Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm kết hợp uốn thuần túy và uốn buckling

NGUYỄN VĂN HIẾU BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN HIẾU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KẾT HỢP UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHỐ 2018-2019 Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HIẾU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KẾT HỢP UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ XUÂN TRƯỜNG Hà Nội – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy Viện khí động lực, đặc biệt thầy cô Bộ môn Kỹ thuật hàng không Vũ trụ truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em thời gian học tập trường Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy Lê Xuân Trường, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ góp ý kiến cho em hoàn thành đồ án thạc sỹ Em xin gửi lời cám ơn đến anh Phạm Hoàng Nam, người đưa cho em lời khuyên suốt trình thiết kế vẽ chế tạo Em xin cám ơn tập thể cán Công ty cổ phần giới xây lắp số 12.6 hỗ trợ giúp đỡ em nhiều q trình chế tạo thí nghiệm Em xin cảm ơn gia đình bạn bè, người bên động viên, giúp em có thêm động lực để tiếp tục học tập nghiên cứu Cuối cùng, em xin kính chúc thầy có sức khỏe dồi thành công đường nghiệp cao quý Xin chúc bạn hoàn thành tốt đồ án thạc sỹ gặt hái nhiều thành đường tới Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT NỘI DUNG Trong nghiên cứu này, thí nghiệm thiết kế sản xuất với hai chức thí nghiệm uốn túyvà uốn buckling Bộ thiết kế cho phịng thí nghiệm, nhằm giúp đỡ cán giảng viên bạn sinh viên trình giảng dạy, nghiên cứu học tập trường đại học Mục đích thí nghiệm uốn túy uốnbuckling để tượng ổn định để xác định tải uốn túy uốn buckling tới hạn thí nghiệm.Thí nghiệm tìm độ cứng uốn thí nghiệm Các thí nghiệm cho thí nghiệm uốn túy uốnbuckling làm từ hợp kim nhơm, sắt với mặt cắt mm × 20 mm độ dài khác nhau: 300mm, 350mm, 400mm, 450mm 500mm.Tải uốn túy uốn buckling tối đa thiết kế lên đến 500 N Các thí nghiệm thí nghiệm uốn túy uốn buckling làm từ hợp kim nhôm thép thông thường với mặt cắt mm × 20 mm chiều dài 600 mm Tải uốn túy uốn buckling tối đa thiết kế lên đến 13 N thí nghiệm Việc thiết kế thí nghiệm phát triển theo giai đoạn Giai đoạn trình hệ thống xác định đặc điểm kỹ thuật dựa yêu cầu mục đích Giai đoạn thứ hai thiết kế khái niệm Nó bao gồm việc đánh giá chức để tìm ưu nhược điểm thành phần dựa yêu cầu thiết kế thiết lập trước so sánh khái niệm thiết kế số có thực hiện.Dựa đánh giá này, tìm thiết kế phù hợp Giai đoạn ba, tiến hành sản xuất xưởng khí với chi tiết khung thí nghiệm Đây chi tiết thí nghiệm LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Tôi – Nguyễn Văn Hiếu – Cam kết Luận văn Thạc sĩ khoa học cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS.Lê Xuân Trường Các kết nêu Luận vănThạc sĩ trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Nguyễn Văn Hiếu XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn TS Lê Xuân Trường MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục tiêu 2.2 Đối tượng 2.3 Phạm vi nghiên cứu Bố cục .2 Đặt vấn đề .3 Định hướng giải vấn đề .4 CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Thuyết uốn buckling 1.2 Thuyết uốn túy 1.3 Các giai đoạn thiết kế 1.3.1 Giai đoạn thiết kế khái niệm 1.3.2 Giai đoạn thiết kế chi tiết 10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 11 2.1 Danh sách