Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite lớp dưới tác dụng của áp suất trong và nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite lớp dưới tác dụng của áp suất trong và nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về vỏ composite lớp, các kết quả đạt được từ các công trình đã công bố trong nước và nước ngoài; Nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán vỏ trụ composite lớp dưới tác dụng của tải trọng cơ-nhiệt theo lý thuyết biến dạng trượt bậc cao kiểu quasi-3D; Nghiên cứu vùng ứng suất mạnh của vỏ trụ composite lớp với các điều kiện liên kết khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite lớp dưới tác dụng của áp suất trong và nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao Quasi-3D

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRƢỜNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA VỎ TRỤ COMPOSITE LỚP DƢỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP SUẤT TRONG VÀ NHIỆT TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG TRƢỢT BẬC CAO QUASI-3D LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN TRƢỜNG THANH NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA VỎ TRỤ COMPOSITE LỚP DƢỚI TÁC DỤNG CỦA ÁP SUẤT TRONG VÀ NHIỆT TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG TRƢỢT BẬC CAO QUASI-3D Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Trần Ngọc Đoàn 2. TS. Phan Văn Chƣơng HÀ NỘI - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào, các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 02 tháng 7 năm 2023 Tác giả Nguyễn Trƣờng Thanh
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến tập thể thầy hƣớng dẫn TS Phan Văn Chƣơng và PGS.TS Trần Ngọc Đoàn, đã tận tình giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tôi hoàn thành luận án này. Sự động viên, khuyến khích cùng những kiến thức khoa học cũng nhƣ chuyên môn mà các thầy chia sẻ trong nhiều năm qua đã giúp tôi nâng cao năng lực khoa học và phƣơng pháp nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Phòng Động cơ– Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự và Bộ môn Thiết kế hệ thống, Khoa Hàng không vũ trụ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy, các bạn cộng sự, các nhà khoa học trong và ngoài Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, các thầy cô giáo ở Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận án của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, cộng sự, bạn bè đã thông cảm, động viên và chia sẻ, giúp đỡ, cổ vũ tinh thần và vật chất để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án
iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU VỎ COMPOSITE LỚP ..................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về vật liệu composite lớp ......................................................... 6 1.2. Tổng quan về lý thuyết tính toán kết cấu vỏ composite .......................... 10 1.2.1. Lý thuyết vỏ cổ điển.............................................................................. 12 1.2.2. Lý thuyết biến dạng trƣợt bậc nhất ....................................................... 13 1.2.3. Lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao......................................................... 14 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu vỏ composite ........................... 17 1.3.1. Tổng quan các nghiên cứu vỏ composite trên thế giới ......................... 17 1.3.2. Tình hình nghiên cứu kết cấu vỏ composite trong nƣớc....................... 22 1.4. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ..................................................... 24 1.5. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................... 25 Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA VỎ TRỤ COMPOSITE LỚP ................................................................ 27 2.1. Mô hình bài toán và các giả thiết ............................................................. 27 2.2. Xây dựng mô hình tính toán vỏ trụ composite lớp .................................. 28 2.2.1. Trƣờng chuyển vị .................................................................................. 29 2.2.2. Quan hệ biến dạng và chuyển vị ........................................................... 30 2.2.3. Quan hệ ứng suất và biến dạng ............................................................. 32 2.2.4. Hệ phƣơng trình cân bằng và điều kiện biên ............................................ 33 2.2.5. Hệ phƣơng trình cân bằng theo chuyển vị ............................................ 37 2.2.6. Trình tự giải bài toán xác định ứng suất, biến dạng của vỏ .................. 39 2.3. Xây dựng phƣơng pháp giải tích tính toán trạng thái ứng suất vỏ........... 39 2.3.1. Áp dụng chuỗi lƣợng giác đơn trong biến đổi hệ phƣơng trình cân
