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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HÒA – 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành đào tạo: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 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 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Văn Thu Xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận án trung thực, đáng tin cậy không trùng với nghiên cứu khác tiến hành Nha Trang, ngày tháng năm 2020 Người cam đoan Phạm Văn Thu iii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Đình Đức TS Nguyễn Văn Đạt tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi thường xuyên động viên để tác giả hoàn thành luận án Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể thầy cô giáo Bộ môn Cơ học, Trường đại học Công nghệ - ĐHQGHN quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian tác giả nghiên cứu Bộ mơn Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới PGS TS Phan Đình Huấn PGS TS Phạm Hùng Thắng người thầy tận tụy truyền đạt kiến thức, kinh nghệm thời gian tác giả học tập nghiên cứu thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn TS Trần Quốc Quân TS Phạm Hồng Cơng có nhiều thảo luận giá trị, động viên tìm giúp tác giả nhiều tài liệu nghiên cứu quý giá Tác giả xin cảm ơn tập thể thầy cô giáo, cán Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học Nha Trang tạo điều kiện thuận lợi trình tác giả theo học chương trình đào tạo NCS Tác giả trân trọng cám ơn lãnh đạo, đồng nghiệp Viện Nghiên Cứu Chế Tạo Tàu Thủy quan tâm, giúp đỡ động viên để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè thân thiết, người bên cạnh động viên giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án Tác giả Phạm Văn Thu iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC KÝ HIỆU & VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Vật liệu composite ba pha 1.1.1 Nhựa 1.1.2 Cốt sợi thủy tinh 11 1.1.3 Hạt (hay bột) 13 1.2 Những kết nghiên cứu liên quan đến luận án 14 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 14 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 21 1.3 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CHO COMPOSITE BA PHA 28 2.1 Xác định hệ số đàn hồi cho composite ba pha 28 2.1.1 Mơ hình vật liệu composite ba pha cốt sợi hạt gia cường 28 2.1.2 Mơ hình tính tốn xác định hệ số đàn hồi vật liệu composite ba pha 29 2.1.3 Xác định hệ số đàn hồi vật liệu 29 2.2 Tính toán số thực nghiệm 30 2.2.1 Tính tốn số 30 2.2.2 Thực nghiệm 33 2.3 Kết luận chương 35 CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA TẤM COMPOSITE BA PHA DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI CƠ HỌC 36 3.1 Phân loại ổn định tiêu chuẩn ổn định 36 v 3.1.1 Phân loại ổn định 36 3.1.2 Các tiêu chuẩn ổn định 37 3.2 Phương trình ổn định tĩnh 38 3.2.1 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén đồng thời theo hai phương 44 3.2.2 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén theo phương 45 3.2.3 Ổn định trực hướng ba pha chịu cắt 45 3.3 Khảo sát ổn định composite ba pha tác động tải học 49 3.3.1 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén đồng thời theo hai phương 49 3.3.2 Ổn định trực hướng ba pha chịu nén theo phương 52 3.3.3 Ổn định trực hướng ba pha chịu cắt 56 3.3.4 So sánh kết với số nghiên cứu khác 59 3.4 Kết luận chương 59 CHƯƠNG 4: ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA PANEL COMPOSITE BA PHA 62 4.1 Tiêu chuẩn ổn định 63 4.1.1 Tiêu chuẩn Budiansky-Roth 63 4.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tàu cánh ngầm (Hydrofoil ship) 64 4.2 Phương trình ổn định động panel composite ba pha chịu tác dụng tải thủy động 81 4.2.1 Trường hợp panel tựa tự 85 4.2.2 Trường hợp panel ngàm bốn cạnh 87 4.3 Kiểm tra độ tin cậy chương trình tính 88 4.3.1 Trường hợp trực hướng - [0/90/0/90/90/0/90/0]5 89 4.3.2 Trường hợp xếp lớp [90/0/45/-45/-45/45/0/90]5 92 4.4 Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến ổn định panel composite ba pha chịu tải thủy động 93 4.4.1 Ảnh hưởng cách bố trí lớp 95 4.4.2 Ảnh hưởng kích thước hình học panel 96 4.4.3 Ảnh hưởng tốc độ tàu 97 4.4.4 Ảnh hưởng khơng hồn hảo ban đầu 98 vi 4.4.5 Ảnh hưởng tỉ lệ vật liệu composite ba pha 99 4.4.6 Ảnh hưởng kích thước hình học, tỉ lệ thành phần sợi, hạt lên tần số dao động panel composite ba pha 101 4.4.7 Ảnh hưởng khoảng cách hai cánh 102 4.5 Khảo sát cho tàu cánh ngầm cỡ nhỏ vật liệu composite 106 4.5.1 Thông số tàu 106 4.5.2 Thông số hệ thống cánh 107 4.5.3 Tính lực nâng, lực cản ổn định cánh (Tham khảo phụ lục F) 109 4.6 Kết luận chương 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC A, B I PHỤ LỤC C II PHỤ LỤC D XXV PHỤ LỤC E XLI PHỤ LỤC F XLVIII PHỤ LỤC F1 LXVII vii DANH MỤC KÝ HIỆU& VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đại lượng a Chiều dài panel (m) b Chiều rộng panel (m) B Hệ số hình dáng c Chiều dài dây cung cánh (ft) CCCC Clamped Clamped Clamped Clamped (ngàm bốn cạnh) CL.max Hệ số lực nâng lớn CL Hệ số lực nâng, CL = 0.86 (khi L/D lớn nhất) CLS (CZS) Hệ số lực nâng cánh sau CLT (CZT) Hệ số lực nâng cánh trước D = q2 Dij (i, j = 1, 2, 6) EC Lực cản tác động lên cánh (N) Độ cứng đặc trưng trực hướng (Pa.m3) Mô đun đàn hồi vật liệu composite lấy theo phương 450 (phương chịu lực bé nhất) (GPa) EAl Mô đun đàn hồi vật liệu nhôm (GPa) Em Mô đun đàn hồi kéo (GPa) Ea Mô đun đàn hồi kéo sợi (GPa) Ec Mô đun đàn hồi kéo hạt (GPa) E11 Mô đun đàn hồi theo phương dọc (GPa) E22 Mô đun đàn hồi theo phương ngang (GPa) E FGM Mô đun đàn hồi vật liệu đẳng hướng (GPa) Functionally graded material (vật liệu có tính biến thiên) Gm Mô đun đàn hồi trượt (GPa) Ga Mô đun đàn hồi trượt sợi (GPa) Gc Mô đun đàn hồi trượt hạt (GPa) h Chiều dày cánh panel (m) h=e = e0 + e90 Chiều dày (m) k Hệ số ứng với chiều cao tính tốn sóng K Hệ số ổn định phẳng chịu nén l Khoảng cách hai ngàm (m) L/Dmax Tỉ số lực nâng/sức cản lớn LS Lực nâng cánh sau (N) LT Lực nâng cánh trước (N) viii L Lực nâng tổng (N) Mcp Mô men uốn cho phép (N.m) My.cp Mô men uốn cho phép (đối với trục y) mặt cắt ngang cánh (N.m) Nth(1,1) Lực tới hạn chịu nén đồng thời theo hai phương tương ứng với giá trị m = n = (N/m) Nth(m,1) Lực tới hạn chịu nén theo phương tương ứng với giá trị m n=1 (N/m) Nxmin Giá trị nhỏ lực tới hạn chịu nén đồng thời theo hai phương phương (N/m) Sth Lực tới hạn chịu tải cắt (N/m) N Cơng suất máy (HP) Px Lực nén theo phương x (N/m) Py Lực nén theo phương y (N/m) PTHH Phần tử hữu hạn Panel Tấm có độ cong R/b>5, R bán kính cong q1 Lực nâng tác động lên cánh (N) RT Sức cản tàu (N) R = a/b RQ = E22/E11 Re = e0/e90 Tỉ số chiều dài/chiều rộng Tỉ số mô đun Tỉ số tổng chiều dày lớp 00/tổng chiều dày lớp 900 R Bán kính cong panel (m) S Diện tích cánh thủy lực chiếu theo hình chiếu phương dòng chảy (m2) SSSS Simply Supported Simply Supported Simply Supported Simply Supported (tựa đơn bốn cạnh) t Chiều dày vỏ (mm) tg Chiều dày gân chịu lực (mm) V Tốc độ tàu (m/s) w Độ võng tấm, panel (m) w* ( x, y ) Hàm đại diện cho tính khơng hồn hảo hình dáng ban đầu panel Wy Mô men chống uốn (đối với trục y) mặt cắt ngang cánh (m3) Wy.cp Mô men chống uốn cho phép (đối với trục y) mặt cắt ngang cánh (m3) W Biên độ độ võng (m) ix ... tải trọng lên ổn định panel composite ba pha dùng chế tạo kết cấu tàu - Trong khn khổ thiết bị có nước Viện Nghiên Cứu Chế Tạo Tàu Thủy, chế tạo số mẫu vật liệu composite ba pha Xác định mô đun... 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành đào tạo: Kỹ... riêng, ứng dụng tổ hợp vật liệu chế tạo kết cấu tàu thủy mà sở đóng tàu nước quan tâm Mục tiêu nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu ổn định composite ba pha phục vụ đóng tàu nước chưa có cơng trình đề