp vỏ đáy Mạn Đáy TỔNG Lớp vỏ đáy Mạn Đáy Lớp giữ nhiệt (foam-FRP) TỔNG VẬT LIỆU FRP (theo QCVN56:2013/BGTVT) Chiều dày Diện tích Trọng lƣợng mm m2 kg 8,0 1,1 14,7 4,0 5,1 34,0 4,0 3,3 22,0 9,5 70,7 20 9 100-2,5 30,9 163,4 106,5 150,0 300,8 90 1030,3 2453,3 1599,0 1503,1 6585,6 FRP SANDWICH (FRP – Foam H80 – FRP) Chiều dày mm 2-16-1,5 2-8-1,5 2-16-1,5 Diện tích m2 1,1 5,1 3,3 9,5 Khối lƣợng kg 8,0 33,5 24,1 65,5 10-50-3 5-50-2,5 5-50-3 - 30,9 163,4 106,5 300,8 837,5 2784,6 2000,2 5622,4 Theo bảng 4.4, số liệu cho thấy vật liệu FRP sandwich với công nghệ hút chân không chi phí tăng gấp 1,38 lần (tăng 38%) so với vật liệu FRP hút chân không nhƣng khối lƣợng sản phẩm 0,95 lần (giảm 5%); so với vật liệu FRP thi công theo đúc tiếp xúc chi phí tăng gấp 2,1 lần (tăng 110%) khối lƣợng giảm đáng kể 0,78 lần (giảm 22%) Theo bảng 4.5, ta thấy thiết kế kết cấu theo quy trình đề xuất, tổng khối lƣợng kết cấu vỏ ca nô làm vật liệu FRP sandwich 0,92 lần (giảm 8%) so với kết cấu làm vật liệu FRP tổng khối lƣợng kết cấu vỏ tàu cá làm vật liệu FRP sandwich 0,85 lần (giảm 15%) so với kết cấu làm vật liệu FRP Ngoài ra, với vật liệu FRP sandwich có tác dụng giảm ồn cách nhiệt cho sản phẩm hiệu với vật liệu không thêm chí phí cho sản phẩm tàu đòi hỏi tiêu nhƣ vật liệu khác 4.3 Tính thẩm mỹ sản phẩm Với sản phẩm thi công thực tế ca nô 4,5m theo vật liệu FRP sandwich, vật liệu FRP thi công theo công nghệ hút chân không, vật liệu FRP thi công theo công nghệ đúc tiếp xúc ta thấy rằng: Với vật liệu FRP sandwich thi công theo công nghệ hút chân không bề mặt sản phẩm nhẵn mịn, không bị cong vênh biến dạng nhƣ vật liệu FRP Mặt khác, bề mặt bên sản phẩm sạch, tƣơng đối nhẵn chiều dày tƣơng đối nhƣ nhau, cắt mài nhiều làm cho tính thẩm mỹ đƣợc nâng cao mà không nhiều công sức đồng nghĩa làm giảm chi phí cho sản phẩm 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua nghiên cứu thử nghiệm tính vật liệu FRP, vật liệu lõi, kết hợp với số lý thuyết hút chân không tham khảo hƣớng dẫn tính toán tài liệu nƣớc nƣớc ngoài, luận văn giải đƣợc nội dung sau: - Đề xuất phƣơng pháp thi công sản phẩm FRP sandwich theo công nghệ hút chân không (VIP) góp phần vào việc ứng dụng công nghệ vào thi công tạo sản phẩm FRP FRP sandwich nƣớc ta - Luận văn đƣa thông số kỹ thuật vật liệu FRP vật liệu lõi theo công nghệ đúc tiếp xúc công nghệ hút chân không (VIP) tạo sở để tính toán kết cấu tàu vật liệu FRP sandwich - Đề xuất quy trình tính toán kết cấu tàu FRP sandwich Quy trình giúp nhà thiết kế tính toán kết cấu tàu vật liệu FRP sandwich cách linh hoạt dễ dàng Nhìn chung, kết nghiên cứu vật liệu FRP sandwich cho thấy vật liệu hoàn toàn khả thi để ứng dụng đóng tàu nƣớc ta Đặc biệt với tàu có tính thẩm mỹ cao, khối lƣợng giảm – đồng nghĩa với việc cải thiện tốc độ giảm chi phí nhiên liệu Muốn đảm bảo đƣợc tính nhƣ khả bám dính lớp vật liệu FRP sandwich đòi hỏi phải lựa chọn công nghệ thi công phù hợp Và công nghệ hút chân không (VIP) nhƣ giới thiệu chƣơng chƣơng giải pháp cho việc thi công vật liệu Kiến nghị -Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ hút chân không để áp dụng thi công vỏ tàu FRP sandwich cỡ lớn, phục vụ nhu cầu ngày nhiều loại sản phẩm này; -Sử dụng phần mềm mô dòng chảy chất lỏng sản phẩm trƣớc tiến hành chế tạo để đảm bảo việc thi công sản phẩm theo công nghệ hút chân không thuận tiện hiệu - Tiếp tục nghiên cứu tính toán kết cấu sandwich phƣơng pháp lý thuyết, làm sở xây dựng quy trình thiết kế kết cấu thân tàu vật liệu FRP sandwich, góp phần hoàn thiện Quy phạm tính toán loại vật liệu đặc thù 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO TCVN 6282:2003: Quy phạm kiểm tra chế tạo tàu làm chất dẻo cốt sợi thủy tinh QCVN 56:2013/BGTVT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia phân cấp đóng tàu làm chất dẻo cốt sợi thủy tinh American Bureau of Shipping, Rules for building and classing Reinforced plastic vessels 1978 Edired by R.A Shenoi and J.F Wellicome, Composite Materials in Maritime Structures Volume Edited by S.T Peters, Handbook of Composites, Published by Chapman & Hall, London ISBN 412 54020 7, 1998 Trần Ích Thịnh, Vật liệu composite – học tính toán kết cấu, NXB Giáo Dục, Hà Nội; 1994 Vinson, Jack R The Behavior of Sandwich Structures of Isotropic and Composite Materials USA: Technomic Publishing; 1999 ASM International Metals Park, Engineered Materials Handbook Vol Composites Ohio: ASM International Metals Park; 1987 9.http://www.diabgroup.com/en-GB/Products-and-services/Core-Material/ Divinycell-H 10 http://www.spheretex.com/en/produktdatenblatt6.html 11 Bertherlot, Composite material, Part I-Constituents and Architecture of Composite Materials 12 ASTM C365-03, Standard Test Method for Flatwise Composites Properties of Sandwich Cores 13 ASTM C273-00, Standard Test Method for Shear Properties of Sandwich Cores Materials 14 ASTM C393-00, Standard Test Method for Flexural Properties of Sandwich Constructions 15 Technical Services Quarterly, Volume 13, Issue 2, 1996 16 Understanding Vacuum, http://www.fram.nl/workshop/vacuum/ 17 https://www.google.com.vn/search 93 18 Steeves, C A., Fleck, N A Collapse Mechanisms of Sandwich Beams with Composite Faces and a Foam Core, Loaded in Three-point Bending Part II: Experimental Investigation and Numerical Modeling International Journal of Mechanical Sciences, 2004 19 Mitra, N A Methodology for Improving Shear Performance of Marine Grade Sandwich Composites: Sandwich Composite Panel with Shear Key Composite Structures, 2010 20 Isaac M Daniel, Jandro L Abot, Fabrication, testing and analysis of composite sandwich beams, 2000 94 PHỤ LỤC Phụ lục Nội dung Số trang Kết thử kéo vật liệu FRP 03 Kết thử uốn vật liệu FRP 03 Kết thử nén 03 Kết qủa thử cắt 04 Kết thử uốn vật liệu FRP sandwich 03 Kết qủa thử tỷ trọng vật liệu 02 95 [...]... đó nghiên cứu xây dựng quy trình thi công kết cấu FRP sandwich, chúng tôi đặt ra vấn đề nghiên cứu sử dụng vật liệu FRP sandwich trong kết cấu vỏ tàu composite Hi vọng kết quả của đề tài sẽ đƣợc ứng dụng trong thực tế, góp phần vào sự phát triển của ngành đóng tàu vỏ composite Việt Nam 2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phƣơng pháp gia công và xây dựng quy trình tính toán kết cấu thân tàu vỏ FRP sandwich. .. Nam vật liệu này vẫn chƣa đƣợc ứng dụng làm kết cấu vỏ tàu do công nghệ thi công và quy trình tính toán kết cấu bằng vật liệu FRP sandwich chƣa hợp lý Vì vậy việc nghiên cứu sử dụng vật liệu FRP sandwich trong đóng tàu vỏ composite, nhằm nâng cao chất lƣợng vỏ tàu, tăng tốc độ, giảm rung, giảm ồn, bảo quản sản phẩm cũng nhƣ tính kinh tế và thẩm mỹ là cần thiết Để ứng dụng vật liệu này, luận văn đã nghiên. .. vật liệu FRP sandwich - Nghiên cứu