Nghiên cứu ổn định của tấm composite ba pha dùng trong chế tạo kết cấu tàu thủy (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM VĂN THU NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TẤM COMPOSITE BA PHA DÙNG TRONG CHẾ TẠO KẾT CẤU TÀU THỦY TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HỊA –2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM VĂN THU NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA TẤM COMPOSITE BA PHA DÙNG TRONG CHẾ TẠO KẾT CẤU TÀU THỦY Ngành đào tạo: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN ĐÌNH ĐỨC TS NGUYỄN VĂN ĐẠT KHÁNH HỊA –2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Đình Đức TS Nguyễn Văn Đạt Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá Luận án cấp Trường họp Trường Đại học Nha Trang vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu Luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Nha Trang MỞ ĐẦU Lý thực đề tài Trong thực tế đóng tàu vật liệu composite, để chống thấm, tăng độ cứng bề mặt, chống tượng xâm thực vỏ tàu làm vật liệu khó cháy hơn, sở đóng tàu nước bổ sung vào polyme hạt TiO2 phụ gia chống cháy Firegard B Như tổ hợp vật liệu composite ba pha: polyme (nhựa), sợi hạt Tuy nhiên dừng lại dạng thử nghiệm chưa có cơng trình nghiên cứu chúng Hiện nay, sở đóng tàu nước có nhu cầu nghiên cứu chế tạo tàu cánh ngầm vật liệu composite Cánh nâng phận có kết cấu từ chịu tải trọng lớn phức tạp Việc ổn định chúng dẫn đến suy giảm lực nâng, làm mờ vai trị chủ yếu cánh (mất ổn định toàn tàu) Vì đề tài "Nghiên cứu ổn định composite ba pha dùng chế tạo kết cấu tàu thủy" luận án vấn đề cấp thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu - Xác định ổn định tĩnh composite ba pha tác động tải học - Xác định ổn định động panel composite ba pha chịu tác dụng tải thủy động Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tấm panel composite ba pha (nền polyme sở sợi thủy tinh với hạt TiO2) theo thứ tự vỏ kết cấu tàu lớp vỏ cánh nâng tàu cánh ngầm Phạm vi nghiên cứu ổn định tĩnh (của trực hướng ba pha ba trường hợp: nén đồng thời theo hai phương; nén theo phương tải cắt) động Phương pháp nghiên cứu - Luận án sử dụng lý thuyết mỏng, phương pháp Bubnov-Galerkin RungeKutta để thiết lập giải phương trình với nghiệm giải tích Các kết tính so sánh với kết thu tác giả khác với phần mềm Ansys sử dụng phổ biến để kiểm tra độ xác luận án - Chế tạo mẫu, làm thực nghiệm xác định hệ số vật liệu composite ba pha phịng thí nghiệm Viện NCCT Tàu Thủy theo quy định hành Đăng kiểm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các công thức biểu diễn tường minh qua tham số tính chất vật liệu hình học tấm, từ thay đổi tham