yêu cầu đặc điểm kỹ thuật 11 2.2 Giai đoạn thiết kế ý tưởng .14 2.3 Giai đoạn thiết kế chi tiết 21 2.3.1 Lựa chọn vật liệu 21 2.3.2 Thiết kế thí nghiệm 21 2.3.3 Phân tích kiểm bền 23 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO Bộ THÍ NGHIỆM 26 3.1 Khung thí nghiệm 26 3.2 Tấm thí nghiệm 26 3.3 Đồ gá thí nghiệm uốn buckling 27 3.4 Đồ gá thí nghiệm uốn túy 28 3.5 Chi tiết ghép nối đồ gá khung thí nghiệm 29 CHƯƠNG 4:THỬ NGHIỆM UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING .30 4.1 Dụng cụ 30 4.2 Quy trình thí nghiệm 30 4.2.1 Quy trình thí nghiệm uốn túy 30 4.2.2 Quá trình thí nghiệm uốn buckling 31 4.3 Kết thí nghiệm 32 4.3.1 Kết thí nghiệm uốn túy 32 4.3.2 Kết thí nghiệm uốn buckling 34 4.4 Các vấn đề đươc giải quyêt 38 5.5 Các vấn đề tồn 38 4.6 Hướng phát triển 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ BẢN VẼ LẮP .40 Bản vẽ chi tiết khung 40 Bản vẽ chi tiết thí nghiệm 40 Bản vẽ chi tiết đồ gá cho thí nghiệm uốn buckling 41 Bản vẽ chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn túy 44 Bản vẽ lắp chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn buckling 46 Bản vẽ lắp đồ gá thí nghiệm uốn túy 47 Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn túy 48 Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling 49 Danh mục hình ảnh Hình 1.1: Bộ thí nghiệm uốn buckling [8] Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp luận Hình 1.1: Thanh dày mỏng tác dụng lực nén [8] .5 Hình 1.2: Trường hợp uốn buckling Euler [8] .6 Hình 1.3: Biểu đồ thí nghiệm uốn buckling [8] Hình 1.4: Dầm đỡ đơn giản [9] Hình 1.5: Dầm cơngxơn [9] Hình 2.1: Thiết kế ý tưởng D1 16 Hình 2.2: Thiết kế ý tưởng D2 16 Hình 2.3:Thiết kế ý tưởng D3 17 Hình 2.4: Thiết kế ý tưởng D4 17 Hình 2.5: Tấm thí nghiệm 22 Hình 2.6: Khung thí nghiệm 22 Hình 2.8: Các lực tác dụng lên khung thí nghiệm 23 Hình 2.9: Mô chuyển vị theo phương x 24 Hình 2.10: Kết mô chuyển vị tổng 24 Hình 3.11: Mơ ứng suất 25 Hình 3.1: Khung thí nghiệm 26 Hình 3.2: Tấm thí nghiệm 27 Hình 3.3:Cố định khung 27 Hình 3.4: Đồ gá uốn buckling 28 Hình 3.5: Đồ gá thí nghiệm uốn túy 28 Hình 3.6: Đồ gá lăn thí nghiệm uốn túy 29 Hình 3.7: Chi tiết ghép nối đồ gá khung thí nghiệm 29 Hình 4.1: Thiết lập thí nghiệm uốn túy 31 Hình 4.2: Thiết lập thí nghiệm uốn buckling 32 Hình 4.3: Mặt cắt ngang mẫu vật uốn túy 32 Hình 4.4: Tải uốn vị trí 33 Hình 4.5: Mặt cắt mẫu vật uốn buckling 34 Hình 4.6: Biểu đồ giá trị lực & chuyển vị mẫu 500 mm 34 Hình 4.7: Biểu đồ thể giá trị chuyển vị lực mẫu 400 mm 35 Hình 4.8: Biểu đồ thể giá trị chuyển vị lực mẫu 300 mm 36 Hình 1: Bản vẽ chi tiết khung thí nghiệm 40 Hình 2: Bản vẽ chi tiết thí nghiệm 40 Hình 3: Bản vẽ chi tiết vít lực thí nghiệm uốn buckling 41 Hình 4: Bản vẽ chi tiết vít lực thí nghiệm uốn buckling 41 Hình 5: Bản vẽ chi tiết trượt vít lực thí nghiệm uốn buckling 42 Hình 6: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell 42 Hình 7: Bản vẽ chi tiết liên kết đồ gá thí nghiệm 43 Hình 8: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell 43 Hình 9: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn trượt xoay 44 Hình 10: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn xoay 44 Hình 11: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn xoay 45 Hình 12: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn trượt 45 Hình 13: Bản vẽ lắp loadcell đồ gá loadcell thí nghiệm uốn buckling 46 Hình 14: Bản