Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ compozit tròn xoay chịu áp lực trong TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN THỊ THANH VÂN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ QUẤN VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỊU ÁP LỰC TRONG Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ-BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Ngọc Thanh PGS.TS Phạm Tiến Đạt Phản biện 1: GS.TS Hoàng Xuân Lượng Phản biện 2: PGS.TS Vũ Ngọc Pi Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trang Minh Luận án bảo vệ hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi phút, ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Trần Ngọc Thanh, Trần Thị Thanh Vân: “Thiết kế máy quấn tự động bậc trục dùng chế tạo bình trụ có hai đáy từ vật liệu composite” Tạp chí Cơ khí Việt Nam Số 1+2 năm 2016 Tran Thi Thanh Van, Tran Ngoc Thanh, Pham Ngoc Vương, Nguyen Duong Nam: “Calculation of cylindrical products made of composite meterials using wrap technology” Journal of Mechanical Engineering Research and Developments; Volume 42(2), 2019, pp 76 – 78 Tran Ngoc Thanh, Pham Tien Dat, Tran Thi Thanh Van, Nguyen Duong Nam:“Research using composite meterials in manufacturing pressureresistant circular details with the two spherical bottom by winding technology” Journal of Mechanical Engineering Research and Developments; Volume 42(5), 2019, pp 74 - 78 Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh:“Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn thơng số cơng nghệ chế tạo bình dưỡng khí hình trụ cho thiết bị hiểm khẩn cấp tàu làm vật liệu composite với công nghệ quấn ”.Tạp chí Giao thơng vận tải số năm 2020 Trần Thị Thanh Vân1, Lê Văn Hào2, Trần Ngọc Thanh2: “Thiết kế máy quấn phẳng tự động dùng chế tạo bình cao áp hình trụ từ vật liệu composite” Tạp chí khí số năm 2020 Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến: “Xây dựng mơ hình tính tốn cho thiết kế biên dạng bình composite quấn theo đường phi trắc địa” Tạp chí khoa học cơng nghệ Hàng Hải số năm 2020 Dinh Van Hien, Tran Ngoc Thanh, Vu Tung Lam, Tran Thi Thanh Van, Le Van Hao: “Design of planar wound composite vessel based on preventing slippage tendency of fibers”, Journal of Composite Structures, pp 1-14 Đinh Văn Hiến, Trần Ngọc Thanh, Vũ Tùng Lâm, Lê Văn Hào, Trần Thị Thanh Vân : ” Biên dạng đáy vỏ compozit dạng trụ lỗ cực hở nhận phương pháp quấn phẳng”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, Số đặc san-kỷ niệm 60 năm thành lập Viện Khoa học Công nghệ quân sự, 10-2020, pp.274-281 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu phát triển kết cấu chịu lực nói chung kết cấu vỏ trịn xoay nói riêng từ vật liệu composite cốt sợi độ bền cao phương pháp quấn xu phát triển giới Vật liệu compozit cốt sợi độ bền cao với ưu việt trội chúng có độ bền riêng mô đun đàn hồi riêng cao hẳn vật liệu kết cấu truyền thống, nhờ đó, kết cấu composite bền hơn, cứng vững hơn, nhẹ an toàn Một đặc trưng kết cấu chế tạo từ composite trình hình thành kết cấu đồng thời trình tạo vật liệu theo cơng nghệ xác định Nói cách khác mối quan hệ “ Vật liệu – Kết cấu – Công nghệ ” cho sản phẩm tách rời Trên giới, nghiên cứu thiết kế kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực từ vật liệu composite công nghệ quấn đa dạng phong phú, song đặc thù quan hệ “Vật liệu-Kết cấu-Công nghệ” vật liệu composite nên việc nghiên cứu thiết lập giải pháp kết cấu công nghệ chế tạo kết cấu kiểu tiếp tục thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm cần thiết phải đặt giai đoạn nay, việc ngiên cứu làm chủ thiết kế cơng nghệ chế tạo kết cấu composite trịn xoay Việt Nam giai đoạn đầu Do đó, thực đề tài ”Nghiên cứu giải pháp kết cấu – cơng nghệ quấn vỏ trịn xoay chịu áp lực từ composite” nhiệm vụ cần thiết Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng sở khoa học cơng nghệ cho q trình thiết kế, chế tạo vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực từ vật liệu composite đơn hướng theo sơ đồ quấn phẳng Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu kết cấu, vật liệu cơng nghệ chế tạo vỏ composite trịn xoay phương pháp quấn Mơ hình tốn thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận phương pháp quấn Xây dựng mơ hình tốn thiết kế vỏ vỏ composite dạng trụ có đáy quấn phẳng Thực nghiệm chế tạo bình áp lực composite dạng trụ có đáy phương pháp quấn phẳng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mối quan hệ tham số kết cấu cơng nghệ vỏ trịn xoay dạng trụ chịu áp lực từ vật liệu composite với công nghệ quấn phẳng Phạm vi nghiên cứu: Vỏ trụ có hai đáy với lỗ cực đóng kín theo sơ đồ quấn phẳng Các mẫu bình, thiết bị quấn phẳng thiết kế chế tạo quy mơ phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu Trên sở mơ hình hình học vật lý, xây dựng mơ hình tốn mơ tả quan hệ tham số kết cấu cơng nghệ vỏ trụ composite có đáy quấn phẳng thử nghiệm kiểm chứng Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Bổ sung sở lý luận cho tính tốn thiết kế kết cấu vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực từ vật liệu composite đơn hướng công nghệ quấn phẳng Ý nghĩa thực tiễn: Kết đề tài sử dụng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo phát triển tính tốn thiết kết cấu cho vỏ trụ chịu áp lực vật liệu composite chế tạo công nghệ quấn sử dụng mục đích dân dụng quân Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung luận án trình bày chương danh mục tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1.KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 1.1 Kết cấu vật liệu chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực 1.1.1 Giới thiệu chung kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực Các kết cấu tròn xoay chịu lực sử dụng rộng rãi dân dụng quốc phòng, đó, kiểu kết cấu trịn xoay chịu áp lực nhóm kết cấu phổ biến vỏ trụ có đáy, vỏ dạng cầu dạng xuyến, điển bình cao áp hệ khí tài dưỡng khí thợ lặn, vỏ chịu lực động tên lửa nhiên liệu rắn lỏng,… Đối với kết cấu kiểu này, trước đây, thường chế tạo từ vật liệu kết cấu kim loại thép độ bền cao, hợp kim titan,… Tuy vậy, nhược điểm sống vật liệu độ bền riêng không cao, làm cho kết cấu nặng mà số kết cấu đặc thù bình cao áp hệ thống khí tài dưỡng khí vỏ chịu lực vật thể bay khối lượng nhẹ yêu cầu ưu tiên Cùng với đời sợi độ bền cao tỷ trọng thấp sợi thủy tinh, sợi hữu cơ, sợi cacbon,…, nên kết cấu composite chịu lực nói chung, kết cấu composite tròn xoay chế tạo phương pháp quấn dần thay cho kết cấu vỏ từ vật liệu kim loại 1.1.2 Kết cấu chung vỏ trụ composite tròn xoay chịu áp lực Kết cấu chung gồm: 1- vỏ chịu lực composite cốt sợi/nền polyme tạo thành phương pháp quấn; 2- vỏ làm kín làm polyme nhiệt dẻo kim loại hợp kim nhôm, thép khơng gỉ, …; 3- bích chức gồm bích nối van nạp nhiên liệu bích đế (Hình 1.4 đến Hình 1.6) Hình 1.4 Kết cấu bình chịu áp hình trụ có hai đáy Hình 1.5 Kết cấu bình chịu áp dạng cầu Hình 1.6 Kết cấu bình chịu áp dạng xuyến từ composite: Trong nhóm kết cấu vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong, kết cấu vỏ dạng trụ có đáy dạng kết cấu dùng phổ biến đơn giản công nghệ chế tạo hợp phần tính đa dạng ứng dụng Theo chức làm việc, vỏ composite dạng trụ có đáy phân thành nhóm: (1)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực đóng kín gọi bình áp lực composite có lỗ cực đóng kín, chúng thường dùng để chứa khí nén áp suất cao; (2)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực hở (cịn gọi bình áp lực composite có lỗ cực hở), dạng điển hình có kết cấu kiểu vỏ chịu lực động tên lửa 1.1.3.Vật liệu composite cốt sợi liên tục chế tạo vỏ composite tròn xoay - Vật liệu chế tạo vỏ chịu lực: Do đặc thù hình dạng yêu cầu chịu lực, vật liệu composite cốt sợi độ bền cao sợi thủy tinh, sợi hữu sợi cacbon với liên kết polyme (thường epoxy) dùng để chế tạo vỏ trịn xoay có đáy chịu áp cơng nghệ quấn Tính chất học số loại composite cốt sợi độ bền cao so sánh với vật liệu kết cấu kim loại dùng làm bình áp lực Bảng 1.3 Bảng 1.3.So sánh tính chất học composite cốt sợi với kim loại [35] Vật liệu Hợp kim nhôm 6061-T6 Thép cán nguội SAE 1010 Hợp kim titan Ti-6Al-4V Composite sợi cacbon/epoxy độ bền cao Composite sợi thủy tinh E/epoxy Composite sợi armid/epoxy Composite sợi cacbon/epoxy đẳng hướng Độ bền Mô đun Độ bền kéo Mô đun đàn Tỷ trọng, riêng, đàn hồi, E đứt, Rm hồi riêng, E/  (g/cm3) R / (103 m (GPa) (MPa) (106 Nm/kg) Nm/kg) 2,7 68,9 310 25,7 115 7,87 207 365 26,3 46,4 4,43 110 1171 25,3 264 1,55 138 1150 88,9 1000 1,85 39,3 965 21,2 522 1,38 75,8 1378 54,9 999 1,55 45,5 579 29,3 374 - Vật liệu vỏ làm kín: Đối với vỏ trịn xoay chịu áp lực trong, để đảm bảo khả chịu áp mà khơng rị rỉ,…, cần sử dụng vỏ làm kín Vật liệu chế tạo vỏ làm kín phổ biến kim loại hợp kim nhôm, thép không gỉ,… polyme nhựa HDPE, cao su,… 1.2 Công nghệ quấn 1.2.1 Khái niệm phân loại Công nghệ quấn cơng nghệ tạo hình kết cấu vỏ mỏng cách quấn căng sợi cốt tẩm nhựa khuôn quấn theo quỹ đạo định trước để tạo thành lớp vỏ composite Nhựa sau đóng rắn tự nhiên tác động nhiệt tạo thành lớp vỏ composite hoàn thiện Căn vào trạng thái cốt băng quấn chất lỏng hay dạng dẻo nhớt người ta chia thành hai phương pháp quấn: quấn ướt quấn khô 1.2.2 Các sơ đồ công nghệ quấn chế tạo kết cấu vỏ trịn xoay Có nhiều loại sơ đồ quấn khác phục vụ cho thiết kế công nghệ quấn khác Đối với kết cấu dạng trụ có đáy, thực tế, thường dùng sơ đồ quấn quấn ngang, quấn xoắn quấn phẳng (Hình 1.22) a- quấn ngang b- quấn xoắn c- quấn phẳng Hình 1.22 Các sơ đồ quấn chế tạo vỏ composite dạng trụ: Một kiểu phân loại khác trình quấn sợi dựa vào mơ tả tốn học quỹ đạo sợi, người ta chia làm kiểu quấn là: Quấn trắc địa: Là q trình rải sợi lên bề mặt khn quấn mà sợi trạng thái cân khơng có xu hướng trượt Quấn phi trắc địa: Là trình rải sợi lên bề mặt khuôn quấn mà sợi không trạng thái cân có xu hướng trượt 1.2.3.Thiết bị quấn chế tạo kết cấu vỏ trịn xoay Có nhiều kiểu thiết bị quấn sợi dùng chế tạo kết cấu composite tròn xoay khác nhau, dạng đa dụng máy quấn kiểu máy tiện cho phép quấn kết hợp quấn xoắn quấn ngang Một kiểu thiết bị quấn đơn giản khác thiết bị quấn phẳng sử dụng có sơ đồ quấn biểu diễn Hình 1.22c 1.3 Một số thành tựu lý thuyết thiết kế vỏ composite dạng trụ kín 1.3.1.Nghiên cứu giới Để trọng tâm, phần tập trung vào tổng kết phân tích số thành tựu nghiên cứu thiết kế vỏ composite dạng trụ có đáy Qua tổng kết, tốn thiết kế vỏ trụ composite có đáy quy tốn chính: (1)- Bài tốn xác định biên dạng đáy; (2)- Bài toán xác định chiều dày thỏa mãn điều kiện