iv bằng vỏ ............................................................................................................ 39 2.3.2. Phép biến đổi Laplace trong giải hệ phƣơng trình cân bằng vỏ ........... 41 2.3.3. Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình vi phân thuần nhất ......................... 44 2.3.4. Dạng hàm ảnh của một số dạng phân bố tải trọng của vỏ .................... 46 2.4. Xây dựng sơ đồ thuật toán chƣơng trình tính toán .................................. 49 2.5. Kiểm chứng mô hình và chƣơng trình tính toán ...................................... 51 2.6. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................... 53 Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT TẠI VÙNG ỨNG SUẤT MẠNH CỦA VỎ TRỤ COMPOSITE LỚP ....................................... 54 3.1. Phân tích dạng nghiệm của hệ phƣơng trình cân bằng vỏ ....................... 54 3.1.1. Đa thức đặc trƣng và dạng nghiệm của hệ phƣơng trình cân bằng vỏ ..... 54 3.1.2. Nghiệm đặc trƣng của một số kết cấu vỏ .............................................. 56 3.1.3. Khảo sát vùng ứng suất mạnh theo các lý thuyết khác nhau ................ 58 3.2. Ảnh hƣởng của một số tham số tới hiện tƣợng gia tăng ứng suất tại vùng ứng suất mạnh ........................................................................................ 66 3.2.1. Ảnh hƣởng của tham số kết cấu ............................................................ 66 3.2.2. Ảnh hƣởng của điều kiện liên kết ......................................................... 68 3.2.3. Ảnh hƣởng của tải trọng........................................................................ 74 3.3. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................... 84 Chƣơng 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THAM SỐ KẾT CẤU VÀ TẢI TRỌNG ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT .................................... 86 4.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tham số kết cấu ............................................ 86 4.1.1. Ảnh hƣởng của chiều dày vỏ (tỉ số R/h) ............................................... 86 4.1.2. Ảnh hƣởng của chiều dài vỏ (tỷ số L/R) ............................................... 90 4.1.3. Ảnh hƣởng của số lớp, thứ tự xếp lớp................................................... 91 4.1.4. Ảnh hƣởng của góc xếp lớp .................................................................. 93 4.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số dạng tải trọng cơ .............................. 97 4.2.1. Tải trọng phân bố theo quy luật tuyến tính. .......................................... 97 4.2.2. Tải trọng phân bố theo quy luật tuần hoàn. .......................................... 99
v 4.2.3. Tải trọng phân bố theo quy luật hàm mũ ............................................ 102 4.2.4. Tải trọng phân bố theo quy luật hàm đa thức ..................................... 104 4.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ ............................................................. 107 4.3.1. Ảnh hƣởng của điều kiện biên khi vỏ chịu tải trọng nhiệt.................. 107 4.3.2. Ảnh hƣởng phân bố nhiệt theo chiều dày vỏ ...................................... 113 4.4. Nghiên cứu trạng thái ứng suất vỏ dƣới tác dụng của tải cơ-nhiệt ........ 118 4.5. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................. 122 KẾT LUẬN ................................................................................................... 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 126 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 136
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A Công của ngoại lực tác dụng lên vỏ, [Nm];  A Ma trận hệ số của hệ phƣơng trình vi phân; C  k   Ma trận hệ số độ cứng;   Ek Mô đun đàn hồi lớp k, [N/m2]; h, hk Chiều dày kết cấu, chiều dày lớp vật liệu, [m]; Gk Mô đun trƣợt lớp k [N/m2]; L Chiều dài vỏ [m]; N(i ) , N(i ) , N z(i ) , N) , N) , N(iz) , N(iz) : các thành phần nội lực suy rộng với i=1,K; (i (i Q0 Độ lớn của lực phân bố, [N/m2]; Q  k   Ma trận hệ số độ cứng của lớp thứ k trong hệ tọa độ tổng thể;   q() Tải trọng tác dụng theo phƣơng pháp tuyến bề mặt vỏ, [N/m2]; S Độ dày tƣơng đối của vỏ trụ; R Bán kính của vỏ, [m]; T  k   Ma trận chuyển hệ tọa độ cục bộ lớp k sang hệ tọa độ chung;   Tref, T Lần lƣợt là nhiệt độ tham chiếu và thời điểm tính biến dạng, [K]; U Thế năng biến dạng của vỏ composite; U km  i Các hàm trong khai triển chuỗi Fourier của chuyển vị; u Véc tơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ [m]; u0 Véc tơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ trên mặt trung bình, [m]; ui, vi, wi Các thành phần chuyển vị của một điểm bất kỳ trong lớp k, [m]; uok , vok , wok Chuyển vị của một điểm bất kỳ trên mặt trung bình lớp k, [m]; Vkm  i Các hàm trong khai triển chuỗi Fourier của chuyển vị;