số để lựa chọn hợp lý, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Kết nghiên cứu cung cấp sở khoa học ứng xử vật liệu composite ba pha phương trình nghiên cứu ổn định ba pha tốn có ý nghĩa thực tiễn thường gặp cơng nghiệp đóng tàu Cấu trúc luận án Luận án gồm: mở đầu, bốn chương, kết luận kiến nghị, danh mục cơng trình nghiên cứu tác giả liên quan đến nội dung luận án, tài liệu tham khảo, phụ lục CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Trình bày kết nghiên cứu nước giới composite ba pha, ổn định tĩnh động composite Từ cơng trình cơng bố, u cầu từ thực tiễn hướng mở đề cập, NCS tập trung nghiên cứu: - Xác định mô đun đàn hồi composite ba pha phụ thuộc vào tham số tỷ lệ vật liệu thành phần - Nghiên cứu ổn định tĩnh (vách, boong tàu ) composite lớp trực hướng ba pha chịu tải nén đồng thời theo hai phương; chịu nén theo phương chịu tải cắt (gọi tắt tải học) - Nghiên cứu ổn định động panel composite ba pha lớp vỏ cánh nâng tàu cánh ngầm CHƯƠNG II: XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI COMPOSITE BA PHA Có hai phương pháp xác định mơ đun đàn hồi vật liệu là: thực nghiệm giải tích Ưu điểm thực nghiệm xác định xác mô đun đàn hồi cho composite, nhiên với composite ba pha vật liệu nhiều thành phần nên thực nghiệm không phản ảnh ảnh hưởng pha vật liệu thành phần lên tính chất học composite 2.1 Xác định hệ số đàn hồi cho composite ba pha 2.1.1 Mơ hình vật liệu composite ba pha cốt sợi hạt gia cường Giả thiết lớp composite ba pha cốt sợi đồng phương, mơ hình composite polyme ba pha hình 2.1 Vấn đề đặt vật liệu composite ba pha làm để tính hệ số đàn hồi vật liệu, đồng thời phải thể qua tham số học - vật lý phân bố hình học vật liệu thành phần Hình 2.1 Mơ hình composite polyme ba pha có sợi hạt gia cường 2.1.2 Mơ hình tính tốn xác định hệ số đàn hồi vật liệu composite ba pha Composite ba pha đề xuất nghiên cứu giải quyết, vấn đề khoa học đặt theo phương pháp [13,97], tức giải bước theo mơ hình hai pha quan điểm mô tả công thức: 1Dm = Om +1D (2.1) Bước thứ nhất: xem xét composite hai pha gồm: pha ban đầu hạt độn, composite xem đồng nhất, đẳng hướng có hệ số đàn hồi Các hệ số đàn hồi composite Om lúc gọi composite giả định Bước thứ hai: xác định hệ số đàn hồi composite giả định sợi gia cường 2.1.3 Xác định hệ số đàn hồi vật liệu Giả thiết thành phần composite (nền, sợi, hạt) đồng nhất, đẳng hướng, ký hiệu Em, Gm, m, ψm; Ea, Ga, a, ψa; Ec, Gc, c, ψc tương ứng mô đun đàn hồi, hệ số poisson tỉ lệ thành phần (theo thể tích) nền, sợi hạt Theo [120], nhận mô đun đàn hồi composite giả định sau: −  c (7 − 5 m )H G = Gm +  c (8 − 10 m )H + 4 cGm L(3K m ) K = Km −1 − 4 cGm L(3K m ) K − Km