vẽ lắp vít lực thí nghiệm uốn buckling 46 Hình 15: Bản vẽ lắp lăn trượt thí nghiệm uốn túy 47 Hình 16: Bản vẽ lắp lăn xoay thí nghiệm uốnthuần túy 47 Hình 17: Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn túy 48 Hình 18: Bản vẽ thí nghiệm uốn túy 48 Hình 19: Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn buckling 49 Hình 20: Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling 49 Danh mục bảng Bảng 1.1: Các công thứ dầm đỡ đơn giản [9] .9 Bảng 1.2: Các công thức dầm Côngxôn [9] Bảng 2.1: Bảng yêu cầu thí nghiệm 12 Bảng 2.2: Bảng chức thí nghiệm 12 Bảng 2.3: Bảng đánh giá tiêu chí 14 Bảng 2.4: Giải pháp cho phận 15 Bảng 2.5: Bảng đánh giá tiêu chí thí nghiệm 20 Bảng 2.6: Thông số vật liệu lựa chọn 21 Bảng 4.1: Kết thí nghiệm uốnthuần túy 33 Bảng 4.2: Kết thí nghiệm uốn buckling mẫu 500 mm 35 Bảng 4.3: Kết thí nghiệm uốn buclking mẫu 400 mm 36 Bảng 4.4: Kết thí nghiệm uốn buckling mẫu 300 mm 37 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trong đó: 𝑃𝑐𝑟 : Tải uốn buckling tới hạn E = 200x10^9 Pa môdun Young (Pa) I = bh^3/12 mô men quán tính (m4) 𝐿𝑒 = 2L Chiều dài có ích 𝐏𝐜𝐫 ≈ 𝐏𝐦𝐚𝐱 Kết thí nghiệm, 𝑷𝒄𝒓 Kết phân tích, 𝑷𝒄𝒓 ( Kg ) ( Kg ) Sai số (%) 20.7 26.3 21% 20.3 26.3 23 % 20.8 26.3 21 % Bảng 4.2: Kết thí nghiệm uốn buckling mẫu 500 mm Dưới biểu đồ giá trị chuyển vị lực mẫu thí nghiệm có chiều dài 400 mm Chuyển vị 0 10 Thí nghiệm 15 20 Lực Thí nghiệm 25 30 35 40 Thí nghiệm Hình 4.7: Biểu đồ thể giá trị chuyển vị lực mẫu 400 mm Trang35 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Như trình bày phần lý thuyết, tải uốn buckling tới hạn coi tải trọng tối đa; kết sai số thực nghiệm thể Bảng 4.3 𝐏𝐜𝐫 ≈ 𝐏𝐦𝐚𝐱 Kết thí nghiệm, Pcr Kết phân tích, Pcr Sai số (kg) (kg) (%) 37.0 41.1 9.8 % 37.2 41.1 9.5 % 37.4 41.1 9.0 % Bảng 4.3: Kết thí nghiệm uốn buclking mẫu 400 mm Dưới biểu đồ giá trị chuyển vị lực mẫu thí nghiệm có chiều dài 300 mm 4.5 3.5 Chuyển vị 2.5 1.5 0.5 0 10 20 30 Thí nghiệm 40 Lực 50 60 Thí nghiệm 70 80 Thí nghiệm Hình 4.8: Biểu đồ thể giá trị chuyển vị lực mẫu 300 mm Trang36 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Như trình bày phần lý thuyết, tải uốn buckling tới hạn coi tải trọng tối đa; kết sai số thực nghiệm thể Bảng 4.4 𝐏𝐜𝐫 ≈ 𝐏𝐦𝐚𝐱 Kết thí nghiệm, Pcr (kg) Kết phân tích, Pcr (kg) Sai số (%) 69.0 73 5.5 % 69.4 73 5.0 % 69.2 73 5.2 % Bảng 4.4: Kết thí nghiệm uốn buckling mẫu 300 mm Trang37 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực 4.4.Các vấn đề đươc giải quyêt Với vấn đề đặt ra, em cải tiến giải vấn đề sau: - Đã có hiểu biết tượng uốn túy uốn buckling - Đưa bốn thiết kế ý tưởng, tiến hành so sánh đánh giá tìm thiết kế ý tưởng tốt - Thiết kế thí nghiệm, lựa chọn vật liệu tiến hành phân tích kiểm bền để chứng minh khả hoạt động - Xuất vẽ chi tiết, vẽ lắp tất chi tiết phận thí nghiệm - Tiến hành sản xuất lắp ghép thí nghiệm - Tiến hành thực nghiệm để so sánh đánh giá kết thực nghiệm với kết tính tốn lý thuyết 5.5 Các vấn đề tồn Mặc dù em cố gắng với tất nỗ lực thân giúp đỡ tận tình thầy cơ, cán nhân viên công ty Công ty cổ phần giới xây lắp số 12.6nhưng kiến thức thời gian có hạn nên q trình thiết kế sản xuất, em cịn gặp số khó khăn sau: - Đã tiến hành thực nghiệm đánh giá só sánh kết thực nghiệm với kết tính tốn lý thuyết Tuy nhiên, kết sai số cịn tương đối cao chưa thể tìm phương pháp để nâng cao tính xác thí nghiệm 4.6.Hướng phát triển - Tìm phương ánh thiết kế số