vii Wkm  i Các hàm trong khai triển chuỗi Fourier của chuyển vị;  ijk ) ( Hệ số Poát xông lớp k;  , , z Các tọa độ trụ;  k Véc tơ hệ số biến dạng màng do nhiệt của lớp thứ k; -1 1( k ) , 2k ) ,3k ) Các hệ số giãn nở nhiệt trong hệ trục chính của lớp thứ k, [K ]; ( ( ( k ) ,( k ) , z( k ) , ) hệ số giãn nở nhiệt trong hệ trục O z của lớp thứ k, [K-1]; (k A Vi phân công của tải trọng áp suất [Nm]; U Vi phân thế năng biến dạng của vỏ composite;  Vi phân tổng năng lƣợng của vỏ composite;  (k ) Góc đặt cốt của lớp thứ k [o]; T Biến thiên nhiệt độ, [K];   Véc tơ biến dạng tại một điểm;   Véc tơ biến dạng màng do uốn tại một điểm;    k Véc tơ trƣờng biến dạng tại lớp k trong hệ tọa độ chung;    T k Véc tơ trƣờng biến dạng do nhiệt ở lớp k trong hệ tọa độ chung;   Véc tơ trƣờng ứng suất tại một điểm, [N/m2];   (k ) Véc tơ trƣờng ứng suất tại lớp k trong hệ tọa độ chung, [N/m2]; DQM Phƣơng pháp cầu phƣơng sai phân (differential quadrature method; CC Liên kết ngàm hai đầu (clamped - clamped); CF Liên kết ngàm và tự do (clamped - free); CS Liên kết ngàm và tựa đơn (clamped - simply supported); CLPT Lý thuyết tấm vỏ cổ điển (classical laminated plate theory); FGM Vật liệu có cơ tính biến thiên (functionally graded materials); FSDT Lý thuyết biến dạng trƣợt bậc nhất (first order shear deformation theory);
viii HSDT Lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao (high-order shear deformation theory); INPL Áp suất trong (Internal pressure load); SF Liên kết tựa đơn và tự do (simply supported - free supported); SS Tựa đơn hai đầu (simply supported - simply supported);
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các dạng khai triển trƣờng chuyển vị sử dụng trong các lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao kiểu quasi-3D khác nhau. .............................. 15 Bảng 2.1 Thông số cơ tính của một số loại vật liệu ........................................ 49 Bảng 2.2. Chuyển vị không thứ nguyên của vỏ composite lớp, L/R=4, h=0.1 ............................................................................................................... 51 Bảng 2.3 Chuyển vị không thứ nguyên tại vị trí giữa của vỏ composite lớp theo các lý thuyết khác nhau ..................................................................... 52 Bảng 3.1 Nghiệm đa thức đặc trƣng vỏ trụ composite lớp vật liệu Gr.Ep_AS ........................................................................................................ 56 Bảng 3.2 Nghiệm đa thức đặc trƣng vỏ trụ composite lớp [0/900/0] .............. 57 Bảng 3.3. Nghiệm đa thức đặc trƣng vỏ trụ đơn lớp ...................................... 58 Bảng 3.4. Ứng suất không thứ nguyên với các mô hình lý thuyết trƣợt bậc cao khi K=2, K=3 và Mindlin của vỏ trụ composite lớp, (L/R=4, S=[10 20]) .................................................................................................................. 59 Bảng 3.5. Ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ composite với các phƣơng án xếp lớp khác nhau ......................................................................... 68 Bảng 3.6. Ứng suất vỏ với điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp, ([0/90o]; L/R=4; S=10) ............................................................ 71 Bảng 3.7. Ứng suất vỏ với điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp ([0/90o]; L/R=0,5; S=50). ......................................................... 71 Bảng 3.8. Ứng suất của vỏ với các điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp ([0/900], L/R=4, S=50) ............................................................. 72 Bảng 3.9. Ứng suất của vỏ với các điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp ([0/900], R=1, L/R=4, S=10) .................................................... 73 Bảng 3.10. Ứng suất của vỏ với các điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp ([900/0/900/0/], R=1, L/R=4, S=10) .................................... 73 Bảng 3.11. Ứng suất do tải trọng tuyến tính tới vỏ có độ dày khác nhau....... 75