Gm / Gc − Với: L = c ; H= 4Gm G Kc + − 10 m + (7 − 5 m ) m Gc 𝐺𝑖 = E= 𝐸𝑖 2(1+𝜈𝑖 ) −1 (2.2-2.3) (2.4) với 𝑖 = 𝑚, 𝑎, 𝑐 E , tính từ K , G sau: 9K G 3K + G = 3K − 2G K − 2G (2.5) 𝐺, 𝐾 : Mô đun đàn hồi trượt mô đun khối giả định Mô đun đàn hồi composite ba pha cốt sợi đồng phương chọn xác định theo công thức G.S Vanin [119] với hệ số độc lập sau: E11 =  a Ea + (1 −  a )E + ( 8G a (1 −  a )  a −  ) −  a +  a + (1 −  a )( a − 1) G Ga   G G  (1 −  a ) + +  a    2(1 −  a )  − + ( a − 1)  − + 2 a Ga Ga   E 22 =  21 + +2 G  E11 8G  −  +  + (1 −  )( − 1) G  +  a + (1 −  a )  a a a a  Ga Ga   G G +  a + (1 −  a )  +  a + (1 −  a ) Ga Ga G12 = G ; G23 = G ; G G (1 −  a ) + +  a −  a + (1 +  a ) Ga Ga ( ) ( ) ( ( ) ( )        −1 ) ( ) ( )  (1 − a ) + + a  G 2(1 − a )  − + ( a − 1)  − + 2 a G   E  E Ga Ga   23 = − + 22 2 − G G E11 8G   − a +  a + (1 − a )( a − 1)   + a + (1 − a ) G  Ga a    +  − a  a  21 =  − G −  a +  a + (1 −  a )( a − 1) (2.6) Ga 22 21 ( )( ) Với  = − 4 ;  a = − 4 a ;𝜈12 = 2.2 Tính tốn số thực nghiệm 2.2.1 Tính tốn số 𝐸11 𝜈 𝐸22 21 Xem xét ảnh hưởng sợi hạt tới tính chất lý composite ba pha theo thuật toán nêu trên, xét vật liệu composite ba pha có đặc trưng bảng 2.1: Bảng 2.1: Thông số vật liệu thành phần composite Nền polyester AKA (Việt Nam) Em = 1.43 νm=0.345 Cốt sợi thuỷ tinh (Hàn Quốc) Ea = 22.0 νa=0.24 Hạt TiO2 (Australia) Ec = 5.58 νc=0.20 Thay giá trị bảng 2.1 vào công thức (2.2) ÷ (2.6) xác định hệ số đàn hồi composite ba pha biểu diễn hình 2.2 ÷ 2.4 E11, E22 (GPa) Quan hệ E11 với ψa (ψc=0.2) Quan hệ E22 với ψa (ψc=0.2) ψa (%) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 1.2 G12, G23 (GPa) Quan hệ G12 với ψa (ψc=0.2) 0.8 Quan hệ G23 với ψa (ψc=0.2) 0.6 0.4 0.2 ψa (%) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Hình 2.3 Đồ thị quan hệ G12, G23 -ψa Hình 2.2 Đồ thị quan hệ E11, E22 - ψa 2.2.2 Thực nghiệm Mục tiêu làm thực nghiệm để ν21, 0.45 ν23 0.4 0.35 Quan hệ ν21 với ψa (ψc=0.2) 0.3 0.25 0.2 0.15 Quan hệ ν23 với ψa (ψc=0.2) 0.1 0.05 ψa (%) 0.1 0.2 0.3 0.4 kiểm chứng kết lý thuyết vừa tìm Vật liệu thành phần chế tạo mẫu bảng 2.1 Quy cách chế tạo mẫu theo tổ hợp: 1) 20% TiO2+15% Sợi; 2) 20% TiO2+20% Sợi; 3) 20% TiO2+25% Sợi; 4) 20% TiO2+30% Sợi Mẫu kéo gia công theo tiêu chuẩn BS EN ISO 527-4: 1997 với Hình 2.4 Đồ thị quan hệ ν21, ν23 với ψa bxh=10x3÷4mm hình 2.5 Thiết bị thử HOUNSFEILD H50K-S Anh, tải tối đa 50000N, độ xác lực độ dãn dài theo thứ tự ±0.5% ±0.05% thể hình 2.6 Hình 2.5 Chuẩn bị mẫu thử Hình 2.6 Hounsfeild H50K-S Kết tính tốn lý thuyết theo công thức (2.2)- (2.6) so sánh với thực nghiệm [18] trình bày bảng 2.3 Bảng 2.3: Kết so sánh lý thuyết thực nghiệm có mặt 