bền; (3)- Bài toán xác định tham số hình học theo điều kiện thể tích cho trước Trong đó, tốn xác định biên dạng đáy tốn chủ yếu, tốn khó khăn Để giải tốn trên, có hướng dựa theo lý thuyết: Lý thuyết lưới: Theo hướng này, vật liệu composite giải thiết vật liệu đơn hướng tiêu chuẩn bền tiêu chuẩn ứng suất lớn (ứng suất dọc trục sợi) nhỏ giới hạn bền đứt vật liệu Trải qua nhiều năm, nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực quấn theo đường trắc địa phi trắc địa hồn chỉnh Ở khía cạnh vỏ trụ composite quấn phẳng có vài nghiên cứu quan tâm, tóm lại cịn tồn số điểm sau: - Mơ hình tốn xây dựng đường cong biên dạng đáy vỏ trụ cịn chưa hồn chỉnh chưa đề xuất đầy đủ giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy uống cong đường cong biên dạng sở; - Chưa đưa phạm vi giới hạn tham số hình học Lý thuyết học vật liệu compozit: Theo hướng vật liệu composite cốt sợi polyme thay vật liệu có tính chất dị hướng Việc nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite quấn trắc địa phi trắc địa dựa lý thuyết tiến hành Có thể nói lý thuyết xác so với lý thuyết lưới vật liệu tính chất đưa vào tính toán phản ánh tương đối với ứng xử thực vật liệu composite Nhưng có nhược điểm: tính chất học vật liệu composite mơ đun đàn hồi hệ số Poison theo hướng dọc ngang trục sợi cần xác định trước; mô hình tốn học phức tạp lý thuyết lưới Đối với vật liệu composite mà mô đun đàn hồi chúng theo phương ngang thấp đáng kể so với mô đun đàn hồi theo phươc dọc trục sợi kết tính tốn biên dạng đáy bình chiều dày vật liệu theo lý thuyết lưới lý thuyết liên tục gần tương tự 1.3.2 Nghiên cứu nước Nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong nước quan tâm song kết khiên tốn Được biết, nhóm nghiên cứu Viện Tên lửa tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo bình cao áp từ vật liệu composte quấn theo đường trắc địa Các nghiên cứu quấn phi trắc địa, quấn phẳng chưa thực 1.4 Kết luận định hướng nghiên cứu Từ tổng quan tình hình nghiên cứu, Luận án định hướng trọng tâm nghiên cứu giải toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy quấn phẳng dựa tảng lý thuyết lưới, xác lập phạm vi thông số hình học vỏ trụ composite cho quấn phẳng theo điều kiện chống trượt với mục tiêu đề cập Để làm việc đó, Luận án xác định nội dung nghiên cứu nêu phần mở đầu tóm tắt CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN THIẾT KẾ VỎ TRỤ COMPOSITE CĨ ĐÁY NHẬN ĐƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 2.1 Bài toán xác định biên dạng đáy 2.1.1 Các phương trình cân lực cho xác định biên dạng đáy a Cân lực vỏ tròn xoay chịu áp lực Hinh 2.1 Mơ tả hình học đáy vỏ trụ hệ tọa độ cực Hình 2.2 Các lực hoat động phân tố đáy vỏ 10 Hình 2.7.Biên dạng đáy vỏ trụ Hình 2.9 Biên dạng đáy vỏ trụ quấn theo đường trắc địa ứng với trường hợp bình có lỗ cực đóng kín, quấn theo đường trắc địa ứng với trường hợp bình có lỗ cực hở, q = q = p.rp/2 b Trường hợp quấn phi trắc địa Quy luật phân bố hệ số trượt khảo sát:      r  rp - Xét hai trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín nắp lỗ cực hở Kết tính đường cong biên dạng đáy góc quấn tương ứng trình bày từ Hình 2.11 đến Hình 2.14 Hình 2.11 Biên dạng đáy vỏ quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực đóng kín Hình 2.12 Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực đóng kín) theo tọa độ: a- tọa độ trục z ; b- tọa độ hướng tâm r 11 Hình 2.13 Biên dạng đáy vỏ quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực hở Hình 2.14 Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực hở) theo tạo độ: a- tọa độ trục z ; b- tọa độ hướng tâm r 2.1.4.Giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy sở Trong hầu hết trường hợp đường cong biên dạng đáy sở xác định từ (2.35) có tượng uốn cong, nên cần phải có giải pháp hiệu chỉnh Đối với ℽ vỏ trụ có lỗ cực đóng kín, phần đường cong thứ nhận từ việc giải hệ (2.35) với q = p.rp/2, phần đường cong hiệu chỉnh nhận từ việc giải hệ phương trình (2.35) với điều kiện biên z  , r (0)  r ( z f ) , r ' (0)  Hình 2.15 Sự khơng khớp kinh tuyến đáy vỏ trụ kín tính tốn với thực tế mơ tả hình học liên quan - ,  (0)   ( z f )  ( z f ) curve1 Tuy nhiên, vỏ trụ có lỗ cực hở, giải pháp khơng thể thực phương trình xác định biên dạng đường cong đường cong 12 giống nhau, nên chúng gây điểm uốn tương tự Để giải quyết, tác giả đề xuất giải pháp hiệu chỉnh cung trịn có bán kính cong kinh tuyến R1f (Hình 2.15), có phương trình sau:     z  R1 f sin  f  z f  r  R1 f cos  f  r f   1 /  f  arccos (1  r ) zz f      R12f (2.52) 2.2 Bài toán xác định kích thước hình học theo điều kiện thể tích cho trước Bán kính phần trụ vỏ xác định theo công thức: R3 V  Vc  Vd V zf    L     (r (1) ) dz   (r ( 2) ) dz  0  zf1 (2.55) đó, L chiều dài phần trụ; rp1 rp bán kính lỗ cực đáy hệ tọa độ không thứ nguyên Từ L lựa chọn, tìm giá trị R Tiếp sau, xác định chiều dài phần trụ biên dạng đáy hệ tọa độ thực đủ để thiết kế hình học vỏ trụ composite 2.3 Bài toán xác định chiều dày lớp vỏ composite Chỉ xét cho trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín a Chiều dày lớp vật liệu composite đáy Trong hệ tọa độ không thứ nguyên: - Chiều dày phần xích đạo: heq  - Phân bố chiều dày đáy: h  heq R  pb 2. c  cos  eq h cos   heq R r cos  eq b Chiều dày lớp quấn ngang phần trụ pb   c .heq sin  eq hc   c  (2.58) (2.63) (2.67) 13 2.4 Kết luận chương Trên tảng lý thuyết lưới, luận án tổng hợp hệ thống hóa lý thuyết chung thiết kế vỏ trụ composite có đáy, đó: Đã đưa mơ hình tốn chung cho thiết kế biên dạng đáy khảo sát tính tốn cho trường hợp cụ thể quấn trắc địa quấn phi trắc địa với hệ số trượt phân bố theo quy luật mong muốn định Đồng thời đề xuất giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy uốn cong biên dạng đáy sở Đã thiết lập công thức xác định chiều dày lớp quấn (quấn xoắn, quấn ngang) phần hình trụ phần đáy vỏ trụ phụ thuộc vào góc quấn, áp suất phá hủy độ bền vật liệu composite Đã đưa phương pháp xác định kích thước hình học vỏ trụ composite có đáy đủ điều kiện để xây dựng biên dạng hình học vỏ trụ theo điều kiện thể tích cho trước CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN THẾT KẾ VỎ COMPOSITE DẠNG TRỤ CĨ ĐÁY ĐƯỢC QUẤN PHẲNG 3.1 Mơ hình tốn đáy vỏ trụ theo sơ đồ quấn phẳng Hình 3.1 Các tham số hình học vỏ trụ composite quấn phẳng 14 Quan hệ góc quấn  với tham số hình học đáy vỏ trụ quấn phẳng (trong hệ tọa độ không thứ nguyên): r tan   r '.z tan   e  tan    r '2 r  z tan   e  (3.9) Thay (3.9) vào phương trình thứ (2.35) nhận phương trình mơ tả biên dạng đáy trường hợp chung Đối với trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín, ta có phương trình biên dạng đáy sau:      r '2 r tg  r '.z tg  e     2 r ''      r '2 r  z tg  e    r   Để giải phương trình (3.11), tham số ban đầu (3.11) e  cần cho trước với điều kiện biên là: z (0)  , r (0)  , r ' (0)  Đối với quấn phẳng, bán kính lỗ cực rp cho trước cần phải thỏa mãn quan hệ hình học sau: rp  z p tan   e (3.13) 3.2 Ràng buộc thơng số hình học a Các ràng buộc tham số, e  Do kinh tuyến đáy thu từ phương trình (3.11) góc quấn  xác định thơng qua phương trình (3.9) phụ thuộc vào tham số e , vậy, từ phương trình (2.27), thấy rằng, hệ số trượt,  phụ thuộc hai thông số ban đầu e  Nhưng điều kiện không trượt sợi (2.30), nên có phạm vi giới hạn tham số e  thỏa mãn b Các ràng buộc bán kính cực, rp Bán kính cực rp vừa cần thỏa mãn phương trình hiệu chỉnh (2.52) quan hệ hình học (3.13), đó, nghiệm phương trình sau:  r  e   p   2  tan   R1 f sin  f  z f   rp  R1 f cos  f  r f  R1 f     arccos (1  r ) 1/ f  zz f    (3.14) 15 c Giới hạn chiều dài trụ, L Quan hệ L với e : L L 2.e 2.e   R R tan  tan  (3.15) d Giới hạn bán kính hình trụ, R Bán kính phần trụ xác định sau: R3 V Vc  2Vd (3.17) Vc Vd thể tích khơng thứ nguyên phần trụ đáy vỏ 3.3 Các kết tính tốn 3.3.1.Biên dạng đáy phân bố hệ số trượt Hình 3.2 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = giá trị góc  khác Hình 3.3 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = 0,1 giá trị góc  khác Hình 3.4 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = 0,2 giá trị góc  khác Hình 3.5 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = 0,3 giá trị góc  khác 16 Hình 3.6 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = 0,4 giá trị góc  khác Hình 3.7 Kinh tuyến đáy với 𝑒̅ = 0,5 giá trị góc  khác Hình 3.8 Sự phụ thuộc hệ số trượt tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = Hình 3.9 Sự phụ thuộc hệ số trượt tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,1 Hình 3.10 Sự phụ thuộc hệ số trượt tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,2 Hình 3.11 Sự phụ thuộc hệ số trượt tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,3 17 Hình 3.12 Sự phụ thuộc hệ số trượt vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,4 Hình 3.13 Sự phụ thuộc hệ số trượt vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,5 Nhận xét: Khi 𝑒̅  lớn, xu hướng trượt sợi cao; góc  nhỏ, xu hướng trượt sợi điểm gần xích đạo cao hơn; góc  lớn, xu hướng trượt sợi điểm gần lỗ cực lớn 3.3.2 Phạm vi giới hạn thơng số hình học vỏ trụ composite quấn phẳng dựa điều kiện không trượt sợi Quan hệ  max với 𝑒̅  Hình 3.15 Hình 3.15 Biểu đồ đường đồng mức biểu diễn phụ thuộc giá trị  max vào tham số e  Các Hình 3.16 đến 3.19 cho phép chọn cặp (𝑒̅, ) thích hợp đáp ứng điều kiện không trượt sợi Quan hệ chiều dài phần trụ L với  max Hình 3.20, nhận thấy: - Nếu  max = 0,1, - Nếu  max = 0,2, L L - Và  max = 0.4, phải nhỏ 2, với mọi,   45o; đạt 3,8, với mọi,   30o; L đạt 7,5, với mọi,   18o 18 Hình 3.16 Phạm vi giới hạn với   = 0,1 e  Hình 3.17 Phạm vi giới hạn với   = 0,2 e  Hình 3.18 Phạm vi giới hạn với   = 0,3 e  Hình 3.19 Phạm vi giới hạn với   = 0,4 e  Hình 3.20 Quan hệ chiều dài phần trụ vớ hệ số trượt  max 19 3.4 Kết luận chương Đã đưa mô hình tốn cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy quấn phẳng, từ đó, phạm vi giới hạn tham số hình học theo điều kiện khơng trượt sợi Các kết chính: - Quấn phẳng phù hợp với trường hợp có khoảng cách lệch tâm 𝑒̅, chiều dài phần trụ 𝐿̅ góc quấn ban đầu phần trụ  nhỏ; - Khi khoảng cách lệch tâm 𝑒̅ góc ban đầu phần trụ  lớn, khuynh hướng trượt sợi cao phần xích đạo gần lỗ cực; - Đối với trường hợp quấn ướt ([]  0,2), giá trị 𝑒̅, 𝐿̅  tương ứng đạt 0,21, 3,8 380; - Đối với trường hợp quấn khô ([]  0,4), giá trị 𝑒̅, 𝐿̅  tương ứng đạt 0,38, 7,5 450 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÌNH ÁP LỰC COMPOSITE DẠNG TRỤ CĨ ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN PHẲNG 4.1 Yêu cầu chung kết cấu vật liệu chế tạo vỏ trụ composite a Nhiệm vụ thiết kế - Thể tích bên trong: V = 1,0 lít; - Áp suất bền: 100 at (10 MPa) b Các tham số thiết kế Hình 4.1 Kết cấu vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực - Các tham số hình học ban đầu: e,  - Công nghệ sử dụng: Quấn ướt ( = 0,2) - Các tham số cần tính tốn: Biên dạng đáy; bán kính lỗ cực bích: rp, rb (rf); chiều dài bán kính trụ: L, R; chiều dày lớp vật liệu composite: heq ,hp, hc 20 c Lựa chọn vật liệu - Vật liệu composite: Sợi thủy tinh E (bề rộng: mm, dày: 0,3 mm); epoxy biến tính ED-20/EDG-1/P-9-14/MPDA - Vỏ kín: Nhựa HDPE, độ bền 34 MPa, độ giãn dài tương đối 35% - Bích: Hợp kim nhơm 6061-T4; Cơ tính vật liệu composite xác định kéo mẫu vòng Bảng 4.3 Bảng 4.3 Tính chất vật liệu composite nghiên cứu chế tạo Tính Độ bền kéo, [c] Modul đàn hồi, Ec Độ giãn dài Đơn vị đo MPa GPa % M1 680 45,6 2,6 Mẫu M2 682 45,9 2,6 M3 684 46,0 2,8 Trung bình 682 45,8 2,7 4.2 Tính tốn tham số kết cấu – cơng nghệ 4.2.1 Trình tự tính tốn xác định tham số kết cấu – cơng nghệ Hình 4.8 Lưu đồ thứ hai tính tốn thơng số kết cấu-cơng nghệ vỏ trụ composite nhận sơ đồ quấn phẳng 21 Kết tính tốn thơng số kết cấu cơng nghệ vỏ trụ composite có đáy quấn phẳng trình bày Bảng 4.4 Bảng 4.4.Thơng số kết cấu – công nghệ vỏ theo sơ đồ quấn phẳng STT Tên gọi Ký hiệu 10 11 12 13 Góc quấn ban đầu phần trụ Khoảng cách lệch tâm không thứ nguyên Chiều dài phần trụ không thứ nguyên Bán kính bích khơng thứ ngun Bán kính cực khơng thứ nguyên Bán kính phần trụ thực tế Chiều dài phần trụ thực tế Chiều dày lớp quấn phẳng đường xích đạo Xác định chiều dày tính tốn lớp quấn ngang Xác định số lớp quấn phẳng thực tế Xác định số lớp quấn ngang thực tế Xác định số vòng quấn lớp quấn phẳng Xác định số vòng quấn lớp ngang 𝛾 𝑒̅ 𝐿̅ Hình 4.9 Biên dạng kinh tuyến đáy vỏ trụ compozit cho quấn phẳng với 𝑟̅𝑏 𝑟̅𝑝 𝑅 𝐿 ℎ𝑝 ℎ𝑐 𝑛𝑝 𝑛𝑐 𝑖𝑝 𝑖𝑐 Đơn vị mm mm mm mm Giá trị /20 0,2 2,51 0,42 0,3 45 113 0,51 0,90 57 20 Hình 4.10 Sự phụ thuộc hệ số trượt  vào tọa độ trục 𝑧̅ thông số ban đầu 𝑒̅ = 0,2;  = /20 a) b) Hình 4.11 Chiều dày đáy theo 𝑧̅ (a) theo biên dạng kinh tuyến (b) 22 4.3 Cơng nghệ chế tạo vỏ trụ có đáy theo sơ đồ quấn phẳng 4.3.1 Máy quấn phẳng Hình 4.12 Kết cấu máy quấn phẳng: 1- khối quấn phẳng; 2- bàn trượt ; 3, 4- gá trục khung thân; 5-khuôn quấn; - bàn cấp sợi 4.3.3.Chế thử sản phẩm Hình 4.20 Mẫu vỏ trụ có hai đáy quấn phẳng từ vật liệu composite Kết quả: Không quan sát thấy tượng trượt sợi; công nghệ quấn đơn giản, lớp quấn đều; chiều dày phần trụ đảm bảo theo thiết kế 4.4.Thử nghiệm đánh giá khả làm việc sản phẩm Bảng 4.6 Kết thử nghiệm vỏ bình composite quấn phẳng Chiều dày STT Số hiệu bình Chiều dày Áp suất Áp suất Áp suất Sai lớp lớp phá phá hủy phá hủy số, composite composite hủy lý thuyết thực, % tính toán thực tế yêu cầu MPa MPa mm mm MPa VTCP-N1 1,5 1,65 15 17,6 16,3 8,7 VTCP-N2 1,5 1,67 15 17,6 15,9 6,0 Kết quả: Phù hợp kết tính tốn, sai số 10% 23 4.5 Kết luận chương Đã thực nghiệm thiết kế chế tạo loại vỏ trụ composite công nghệ quấn phẳng tích 1,0 lít, áp suất phá hủy đến 15MPa vật liệu cốt sợi thủy tinh E, epoxy; Đã thiết kế chế tạo 01 thiết bị quấn phẳng đơn giản đủ điều kiện tiến hành thí nghiệm cho quấn phẳng; Đã thực hành quấn khẳng định thiết kế đưa phù hợp, tượng trượt sợi không xảy ra; Đã tiến hành thử áp lực đo áp suất phá hủy, nhận thấy, kết tính tốn phù hợp với thực tế trọng phạm vi sai số không 10% KẾT LUẬN I KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực từ vật liệu composite nghiên cứu, sản xuất ứng dụng rộng rãi dân dụng quốc phòng Từ tổng quan tài liệu, Luận án định hướng nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy trường hợp chung, đó, trọng tâm vào thiết kế biên dạng đáy vỏ trụ quấn phẳng xác định phạm vi giới hạn tham số hình học theo điều kiện không trượt sợi 2.Trên tảng lý thuyết lưới với giả thiết vật liệu composite đơn hướng kế thừa thành tựu KHCN giới liên quan, Luận án tổng hợp hệ thống hóa lý thuyết chung cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy, cụ thể: - Đã thiết lập hệ phương trình tốn mơ tả biên dạng sở đáy, từ đó, tính tốn cho trường hợp cụ thể quấn trắc địa phi trắc địa với hệ số trượt phân bố theo quy luật định; - Đã đề xuất giải pháp hiệu chỉnh biên dạng đáy tượng uốn cong đường cong biên dạng sở đáy; - Đã thiết lập công thức xác định chiều dày lớp quấn (quấn xoắn, quấn ngang) phần hình trụ phần đáy bình phụ thuộc vào góc quấn, áp suất phá hủy độ bền vật liệu composite Từ lý thuyết chung, dựa quan hệ hình học quỹ đạo quấn phẳng, Luận án xây dựng phương trình tốn mơ tả biên dạng đáy vỏ 24 trụ composite quấn phẳng Từ đó, khảo sát ảnh hưởng tham số ban đầu độ lệch tâm e góc quấn ban đầu  đến hình dạng đáy, đến quy luật phân bố hệ số trượt, từ đó, làm cho việc xác định phạm vi giới hạn thông số hình học ban đầu theo điều kiện khơng trượt Kết rằng, với kỹ thuật quấn phẳng, tham số: độ lệch tâm e, chiều dài phần trụ L góc quấn ban đầu  phải nhỏ để đảm bảo sợi không trượt quấn, cụ thể: - Cho trường hợp quấn ướt ([]  0.2), e  0,21.R, L  3,8.R   380 - Cho trường hợp quấn khô ([]  0.4), e  0,38.R, L  7,5.R   450 Từ mơ hình tốn vỏ trụ composite quấn phẳng, Luận án đưa trình tự tính tốn thiết kế cụ thể hóa cho loại vỏ trụ composite tích ban đầu 1,0 lít, áp suất bền 10 MPa, chế tạo từ composite cốt sợi thủy tinh/nền epoxy Thiết kế chế tạo thiết bị quấn phẳng phù hợp thiết bị có thực hành công nghệ để minh chứng Kết khẳng định, mơ hình tốn cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận sơ đồ quấn phẳng tin cậy II NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu hệ thống hóa mơ hình lý thuyết cho vỏ trụ chịu áp lực nhận phương pháp quấn từ composite cốt sợi Từ đó, góp phần làm sáng tỏ bổ sung sở khoa học cho thiết kế bình áp lực composite hình trụ có đáy mà cịn chưa đầy đủ Việt Nam - Xây dựng mơ hình tốn vỏ trụ có đáy chịu áp lực theo sơ đồ quấn phẳng, xác định miền thơng số hình học ban đầu độ lệch e, chiều dài trụ L góc lệch  theo điều kiện không trượt sợi phục vụ trực tiếp cho trình thiết kế - Đề xuất trình tự tính tốn thiết kế, sơ đồ cơng nghệ, thiết kế chế tạo thiết bị quấn chế thử sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật đặt III HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trên sở kết nghiên cứu, phát triển mơ hình tính tốn trường hợp có kể đến ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất xung đường kính lỗ cực khác ... việc ngiên cứu làm chủ thiết kế công nghệ chế tạo kết cấu composite tròn xoay Việt Nam giai đoạn đầu Do đó, thực đề tài ? ?Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ tròn xoay chịu áp lực từ... 1.KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 1.1 Kết cấu vật liệu chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực 1.1.1 Giới thiệu chung kết cấu vỏ tròn xoay. .. nên kết cấu composite chịu lực nói chung, kết cấu composite tròn xoay chế tạo phương pháp quấn dần thay cho kết cấu vỏ từ vật liệu kim loại 1.1.2 Kết cấu chung vỏ trụ composite tròn xoay chịu áp