chi tiết, số phương pháp bố trí thí nghiệm khác để nhằm mục đính nâng cao tính xác thí nghiệm Trang38 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Minh Đức Tôn, “Dung sai lắp ghép” nhà xuất giáo dục [2] Bazant and Cedolin, “Stability of Structures”, 1991 [3] Ken Wallace and Lucienne Blessing, “Engineering design, A Systematic Approach”, 1993 [4] Phạm Hoàng Nam, “Design and manufacturing of buckling and bending testing machine using systematic method “ Master thesis, 2014 [5] Một số hình ảnh, định nghĩa tượng uốn, uốn buckling, cơng thức phương pháp tính tốn lý thuyết lấy trực tiếp từ trang web (ngày truy cập 06 , 15, 17 tháng năm 2017) [6] www.google.com.vn/search [7] https://www.quora.com/What-is-difference-between-buckling-and-bending [8] https://en.wikipedia.org/wiki/Buckling [9] https://en.wikipedia.org/wiki/Bending Trang39 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ BẢN VẼ LẮP Bản vẽ chi tiết khung Hình 1: Bản vẽ chi tiết khung thí nghiệm Bản vẽ chi tiết thí nghiệm Hình 2: Bản vẽ chi tiết thí nghiệm Trang40 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ chi tiết đồ gá cho thí nghiệm uốn buckling Hình 3: Bản vẽ chi tiết vít lực thí nghiệm uốn buckling Hình 4: Bản vẽ chi tiết vít lực thí nghiệm uốn buckling Trang41 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Hình 5: Bản vẽ chi tiết trượt vít lực thí nghiệm uốn buckling Hình 6: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell Trang42 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Hình 7: Bản vẽ chi tiết liên kết đồ gá thí nghiệm Hình 8: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell Trang43 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn túy Hình 9: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn trượt xoay Hình 10: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn xoay Trang44 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Hình 11: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn xoay Hình 12: Bản vẽ chi tiết đồ gá lăn trượt Trang45 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ lắp chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn buckling Hình 13: Bản vẽ lắp loadcell đồ gá loadcell thí nghiệm uốn buckling Hình 14: Bản vẽ lắp vít lực thí nghiệm uốn buckling Trang46 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ lắp đồ gá thí nghiệm uốn túy Hình 15: Bản vẽ lắp lăn trượt thí nghiệm uốn túy Hình 16: Bản vẽ lắp lăn xoay thí nghiệm uốnthuần túy Trang47 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn túy Hình 17: Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn túy Hình 18: Bản vẽ thí nghiệm uốn túy Trang48 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling Hình 19: Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn buckling Hình 20: Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling Trang49 ... đích thí nghiệm uốn túy uốnbuckling để tượng ổn định để xác định tải uốn túy uốn buckling tới hạn thí nghiệm .Thí nghiệm tìm độ cứng uốn thí nghiệm Các thí nghiệm cho thí nghiệm uốn túy uốnbuckling... 4.1: Kết thí nghiệm uốnthuần túy 33 Bảng 4.2: Kết thí nghiệm uốn buckling mẫu 500 mm 35 Bảng 4.3: Kết thí nghiệm uốn buclking mẫu 400 mm 36 Bảng 4.4: Kết thí nghiệm uốn buckling. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HIẾU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KẾT HỢP UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING CHUYÊN