20% TiO2 Kết (MPa) E11 E22 Thực nghiệm 5064.9 2680.3 20%TiO2 + 15%W800 Lý thuyết 4791.1 2553.2 + 65% nhựa AKA Sai số 5.71% 4.98% Thực nghiệm 5620.1 2951.7 20%TiO2 + 20%W800 Lý thuyết 5785.9 2728.2 + 60% nhựa AKA Sai số 2.87% 8.19% Thực nghiệm 6570.2 3106.1 20%TiO2 + 25%W800 Lý thuyết 6782.9 2905.4 + 55% nhựa AKA Sai số 3.14% 6.91% Thực nghiệm 6258.4 2663.4 20%TiO2 + 30%W800 Lý thuyết 7782.2 3088.4 + 50% nhựa AKA Sai số 19.58% 13.76% Ngồi ra, cịn có kết lý thuyết thực nghiệm với vật liệu nhựa 9509 sau: Bảng 2.4: Thông số vật liệu thành phần composite Composite ba pha Nền polyester 9509 (Malaysia) Em = 1.50 νm=0.34 Cốt sợi thuỷ tinh E (Trung Quốc) Ea = 25.0 νa=0.24 Hạt TiO2 (Australia) Ec = 5.58 νc=0.20 Bảng 2.5: Kết so sánh lý thuyết thực nghiệm có mặt 5% TiO2 Kết (MPa) E11 E22 Thực nghiệm 7905.6 2497.2 5%TiO2 + 25%W800 + Lý thuyết 7367.5 2629.0 70% nhựa 9509 Sai số 7.30% 5.01% Thực nghiệm 9104.7 2695.4 5%TiO2 + 30%W800 + Lý thuyết 8529.0 2805.7 65% nhựa 9509 Sai số 6.75% 3.93% Thực nghiệm 11389.2 3353.0 5%TiO2 + 40%W800 + Lý thuyết 10858.1 3190.3 55% nhựa 9509 Sai số 4.89% 5.10% Bảng 2.3 2.5 cho thấy: - Trong thực tế thi công vật liệu composite, tỉ lệ tốt cốt vào khoảng 45%÷55%, kết hợp kết nghiên cứu cho thấy có phù hợp Composite ba pha tốt kết tính theo lý thuyết với thực nghiệm - Ảnh hưởng sợi đến tính vật liệu tốt so với hạt TiO2 Qua kết thu cho phép tự tin sử dụng cơng thức tính hệ số đàn hồi vật liệu thuật toán đề cập 2.3 Kết luận chương Xác định mô đun đàn hồi cho composite ba pha, phụ thuộc vào tham số tỷ lệ vật liệu thành phần Ưu điểm phương pháp tính, dự báo trước giá trị mô đun đàn hồi, sở tính thiết kế tối ưu hóa vật liệu CHƯƠNG III: ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA TẤM COMPOSITE BA PHA DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI CƠ HỌC Trong thực tế đóng tàu vật liệu composite, bổ sung vào polyme hạt phụ gia chống cháy, hạt TiO2 để tăng độ cứng bề mặt chống tượng xâm thực vỏ tàu tính thay đổi [18] Như vậy, tính thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến khả chịu tải ổn định kết cấu Trong phần trình bày lời giải ổn định tĩnh composite ba pha tác động tải học xét cho trường hợp cụ thể pha thứ ba hạt TiO2 phương pháp tổng quát thay pha chất độn khác 3.1 Phân loại ổn định tiêu chuẩn ổn định 3.1.1 Phân loại ổn định - Mất ổn định loại I trường hợp tải tới hạn đạt điểm rẽ nhánh - Mất ổn định loại II trường hợp tải tới hạn đạt điểm cực trị đường cong độ võng – tải trọng 3.1.2 Các tiêu chuẩn ổn định Để nghiên cứu ổn định tĩnh hệ đàn hồi, tiêu chuẩn sử dụng: tiêu chuẩn chuyển động, tiêu chuẩn tĩnh, tiêu chuẩn lượng Luận án sử dụng tiêu chuẩn tĩnh