xây dựng quy trình thi công vật liệu FRP sandwich 3 4 Đối tƣợng nghiên cứu Vật liệu FRP sandwich sử dụng trong kết cấu vỏ tàu composite 5 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu vật liệu FRP sandwich với thành phần: + Pha nền là nhựa polyester không no, pha cốt là sợi thủy tinh dạng woven rowing và matting + Vật liệu làm lõi là foam - Nghiên cứu các quy phạm của Mỹ và Việt... 1.2 Vật liệu sandwich [17] (a) - Vật liệu sandwich lõi gỗ balsa; (b) – Vật liệu sandwich lõi tổ ong; (c) – Vật liệu sandwich lõi dạng sóng 6 Trong vật liệu sandwich, nếu lớp da giống hệt nhau cả về chiều dày và đặc trƣng vật liệu, dạng vật liệu này là gọi là vật liệu sandwich đối xứng Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp cụ thể các lớp da trong và da ngoài có thể khác nhau cả về chiều dày và đặc trƣng vật. .. này, luận văn đã nghiên cứu cơ học vật liệu sandwich, nghiên cứu các quy phạm hiện hành, chế tạo các mẫu thử nghiệm xác định các đặc tính kỹ thuật của vật liệu, đồng thời đề xuất quy trình thi công vật liệu FRP sandwich và quy trình tính toán kết cấu vỏ đối với vật liệu này Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, vật liệu FRP sandwich hoàn toàn phù hợp để ứng dụng trong kết cấu vỏ tàu composite ở Việt Nam Với... nghiên cứu - Tổng quan về vật liệu FRP sandwich - Tìm hiểu cơ học kết cấu vật liệu kiểu sandwich - Chế tạo, kiểm nghiệm cơ tính một số kết cấu vật liệu kiểu sandwich - Tìm hiểu một số Quy phạm hiện hành về thiết kế kết cấu thân tàu vỏ FRP sandwich - Đề xuất quy trình tính toán kết cấu thân tàu vỏ kiểu FRP sandwich trong điều kiện Việt Nam - Nghiên cứu phƣơng pháp gia công vật liệu FRP sandwich - Nghiên. .. cấu tàu vỏ sandwich phù hợp với điều kiện Việt Nam 6 Phƣơng pháp nghiên cứu 6.1 Nghiên cứu lý thuyết - Tìm hiểu cơ học vật liệu kiểu sandwich - Nghiên cứu sử dụng các phần mềm chuyên dùng trong các bài toán kỹ thuật nhƣ: Ansys, Abaqus hoặc Maestro - Nghiên cứu một số quy phạm hiện hành về tính kết cấu thân tàu FRP sandwich 6.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Chế tạo và thử nghiệm cơ tính một số tổ hợp vật liệu. .. cũng đƣợc thiết kế bằng vật liệu sandwich để chống lại các sóng áp lực Hơn nữa, vật liệu sandwich còn đƣợc sử dụng trong xe buýt, thuyền buồm, thuyền đua, xe đua, ván trƣợt tuyết, ván trƣợt nƣớc và canô mang lại hiệu quả rất cao về thẩm mỹ, chất lƣợng và kinh tế…[7] 1.2 Vật liệu FRP sandwich Vật liệu FRP sandwich là vật liệu sandwich trong đó lớp da đƣợc làm bằng vật liệu FRP Vật liệu này có trọng lƣợng... vật liệu composite, vật liệu FRP sandwich … Trên thế giới vật liệu FRP sandwich đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không, kỹ thuật xây dựng, các dụng cụ thể thao, tàu thủy do tính hiệu quả không những về mặt độ bền mà cả về mặt kinh tế, thẩm mỹ Vật liệu FRP sandwich gồm hai lớp vật liệu FRP (lớp da) và lớp vật liệu lõi ở giữa liên kết bền chặt với nhau Sự kết hợp của các lớp vật liệu. .. vì vậy mà vật liệu composite là vật liệu thành phần đƣợc lựa chọn để tạo ra vật liệu FRP sandwich dùng trong đóng tàu và một số lĩnh vực khác 1.2.1.1.Nhựa Polymer Nhựa Polymer đƣợc sử dụng để sản xuất vỏ tàu là nhựa nhiệt cứng chủ yếu là nhựa polyestes không no Nhựa polyestes này chiếm khoảng 40-60% trọng lƣợng của vật liệu composite Có hai loại polyester chính thƣờng sử dụng trong công nghệ composite: