Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ compozit tròn xoay chịu áp lực trong

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng được cơ sở khoa học và công nghệ cho quá trình thiết kế, chế tạo vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng theo sơ đồ quấn phẳng. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ compozit tròn xoay chịu áp lực trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ h uuuuu TRẦN THỊ THANH VÂN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ QUẤN VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỊU ÁP LỰC TRONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội 2021
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 cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. TRẦN NGỌC THANH 2. PGS. TS. PHẠM TIẾN ĐẠT Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình do tôi nghiên cứu. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Trần Thị Thanh Vân
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của tập thể giáo viên hướng dẫn, các chuyên gia, các nhà khoa học, cũng như các đồng nghiệp trong và ngoài đơn vị phụ trách nghiên cứu sinh. Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tập thể giáo viên hướng dẫn PGS. TS Trần Ngọc Thanh, PGS.TS Phạm Tiến Đạt đã trực tiếp hướng dẫn, cung cấp ý tưởng nghiên cứu và định hướng các nội dung khoa học của đề tài luận án; đã trang bị các kiến thức, phương pháp và kỹ năng trong nghiên cứu khoa học, rèn luyện ý chí, phấn đấu vươn lên hoàn thành luận án; Xin chân thành cảm ơn tới lãnh đạo Viện KH-CNQS; thủ trưởng và các cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo/Viện KH-CNQS; thủ trưởng và cán bộ phụ trách đào tạo của Viện Tên lửa đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận án; Xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng Công nghệ/Viện Tên lửa- đơn vị sinh hoạt chuyên môn của tôi, đã tạo các điều kiện thuận lợi nhất, động viên, chia sẻ với tôi trong suốt quá trình học tập, sinh hoạt chuyên môn và làm nghiên cứu tại đơn vị, nhất là đã hỗ trợ kiến thức và thực nghiệm để tôi hoàn thành luận án; Xin chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học đã cho nhiều ý kiến đóng góp qúy báu để tôi hoàn thành luận án; Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo của trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Bộ môn Công nghệ vật liệu- nơi tôi công tác, đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh; Xin chân thành cảm ơn người thân trong gia đình, các bạn bè và đồng nghiệp đã đồng hành, sát cánh và động viên tôi vươn lên hoàn thành nhiệm vụ học tập và công trình luận án này.
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...............................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................xi MỞ ĐẦU..............................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN ................................5 1.1. Kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong ...... 5 1.1.1. Giới thiệu chung về kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong ................... 5 1.1.2. Kết cấu chung của vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong ................ 8 1.1.3. Vật liệu composite cốt sợi liên tục chế tạo vỏ composite tròn xoay 12 1.2. Công nghệ quấn........................................................................................ 15 1.2.1. Khái niệm và phân loại ......................................................................... 15 1.2.2. Các sơ đồ công nghệ quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay ...................... 17 1.2.3. Thiết bị quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay ........................................... 20 1.3. Một số thành tựu lý thuyết về thiết kế vỏ composite dạng trụ kín .................... 23 1.3.1. Nghiên cứu thế giới ............................................................................... 23 1.3.2. Nghiên cứu trong nước.......................................................................... 32 1.4. Kết luận và định hướng nghiên cứu ......................................................... 34 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN THIẾT KẾ VỎ TRỤ COMPOSITE CÓ ĐÁY NHẬN ĐƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN .......................................................36 2.1. Bài toán xác định biên dạng đáy vỏ composite hình trụ kín .................... 36
iv 2.1.1. Các phương trình cân bằng lực cơ sở cho xác định biên dạng đáy ................ 36 2.1.2. Hệ phương trình cơ sở xác định biên dạng đáy .................................... 45 2.1.3. Một số kết quả tính toán biên dạng và góc quấn................................... 47 2.1.4. Giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy cơ sở. ....................... 55 2.2. Bài toán xác định kích thước hình học theo điều kiện thể tích cho trước 58 2.3. Bài toán xác định chiều dày lớp vỏ composite ........................................ 59 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 61 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN THIẾT KẾ VỎ COMPOSITE DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY ĐƯỢC QUẤN PHẲNG .........................................................63 3.1. Mô hình toán đáy vỏ trụ theo sơ đồ quấn phẳng...................................... 63 3.2. Ràng buộc của các thông số hình học ...................................................... 67 3.2.1. Các ràng buộc của các tham số, e và  .................................................. 67 3.2.2. Các ràng buộc của bán kính cực, rp ..................................................... 67 3.2.3. Giới hạn của bán kính hình trụ, R ......................................................... 68 3.3. Các kết quả tính toán ................................................................................ 68 3.3.1. Biên dạng đáy và phân bố hệ số trượt ................................................... 68 3.3.2. Phạm vi giới hạn của các thông số hình học của vỏ trụ composite được quấn phẳng dựa trên điều kiện không trượt của sợi ........................................ 75 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 80 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VỎ COMPOSITE DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN PHẲNG ........................................................82 4.1. Nhiệm vụ thiết kế ..................................................................................... 82 4.2. Kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ trụ composite ........................................... 82 4.2.1. Các thông số kết cấu-công nghệ của vỏ compozit dạng trụ có đáy ...... 82 4.2.2. Vật liệu chế tạo vỏ trụ composite và tính chất ...................................... 85
v 4.3. Tính toán các tham số kết cấu – công nghệ ............................................. 90 4.3.1. Trình tự tính toán các tham số kết cấu – công nghệ ............................. 90 4.3.2. Các kết quả tính toán thiết kế vỏ trụ có đáy theo sơ đồ quấn phẳng .... 93 4.4. Thiết bị quấn phẳng và công nghệ quấn vỏ trụ có đáy ............................ 95 4.4.1. Thiết bị quấn phẳng............................................................................... 95 4.4.2. Công nghệ quấn vỏ trụ composite có đáy theo sơ đồ quấn phẳng........ 98 4.4.3. Chế thử sản phẩm ................................................................................ 100 4.5. Đo áp suất phá hủy – Thử nghiệm và đánh giá...................................... 101 4.6. Kết luận chương 4 .................................................................................. 102 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 104 PHỤ LỤC....................................................................... Error! Bookmark not defined.
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT B: Bề rộng của mẫu thử dạng vòng, mm. D: Đường kính trung bình của mẫu vòng, mm. Độ lệch tâm (Khoảng cách từ điểm hình chiếu của giao điểm e: giữa quỹ đạo sợi với đường xích đạo của đáy trên mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo sợi đến trục quay của vỏ). e : Độ lệch tâm không thứ nguyên. Độ lệch tâm không thứ nguyên lớn nhất ứng với mỗi giá trị góc  emax : quấn ban đầu trên phân trục  cho trước. Mô đun đàn hồi của vật liệu composite trên phương dọc trục EC : sợi. f (F) : Lực tác dụng dọc trục sợi. fn: Lực pháp tuyến tác dụng lên sợi f: Lực tiếp tuyến tác động lên sợi. F: Lưc tác đụng dọc trục sợi trong vỏ composite. Lực trên phương kinh tuyến và vĩ tuyến (Hình chiếu của lực F F1, F2: trên phương kinh tuyến và vĩ tuyến) h: Chiều dày vật liệu composite trên đáy h: Chiều dày vật liệu composite trên đáy không thứ nguyên. hc: Chiều dày vật liệu composite trên phần trụ. hc : Chiều dày vật liệu composite trên phần trụ không thứ nguyên.
vii heq: Chiều dày vật liệu composite tại xích đạo. heq : Chiều dày vật liệu composite tại xích đạo không thứ nguyên. hp: Chiều dày vật liệu composite của lớp quấn phẳng. Chiều dày vật liệu composite không thứ nguyên của lớp quấn hp : phẳng. H: Chiều dày của mẫu thử dạng vòng, mm. ic và ip: Số vòng quấn trong một lớp quấn ngang và quấn phẳng. kn, kg: Độ cong pháp tuyến và trắc địa của quỹ đạo sợi. Ku: Hệ số tính đến ảnh hưởng của tải trọng uốn khi kéo mẫu vòng. nc và np: Số lớp quấn ngang và quấn phẳng. L: Chiều dài phần trụ của vỏ. L: Chiều dài phần trụ không thứ nguyên của vỏ. Lmax : Chiều dài phần trụ không thứ nguyên lớn nhất của vỏ. N1, N2: Nội lực trên phương kinh tuyến và vĩ tuyến (lực trên đơn vị dài) p: Áp suất bên trong tác dụng lên bề mặt vỏ. pb: Áp suất nổ (áp suất gây phá hủy). pf: Áp lực pháp tuyến tác dụng lên vỏ gây ra trực tiếp bởi các bích. Pph: Tải trọng phá huỷ mẫu vòng, Pa; r: Tọa độ hướng tâm (bán kính). r: Tọa độ hướng tâm không thứ nguyên. r’ và r’’: Đạo hàm bậc nhất và bậc hai của r theo z. r ' và r ' ' : Đạo hàm bậc nhất và bậc hai của r theo z .
viii rb: Bán kính bích rb : Bán kính bích không thứ nguyên rp: Bán kính hướng tâm của lỗ cực. rp : Bán kính hướng tâm không thứ nguyên của lỗ cực. ri : Bán kính hướng tâm của điểm uốn. rf : Bán kính hướng tâm của điểm hiệu chỉnh. rf : Bán kính hướng tâm không thứ nguyên của điểm hiệu chỉnh R: Bán kính trụ của vỏ. R1, R2: Bán kính cong kinh tuyến và vĩ tuyến của vỏ quay. R1f: Bán kính cong kinh tuyến tại điểm hiệu chỉnh Rn, Rg: Bán kính cong pháp tuyến và trắc địa của sợi. s: Chiều dài sợi. sm: Chiều dài sợi trên mặt phẳng kinh tuyến. t, w: Chiều dày và bề rộng của một băng sợi bất kỳ V: Thể tích bên trong của vỏ trụ composite có đáy. Vc : Thể tích không thứ nguyên của phần trụ. Vd : Thể tích không thứ nguyên của phần đáy. z: Tọa độ trục. z: Tọa độ trục không thứ nguyên. : Góc tạo bởi bán kính hướng tâm r và bán kính cong vĩ tuyến R2. Góc quấn (Góc hợp bởi véc tơ tiếp tuyến của sợi với véc tơ tiếp : tuyến với kinh tuyến của vỏ)
ix eq: Góc quấn tại xích đạo. ’: Đạo hàm bậc nhất và bậc hai của  theo z hoặc z : Góc tạo bởi mặt phẳng mẫu quấn với trục quay của vỏ. P: Gia số tải trọng kéo mẫu vòng. Thay đổi khoảng cách giữa hai nửa đĩa kéo khi tăng tải trọng U: kéo P. Độ dãn dài khi đứt của vật liệu composite trên phương dọc trục C : sợi. : Tọa độ góc. : Hệ số trượt. []: Hệ số trượt cho phép.  : Giá trị tuyệt đối của hệ số trượt.  max: Giá trị tuyệt đối lớn nhất của hệ số trượt. 1, 2: Ứng suất trên phương kinh tuyến và vĩ tuyến của vỏ. [c]: Độ bền kéo của vật liệu composite trên phương dọc trục sợi. 1, 2: Góc tạo bởi véc tơ độ cong kinh tuyến và vĩ tuyến. n, g: Góc tạo bởi véc tơ độ cong pháp tuyến và trắc địa.
x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1.Thay đổi khối lượng BCA chế tạo từ composite so với kim loại [64].........10 Bảng 1.2.So sánh đặc tính các bình chịu áp dạng cầu [73]............................................11 Bảng 1.3.So sánh tính chất cơ học của composite cốt sợi với kim loại [35]. ..............12 Bảng 1.1.Tính chất của một số composite [59]. .............................................................32 Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của  max vào e và . ................................................... 76 Bảng 4.1.Đơn liệu pha nền quấn chế tạo [10]. ................................................ 86 Bảng 4.2.Một số đặc trưng của nhựa nền khi hóa rắn [11]. ............................ 86 Bảng 4.3.Tính chất vật liệu composite dùng nghiên cứu................................ 90 Bảng 4.4.Thông số kết cấu – công nghệ của vỏ theo sơ đồ quấn phẳng. ....... 93 Bảng 4.5.Kích thước cơ bản vỏ bình composite quấn phẳng. ...................... 101 Bảng 4.6.Kết quả thử nghiệm các vỏ bình composite quấn phẳng. .............. 102
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Các bình chịu áp kim loại: ..................................................................................5 Sơ đồ công nghệ chế tạo bình áp lực liền khối [21]. ........................................6 Sơ đồ kết cấu hàn điển hình của bình áp lực:....................................................7 Bình chịu áp hình trụ có hai đáy:........................................................................8 Kết cấu mẫu bình chịu áp dạng cầu: 1- vỏ làm kín; 2 -van nối; 3- đai ốc; 4- vòng đệm; 5- lớp vỏ được quấn từ composite. ................................................................9 Bình chịu áp dạng xuyến từ composite: ............................................................9 Động cơ nhiên liệu rắn được quấn từ vật liệu composite [49] ......................10 Kết cấu bình composite chứa ga hóa lỏng có vỏ làm kín từ HDPE: .....14 Sơ đồ quấn ướt:[65]...........................................................................................16 Sơ đồ quấn khô:[65] ........................................................................................16 Sơ đồ các kiểu quấn.........................................................................................18 a- quấn ngang; b-quấn xoắn; c-quấn phẳng. ...................................................................18 Mô tả quỹ đạo trắc địa và phi trắc địa của sợi trên bề mặt vỏ. ....................20 Sơ đồ chuyển động của các máy quấn phẳng [64].......................................21 Sơ đồ động máy quấn kiểu máy tiện: 1- trục quấn; 2- dẫn hướng; 3- bàn quấn; 4- bôbin chứa prepreg (lô sợi); 5- đầu quấn..........................................................22 Sơ đồ máy quấn điều khiển 5 bậc tự do: 1 - khuôn quấn; 2 - đầu quấn ; 3 - ụ động; 4 -khung trên; 5 - hệ thống máy tính điều khiển; 6 -trục chính. .........23 Biên dạng đáy vỏ được quấn trắc địa với các bán kính lỗ cực (rp) khác nhau và bán kính hiệu chỉnh rf = 1,5rp.......................................................................................25 Biên dạng đáy được quấn phẳng.[27]............................................................27 Biên dạng kính tuyến đáy với bán kính lỗ cực khác nhau ứng với trường hợp góc quấn ban đầu ℽ = 10o.[53] ..........................................................................................28 Mô hình hình học đáy được tạo bởi hai cung tròn.[57] ...............................28
xii Khuynh hướng trượt phụ thuộc vào góc quấn ban đầu .[57] ....................29 Sự khác nhau về hệ số trượt với bán kính cực rp khác nhau.[57]................29 Hình 2.1.Mô tả hình học của đáy vỏ trụ trong hệ tọa độ cực......................... 37 Hình 2.2.Các lực hoạt động trên một phân tố của đáy vỏ. .............................. 39 Hình 2.3.Mô tả phân bố sợi trên bề mặt vỏ tròn xoay. ................................... 40 Hình 2.4.Cân bằng lực sợi có xét đến ma sát trên phân tố vỏ.[36] ................. 42 Hình 2.5. Mô tả độ cong pháp tuyến và độ cong trắc địa của một đường cong trên một bề mặt.[31] ........................................................................................ 43 Hình 2.6.Quan hệ hình học vi phân của z, s, sm và ... ................................... 44 Hình 2.7.Biên dạng đáy vỏ trụ được quấn theo đường trắc địa ứng với trường hợp bình có lỗ cực đóng kín, q = p.rp/2. .......................................................... 49 Hình 2.8.Quay luật biến đổi góc quấn () theo tọa độ hướng tâm r . ............ 50 Hình 2.9. Biên dạng đáy vỏ trụ được quấn theo đường trắc địa ứng với trường hợp bình có lỗ cực hở, q = 0............................................................................ 51 Hình 2.10.Quy luật phân bố hệ số trượt theo tọa độ hướng tâm r . ............... 52 Hình 2.11.Biên dạng đáy vỏ khi quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực đóng kín. ................................................................................................... 53 Hình 2.12.Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực đóng kín) theo các tạo độ: a- tọa độ trục z ; b- tọa độ hướng tâm r . ........................................................... 54 Hình 2.13.Biên dạng đáy vỏ khi quấn theo đường phi trắc địa với vỏ trụ có lỗ cực hở.............................................................................................................. 54 Hình 2.14.Quy luật biến đổi góc quấn  (lỗ cực hở) theo các tạo độ: a- tọa độ trục z ; b- tọa độ hướng tâm r . ...................................................................... 55 Hình 2.15.Sự không khớp nhau giữa kinh tuyến đáy vỏ trụ kín được tính toán với thực tế và mô tả hình học liên quan. ......................................................... 56 Hình 2.16.Phá hủy của vỏ trụ composite với biên dạng đáy bình phù hợp theo đường EFIM ở Hình 2.15. ............................................................................... 57
xiii Các tham số hình học của vỏ trụ composite được quấn phẳng. ....... 63 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0 và các giá trị góc  khác nhau. ............ 69 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0,1 và các giá trị góc  khác nhau. ........ 69 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0,2 và các giá trị góc  khác nhau. ................................................................................................................ 70 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0,3 và các giá trị góc  khác nhau ........ .70 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0,4 và các giá trị góc  khác nhau. ........ 71 Kinh tuyến đáy vỏ với e = 0,5 và các giá trị góc  khác nhau. ........ 71 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0. ...................................................................................................................... 72 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0,1.72 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0,2.73 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0,3.73 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0,4.74 Sự phụ thuộc của hệ số trượt vào tọa độ trục z với độ lệch e = 0,5.74 .Xu hướng trượt của sợi trên đáy đối với hai cặp tham số ban đầu75 (e, ) = (0,/5) và (e, ) = (0,/4). ................................................................... 75 Biểu đồ đường đồng mức biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị  max vào các tham số e và . ........................................................................................... 77 Phạm vi giới hạn của e và  với   = 0,1. ...................................... 77 Phạm vi giới hạn của e và  với   = 0,2. ...................................... 78 Phạm vi giới hạn của e và  với   = 0,3. ...................................... 78 Phạm vi giới hạn của e và  với   = 0,4. ...................................... 79 Quan hệ của chiều dài phần trụ vớ hệ số trượt  max .................... 80 Hình 4.1.Kết cấu vỏ trụ composite chịu áp lực trong được quấn phẳng. ....... 83
xiv Hình 4.2.Khuôn dùng để quấn mẫu dạng vòng.[6] ......................................... 87 Hình 4.3.Đồ gá và khuôn quấn chứa mẫu vòng trong trạng thái kéo[6] ........ 87 Hình 4.4.Các chi tiết của khuôn quấn chế tạo mẫu thử. ................................. 89 Hình 4.5.Quấn vòng để xác định cơ tính của vật liệu composite. .................. 89 Hình 4.6.Thử kéo mẫu vòng vật liệu composite. ............................................ 90 Hình 4.7.Lưu đồ thứ nhất tính toán thông số kết cấu-công nghệ vỏ trụ composite nhận được bằng sơ đồ quấn phẳng. ................................................................. 91 Hình 4.8.Lưu đồ thứ hai tính toán thông số kết cấu-công nghệ vỏ trụ composite nhận được bằng sơ đồ quấn phẳng. ................................................................. 92 Hình 4.9.Biên dạng kinh tuyến của đáy vỏ trụ compozit cho quấn phẳng với các thông số ban đầu e = 0,2;  = /20............................................................ 94 Hình 4.10.Sự phụ thuộc của hệ số trượt  vào tọa độ trục z.......................... 94 Hình 4.11.Phân bố chiều dày của đáy theo z (a) và theo biên dạng kinh tuyến (b) trong hệ tọa độ không thứ nguyên. ............................................................ 95 Hình 4.12.Kết cấu máy quấn phẳng: ............................................................... 96 Hình 4.13.Sơ đồ điều khiển máy quấn phẳng. ................................................ 97 Hình 4.14.Các bôbin thủy tinh E được lắp trên cọc sợi. ................................. 99 Hình 4.15.Bạc dẫn hướng sợi. ......................................................................... 99 Hình 4.16.Lược chia và khối tạo sức căng sơ bộ. ........................................... 99 Hình 4.17.Cốt sợi thủy tinh vào các lược chia của cụm đầu quấn .................. 99 Hình 4.18.Lắp lô tẩm nhựa. ............................................................................ 99 Hình 4.19.Quấn phẳng vỏ trụ composite ........................................................ 99 Hình 4.20.Mẫu vỏ trụ có hai đáy được quấn phẳng từ vật liệu composite. .. 100
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều vật liệu thành phần nhằm khai thác các ưu việt về tính chất của vật liệu cấu thành, kết hợp chúng lại để tạo ra các tính chất nổi trội đáp ứng yêu cầu chức năng sản phẩm. Đối với nhóm vật liệu composite dùng làm kết cấu chịu lực với ưu điểm vượt trội là có độ bền riêng hơn hẳn so với các vật liệu kết cấu khác nên được dùng rộng rãi trong chế tạo các kết cấu chịu lực nói chung, cũng như các kết cấu tròn xoay chịu áp lực trong nói riêng. Trên thực tế đó là các bình áp lực composite có dạng hình cầu, trụ hoặc xuyến, … Do đặc thù hình dạng và chức năng làm việc (chịu lực) của các kết cấu tròn xoay, nên công nghệ quấn sợi liên tục với sợi được tẩm nhựa nền là công nghệ chuyên biệt chế tạo chúng, hầu như chưa có công nghệ khác thay thế. Một đặc trưng của các kết cấu được chế tạo từ composite là quá trình hình thành kết cấu đồng thời cũng là quá trình tạo ra vật liệu theo một công nghệ xác định. Nói cách khác mối quan hệ giữa “ Vật liệu – Kết cấu – Công nghệ ” cho một sản phẩm là không thể tách rời. Trên thế giới, nghiên cứu thiết kế các kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ vật liệu composite nói chung và các bình áp lực nói riêng bằng công nghệ quấn được nghiên cứu khá đa dạng và phong phú. Song do đặc thù quan hệ “Vật liệu- Kết cấu- Công nghệ” và tính đa dạng, phổ biến về ứng dụng của các kết cấu tròn xoay, nên việc nghiên cứu thiết lập các giải pháp kết cấu và công nghệ chế tạo các kết cấu kiểu này vẫn tiếp tục là chủ đề thời sự, thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm và cần thiết phải đặt ra trong giai đoạn hiện nay. Bên cạnh đó việc nghiên cứu làm chủ thiết kế và công nghệ chế tạo các kết cấu tròn xoay từ vật liệu composite cốt sợi liên tục ở Việt Nam mới ở giai đoạn bước đầu. Vì lý do đó, việc đặt ra đề tài ”Nghiên cứu giải pháp kết cấu - công
2 nghệ quấn vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ composite” là cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được cơ sở khoa học và công nghệ cho quá trình thiết kế, chế tạo vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng theo sơ đồ quấn phẳng. 3. Nội dung nghiên cứu Để thực hiên mục tiêu nêu trên cần tiến hành các nội dung chính sau: - Nghiên cứu kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo vỏ composite tròn xoay bằng phương pháp quấn. - Mô hình toán vỏ composite hình trụ kín chịu áp lực trong nhận được bằng phương pháp quấn. - Xây dựng mô hình toán thiết kế vỏ composite dạng trụ có đáy chịu áp lực trong được quấn phẳng - Thực nghiệm chế tạo bình áp lực composite dạng trụ có đáy bằng phương pháp quấn phẳng và thử nghiệm đánh giá khả năng chịu áp lực trong của bình. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mối quan hệ của các tham số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite cốt sợi đơn hướng theo sơ đồ quấn phẳng. Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu mô hình chung của vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực bên trong ở điều kiện nhiệt độ thông thường được chế tạo bằng công nghệ quấn. Trên cơ sở đó tập trung xác định mối quan hệ các tham số phục vụ cho quá trình thiết kế và công nghệ quấn chế tạo vỏ trụ có hai đáy với lỗ cực được đóng kín theo sơ đồ quấn phẳng. Các mẫu bình, thiết bị quấn phẳng được thiết kế chế tạo ở quy mô phòng thí nghiệm.
3 5. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở mô hình hình học và vật lý, xây dựng mô hình toán mô tả quan hệ giữa các tham số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng và thử nghiệm kiểm chứng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Bổ sung cơ sở lý luận cho tính toán thiết kế kết cấu vỏ trụ tròn xoay hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng bằng công nghệ quấn phẳng (một trường hợp riêng của quấn phi trắc địa). Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài có thể sử dụng trong nghiên cứu, thiết kế chế tạo và phát triển tính toán thiết kết cấu cho bình trụ chịu áp trong bằng vật liệu composite được chế tạo bằng công nghệ quấn sử dụng trong mục đích dân dụng và quân sự. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung cơ bản của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo vỏ composite tròn xoay bằng phương pháp quấn Trong chương này trình bày tổng quan về kết cấu bình chịu áp làm bằng vật liệu composite với công nghệ quấn trong chế tạo các kết cấu tròn xoay. Phân tích các kết quả nghiên cứu về thiết kế vỏ trụ composite được chế tạo công nghệ quấn trên thế giới, vấn đề tồn tại phát triển công nghệ quấn ở Việt Nam từ đó luận giải mục tiêu và đưa ra nội dung cần thực hiện đề tài. Chương 2: Mô hình toán thiết kế vỏ compsite hình trụ kín nhận được bằng phương pháp quấn. Trên nền tảng của lý thuyết lưới, luận án đã nghiên cứu đưa ra được mô hình toán chung cho thiết kế biên dạng đáy vỏ trụ composite có đáy, khảo sát
4 tính toán cho các trường hợp cụ thể là quấn trắc địa với hệ số trượt bằng 0 và quấn phi trắc địa với hệ số trượt phân bố theo một quy luật nhất định. Đã thiết lập được công thức xác định chiều dày các lớp quấn (quấn xoắn, quấn ngang) trên phần hình trụ và phần đáy vỏ trụ phụ thuộc vào góc quấn, áp suất phá hủy, độ bền vật liệu composite. Chương 3. Xây dựng mô hình toán thiết kế vỏ composite dạng trụ có đáy chịu áp lực trong được quấn phẳng Chương này đã thiết lập được quan hệ hình học giữa góc quấn với các thông số 𝑒̅ và góc quấn tại tâm bình , từ đó, dựa trên lý thuyết tổng quát đã xây dựng ở chương 2, luận án đã đưa ra được mô hình toán xác định biên dạng đáy vỏ trụ kín cho quấn phẳng. Đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học ban đầu là 𝑒̅ và  đến biên dạng đáy, sự thay đổi góc quấn và hệ số trượt .Từ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số ban đầu 𝑒̅ và  với hệ số trượt , đã xây dựng được biểu đồ đồng mức quan hệ giữa 𝑒̅,  và max, từ đó, xác định được phạm vi thông số hình học đủ cho thiết kế biên dạng đáy gồm 𝑒̅,  và 𝐿 ̅̅̅̅ theo điều kiện hệ số trượt cho phép giữa sợi và khuôn quấn khác nhau. Chương 4: Thực nghiệm chế tạo vỏ composite dạng trụ có đáy bằng phương pháp quấn phẳng. Trên cơ sở nghiên cứu chương 3, Luận án đã áp dụng tính toán thiết kế cho một loại vỏ trụ composite có đáy dùng công nghệ quấn phẳng có dung tích 1 lít, áp suất phá hủy đến 150at bằng vật liệu cốt sợi thủy tinh E, nền epoxy biến tính, phục vụ cho tiến hành thực nghiệm minh chứng. Đã tiến hành thử áp lực đo áp suất phá hủy, nhận thấy, các kết quả tính toán phù hợp với thực tế trọng phạm vi.