toán nghiên cứu ổn định tĩnh 3.2 Phương trình ổn định tĩnh Từ tài liệu [20, 25, 26, 70, 71] sổ tay thiết kế [49], hướng ứng dụng rộng rãi thực tế, bên cạnh hầu hết vật liệu composite dùng đóng tàu Việt Nam có cấu hình trực hướng, NCS lựa chọn trực hướng để làm sở xây dựng phương trình ổn định tĩnh cho composite ba pha Phương trình ổn định trực hướng là: 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 𝐷11 + 2(𝐷12 + 2𝐷66 ) 2 + 𝐷22 ∂x 𝜕𝑥 𝜕𝑦 ∂y (3.23) 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 = 𝑁𝑥 + 2𝑁𝑥𝑦 + 𝑁𝑦 +𝑞 𝜕𝑥 𝜕𝑥𝜕𝑦 𝜕𝑦 3.2.1 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén đồng thời theo hai phương Theo (3.23) phương trình chủ đạo ổn định trực hướng tựa lề bốn cạnh chịu nén với lực Nx= -N0 Ny= -βN0, khơng có tải trọng ngang là: 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤0 𝜕 𝑤𝑜 𝜕 𝑤𝑜 𝐷11 + 2(𝐷12 + 2𝐷66 ) 2 + 𝐷22 = −𝑁0 − 𝛽𝑁0 ∂x 𝜕𝑥 𝜕𝑦 ∂y 𝜕𝑥 𝜕𝑦 (3.24) Điều kiện biên:- Khi x = x = a: 𝑤0 = ; 𝑀𝑥 = −𝐷11 𝜕2 𝑤0 - Khi y = y = b: w0 = ; My = −D12 Thế hàm 𝑤0 (𝑥, 𝑦) = 𝐴𝑚𝑛 sin 𝑚𝜋𝑥 𝑎 sin 𝑛𝜋𝑦 𝑏 𝜕𝑥 − 𝐷12 ∂2 w0 ∂x2 𝜕2 𝑤0 =0 𝜕𝑦 − D22 ∂2 w0 ∂y2 =0 vào (3.24) cho ta nghiệm N0 phụ thuộc vào ψa, ψc, a/b e, tương ứng tỉ lệ thể tích sợi, hạt kích thước hình học tấm: 𝑁0 = 𝑁(𝜓𝑎 ,𝜓𝑐,𝑎/𝑏,𝑒) = 𝜋 [(𝑃1 + 1)𝑃2 𝑚4 + (𝜈21 𝑃2 + 𝑒3 𝐺 ) 𝑚2 𝑛2 𝑅 12 𝑎2 (𝑚2 + 𝛽𝑛2 𝑅2 ) Trong đó: 𝑃1 = (𝑅𝑄 − 1)𝛼 = ( 𝐸22 𝐸11 − 1) 𝛼 𝑃2 = +( 𝑒3 𝐸22 𝐸11 − 𝑃1 ) 𝑃2 𝑛4 𝑅4 ] 𝐸11 𝑅 12 1−𝜈12 𝑄 = 𝑒3 (3.27) 𝐸11 𝐸22 12 1−𝜈12 𝐸11 Phương trình (3.27) phương trình với biến: ψa, ψc, a/b e dùng để nghiên cứu ổn định trực hướng ba pha chịu nén đồng thời theo hai phương Lực tới hạn tương ứng với giá trị m n làm cho N0 nhỏ Với m = n = biểu thức (3.27) trở thành: 𝑁𝑡ℎ (1,1) = 𝜋 [(𝑃1 + 1)𝑃2 + (𝜈21 𝑃2 + 𝑒3 𝐺12 ) 𝑅2 + ( 𝐸22 𝐸11 − 𝑃1 ) 𝑃2 𝑅4 ] (3.28) 𝑎2 (1 + 𝛽𝑅2 ) 3.2.2 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén theo phương Xét chữ nhật tựa lề bốn cạnh (điều kiện biên mục 3.2.1) chịu nén theo phương x, β=0 (3.27) trở thành: 𝑁0 = 𝑁(𝜓𝑎 ,𝜓𝑐,𝑎/𝑏,𝑒) = 𝜋 [(𝑃1 + 1)𝑃2 𝑚4 + (𝜈21 𝑃2 + 𝑒3 𝐺12 ) 𝑚2 𝑛2 𝑅2 + ( 𝐸22 𝐸11 − 𝑃1 ) 𝑃2 𝑛4 𝑅4 ] (3.29) 𝑚2 𝑎2 Phương trình (3.29) phương trình với biến: ψa, ψc, a/b e dùng để nghiên cứu ổn định trực hướng ba pha chịu nén theo phương 1/4 Giá trị bé N0 ứng với n = xảy 𝑅 = [𝑚(𝑚 + 1)] 1/2 𝑃1 +1 (𝐸22 𝐸11 −𝑃1 ) là: 𝑁𝑡ℎ (𝑚, 1) 𝑒3 𝐸 𝜋 [(𝑃1 + 1)𝑃2 𝑚4 + (𝜈21 𝑃2 + 𝐺12 ) 𝑚2 𝑅2 + ( 22 − 𝑃1 ) 𝑃2 𝑅4 ] (3.30) 𝐸11 = 𝑚2 𝑎2 3.2.3 Ổn định trực hướng ba pha chịu cắt Xét composite trực hướng, kích thước = a x b, ngàm bốn cạnh, chịu tải cắt Nxy Điều kiện biên:- Khi x = x = a: 𝑤0 = ; - Khi y = y = b: 𝑤0 = ; 𝜕𝑤0 𝜕𝑥 𝜕𝑤0 𝜕𝑦 =0 =0 Kết hợp [119, 120], [27] [56, 114] ta thu Sth tải ổn định tới hạn composite polyme ba pha phụ thuộc vào ψa, ψc, a/b e sau: 𝑘𝑠 𝜋 √(𝑃1 + 1)𝑃2 [( 𝑆𝑡ℎ = 𝑁(𝜓 𝑎 𝑏 𝑎 ,𝜓𝑐 , ,𝑒) = 𝐸22 𝐸11 − 𝑃1 ) 𝑃2 ] (3.33) 𝑏2 Trong đó: Thơng số ổn định ks xác định từ [68] 𝐸 𝜃(𝜓𝑎 ,𝜓𝑐,𝑒) = √(𝑃1 +1)𝑃2 (𝐸22 −𝑃1 )𝑃2 11 𝑒3 𝜈21 𝑃2+ 𝐺12 ; 𝐵(𝜓 𝑎 𝑏 𝑏4 𝑎 ,𝜓𝑐 , ,𝑒) (𝑃 +1)𝑃 = √ 𝐸221 𝑎 ( −𝑃1 )𝑃2 𝐸11 Phương trình (3.33) dùng để nghiên cứu ổn định trực hướng ba pha chịu cắt 3.3 Khảo sát ổn định composite ba pha tác động tải học Khảo sát composite ba pha có kích thước axb, xếp lớp 7(90/0)≡[90/0/90/0/90/0/90] 7(0/90)≡[0/90/0/90/0/90/0], cấu tạo từ: Nền AKA : Em = 1.43 GPa ;  m = 0.345 Cốt sợi thuỷ tinh : Ea = 22.0 GPa ;  a = 0.24 Hạt TiO2 : Ec = 5.58 GPa ;  c = 0.20 (3.34) 3.3.1 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén đồng thời theo hai phương Thay giá trị (3.34) vào cơng thức (3.28) có kết minh hoạ hình sau: 3.3.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi, hạt lên lực tới hạn chịu nén hai phương: - Khi tỉ lệ sợi hạt tăng khả chịu nén theo hai phương tăng Tấm trực hướng có tỉ lệ 25% sợi + 20% hạt có khả ổn định tốt 12% so với trực hướng có tỉ lệ 20% sợi + 25% hạt ψa=0.2, β=1, b=0.4, R=2 ,m=n=1 ψc=0.2, β=1, b=0.4, R=2 ,m=n=1 1650 2500 1600 2000 Nth (N/m) Nth (N/m) 1550 1500 1000 1500 1450 500 1400 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 1350 0.5 ψa(%) Hình 3.4.Ảnh hưởng tỉ lệ sợi lên lực tới hạn chịu nén đồng thời hai phương 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ψc(%) Hình 3.5 Ảnh hưởng tỉ lệ hạt lên lực tới hạn chịu nén đồng thời hai phương - Trình tự xếp lớp ảnh hưởng đến ổn định tấm, hai giá trị chênh lệch từ 5÷8% (tấm 7(90/0) chịu lực tốt 7(0/90)) 3.3.1.2 Ảnh hưởng hệ số R=a/b, e lên lực tới hạn chịu nén hai phương - Tấm trực hướng có tỉ lệ hình học tăng lần thay 5% sợi 5% hạt (khi tỷ lệ sợi 20%), khả chịu lực tới hạn giảm 44% Cho thấy 20% sợi chưa phải tỷ lệ hợp lý (phải lớn 20%) composite việc chịu lực - Tấm trực hướng có tỉ lệ 40% sợi + 20% hạt, chiều dày thay đổi từ 2.5÷5.5mm thay 5% sợi 5% hạt ổn định giảm 11 ÷ 12% ψc=0.2, ψa=0.4, β=1, b=0.4,m=n=1 ψc =0.2, ψa=0.4, β=1, b=0.4, R=2, m=n=1 4000 10000 3500 9000 [Tấm lớp (90/0)÷11(90/0) [Tấm lớp (0/90)÷11(0/90) 8000 3000 Nth (N/m) Nth (N/m) 7000 2500 2000 1500 6000 5000 4000 3000 1000 2000 500 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 0 1000 R=a/b 10 Hình 3.6.Ảnh hưởng hệ số R=a/b lên lực tới hạn chịu nén đồng thời hai phương 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 e(m) 0.006 Hình 3.7 Ảnh hưởng chiều dày e lên lực tới hạn chịu nén đồng thời hai phương 3.3.2 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén theo phương Thay giá trị (3.34) vào công thức (3.30) có kết minh hoạ hình sau: 3.3.2.1.Ảnh hưởng tỉ lệ sợi, hạt lên lực tới hạn chịu nén phương - Khi tỉ lệ sợi hạt tăng khả chịu nén theo phương tăng, ảnh hưởng sợi lên ổn định tốt hạt - Tấm trực hướng có tỉ lệ 25% sợi + 20% hạt có khả ổn định tốt 13% so với trực hướng có tỉ lệ 20% sợi + 25% hạt chịu nén theo phương ψc=0.2, β=0, b=0.4, m=n=1 10000 5900 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 9000 5850 8000 5800 7000 5750 6000 5700 Nth (N/m) Nth (N/m) ψa=0.2, β=0, b=0.4, m=n=1 5000 4000 5650 5600 3000 5550 2000 5500 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 5450 1000 ψa(%) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 5400 0.5 Hình 3.8.Ảnh hưởng tỉ lệ sợi lên lực tới hạn chịu nén theo phương 0.1 0.2 0.3 0.4 ψc(%) 0.5 Hình 3.9 Ảnh hưởng tỉ lệ hạt lên lực tới hạn chịu nén theo phương 3.3.2.2.Ảnh hưởng R=a/b, e lên lực tới hạn chịu nén phương - Tấm trực hướng có tỉ lệ hình học tăng 2.5 lần (R=2.5), khả ổn định giảm 10% chịu nén theo phương - Khi chiều dày thay đổi từ 2.5÷5.5mm, thay 5% sợi 5% hạt (khi tỷ lệ sợi 20%) ổn định giảm ÷ 12% Như vậy, tỉ lệ hình học có vai trị quan trọng việc chịu lực đảm bảo tính ổn định chịu nén theo phương ψc=0.2, ψa=0.4, β=0, b=0.4,m=1÷5,n=1 ψc=0.2, ψa=0.4, β=0, b=0.4,m=n=1 35000 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 8600 30000 8400 25000 Nth (N/m) Nth (N/m) 8800 8200 8000 [Tấm lớp (90/0)÷11(90/0) [Tấm lớp (0/90)÷11(0/90) 20000 15000 10000 7800 5000 7600 R=a/b 7400 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 e(m) 0.006 Hình 3.10.Ảnh hưởng hệ số R=a/b lên lực tới hạn chịu nén theo phương Hình 3.11.Ảnh hưởng chiều dày e lên lực tới hạn chịu nén theo phương 3.3.3 Ổn định trực hướng ba pha chịu cắt Thay giá trị (3.34) vào công thức (3.33) có kết minh hoạ hình sau: 3.3.3.1 Ảnh hưởng tỉ lệ sợi, hạt lên lực tới hạn chịu tải cắt - Tấm trực hướng có tỉ lệ 25% sợi + 20% hạt có khả ổn định tốt 12.6% so với trực hướng có tỉ lệ 20% sợi + 25% hạt chịu tải cắt Như vậy, tỉ lệ sợi có vai trò quan trọng việc chịu lực đảm bảo tính ổn định chịu cắt - Khả chịu cắt có thành phần (ψa=0.4, ψc=0.2) gấp (1.48÷1.51) lần khả chịu cắt có thành phần (ψa=0.2, ψc=0.4) ψc=0.2, a=0.8, b=0.4 ψa=0.2, a=0.8, b=0.4 16,000 25,000 14,000 20,000 Nxy(cr) (N/m) Nxy(cr) (N/m) 12,000 15,000 10,000 10,000 8,000 6,000 4,000 5,000 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 2,000 ψa(%) [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 ψc (%) 0.5 Hình 3.12.Ảnh hưởng tỉ lệ sợi lên lực tới hạn Hình 3.13.Ảnh hưởng tỉ lệ hạt lên lực tới hạn chịu tải cắt chịu tải cắt 3.3.3.2.Ảnh hưởng hệ số R=a/b, e lên lực tới hạn chịu tải cắt - Khi hệ số R tăng lực tới hạn chịu tải cắt giảm, đầu giảm nhanh sau giảm chậm dần R tăng từ 1.25÷2.5 lần Sth giảm 0.77 lần - Tấm trực hướng có tỉ lệ hình học tăng lần thay 5% sợi 5% hạt (khi tỷ lệ sợi 20%) khả ổn định giảm 37% 10 ψc=0.2, ψa=0.4, a=0.8, b=0.4 ψc=0.2, ψa=0.4, b=0.4 30,000 90000 [Tấm lớp (90/0)÷11(90/0) [Tấm lớp (0/90)÷11(0/90) 80000 25,000 Nxy(cr) (N/m) Nxy(cr) (N/m) 70000 20,000 15,000 10,000 60000 50000 40000 30000 20000 5,000 [Tấm lớp (90/0) [Tấm lớp (0/90) 0 10000 R=a/b Hình 3.14 Ảnh hưởng hệ số R=a/b lên lực 0.002 0.004 e(m) 0.006 Hình 3.15.Ảnh hưởng chiều dày e lên lực tới hạn chịu tải cắt tới hạn chịu tải cắt 3.3.4 So sánh kết với số nghiên cứu khác Trong hai trường hợp: nén đồng thời theo hai phương phương, thu kết giống với nghiên cứu Leissa [68] 3.4 Kết luận chương - Đã thiết lập phương trình (3.28), (3.30) (3.33) dùng để phân tích ổn định trực hướng ba pha chịu tải học - Đã khảo sát ổn định trực hướng ba pha chịu tải học Xác định ảnh hưởng tham số vật liệu tỉ lệ thành phần sợi, hạt, kích thước hình học (hệ số R chiều dày e), cấu hình lên ổn định CHƯƠNG IV: ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA PANEL COMPOSITE BA PHA Mơ hình tính cánh biểu diễn hình 4.1.b Như vậy, thấy khó khăn giải toán ổn định cánh liên kết cứng hai trụ Hình 4.1.b Bố trí cánh nâng gắn vào vỏ tàu cánh ngầm Hình 4.1.a Tàu cánh ngầm (Hydrofoil boat) Trước tiên, để giải vấn đề cần xác định giới hạn cho phép để cánh ngầm đảm bảo ổn định Sau số tiêu chuẩn ổn định xem xét đánh giá: 4.1 Tiêu chuẩn ổn định 4.1.1 Tiêu chuẩn Budiansky-Roth 11 Dưới tác dụng tải trọng động, đáp ứng chuyển vị hệ theo thời gian với biên độ tăng dần, xuất thời điểm biên độ tăng đột ngột hệ ổn định Các giá trị ứng với thời điểm lân cận thời điểm biên độ tăng đột ngột gọi giá trị tới hạn 4.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tàu cánh ngầm (Hydrofoil ship) [81] 4.1.2.1 Phương pháp xác định ứng suất ổn định mô men uốn cho phép Theo [81] xác định ứng suất ổn định uốn mô men uốn cho phép cánh giằng (trụ chống) tàu cánh ngầm 4.1.2.2 Xác định kích thước cánh ngầm từ tiêu chuẩn ổn định • Đối với trường hợp cánh vật liệu nhôm Giả sử cánh ngầm chế tạo từ nhơm 5456 có: σch=19 (Ksi) E=10300 (Ksi) Chọn cánh NACA 16-018 có c=4(ft), chiều dày vỏ t=½(inch) bề rộng panel khơng tựa b=305.3(mm) Khi b/t=24, theo [81] xác định hình dạng kích thước cánh thỏa mãn ứng suất ổn định uốn mơ men uốn cho phép hình 4.5 Từ thơng số động lực học cánh [140], theo [48,81,143] xác định lực nâng tác dụng lên cánh: (4.4) 𝐿 = 𝜌𝐶𝐿 𝑆𝑉 2 Hình 4.5 Tiết diện ngang cánh dạng NACA Mô men uốn cực đại xuất 16-018 thỏa mãn (*) mút dầm cố định: 𝑤′𝑙2 (4.5) 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 12 Thay giá trị vào (4.5) có: Mmax = 155144