x Bảng 3.12. Ứng suất do tải trọng tuần hoàn tới kết cấu vỏ có độ dày khác nhau ................................................................................................................. 77 Bảng 3.13. Ứng suất do tải trọng nhiệt tại một số vị trí của vỏ trụ composite lớp [90o/0/90o], với L=4R, S=10 .................................................... 80 Bảng 3.14. Ứng suất do tải trọng nhiệt tại một số vị trí của vỏ trụ composite lớp [90o/0/90o], với L=4R, S=20 .................................................... 81 Bảng 4.1. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên của các vỏ composite lớp, [0/900], S=[10÷50] ................................................................................... 89 Bảng 4.2. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ composite lớp .................................................................................................................... 90 Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của số lớp vật liệu tới chuyển vị và ứng suất của vỏ... 93 Bảng 4.4. Chuyển vị và ứng suất của các vỏ trụ có thứ tự xếp lớp khác nhau ................................................................................................................. 94 Bảng 4.5 Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên do tải trọng tuyến tính tới vỏ có độ dày khác nhau.............................................................................. 97 Bảng 4.6. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên do tải trọng tuần hoàn tới kết cấu vỏ có độ dày khác nhau ............................................................... 100 Bảng 4.7. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên do tải trọng hàm mũ tới kết cấu vỏ có độ dày khác nhau ............................................................... 103 Bảng 4.8. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên do tải trọng phân bố theo hàm đa thức tới kết cấu vỏ có độ dày khác nhau .................................. 105 Bảng 4.9. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ composite lớp, [0/900]; L=[0,5 4]; S=[10 20] ................................................................. 108 Bảng 4.10. Chuyển vị và ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ composite lớp, [0/900/0], L=[0.5 4], S=[10 20] .............................................................. 110 Bảng 4.11 Chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ composite lớp, [0/900] ........... 114 Bảng 4.12. Chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ composite lớp, [0/90o/0] ....... 116 Bảng 4.13. Chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ composite lớp, [0/90o] .......... 118 Bảng 4.14. Chuyển vị và ứng suất của vỏ trụ composite lớp, [90o/0/90o] .... 120
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Tên lửa NSM có lớp ngoài bọc composite ....................................... 8 Hình 1.2. Bình gas Miss Gas làm bằng vật liệu composite ............................ 10 Hình 2.1. Mô hình vỏ trụ và hệ tọa độ ............................................................ 27 Hình 2.2. Sơ đồ composite lớp ........................................................................ 28 Hình 2.3. Hệ trục chính của lớp và hệ quy chiếu chung ................................. 28 Hình 2.4. Kết cấu vỏ trụ composite lớp dƣới tác dụng của tải trọng cơ- nhiệt ................................................................................................................. 29 Hình 2.5. Mô hình tải phân bố đều trên toàn bộ vỏ ........................................ 46 Hình 2.6. Mô hình tải phân bố đều trên một đoạn giữa vỏ trụ ....................... 47 Hình 2.7. Mô hình tải phân bố tuyến tính trên một đoạn vỏ ........................... 47 Hình 2.8. Mô hình tải phân bố cục bộ đối xứng dạng bậc hai ........................ 48 Hình 2.9. Mô hình tải phân bố cục bộ đối xứng dạng hình sin....................... 48 Hình 2.10. Sơ đồ khối chƣơng trình tính toán kết cấu vỏ composite lớp ....... 50 Hình 3.1 Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày vỏ theo các lý thuyết khác nhau, với L=4R, S=10................................................ 61 Hình 3.2. Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày vỏ tại vùng biên ngàm với L=4R, S=10. .............................................................. 62 Hình 3.3 Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày vỏ theo các lý thuyết khác nhau L=4R, S=20. ...................................................... 64 Hình 3.4. Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày vỏ tại vùng biên ngàm với L=4R, S=20. .............................................................. 65 Hình 3.5. Ứng suất không thứ nguyên của vỏ trụ composite với các phƣơng án xếp lớp khác nhau ......................................................................... 68 Hình 3.6. Ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày vỏ với điều kiện liên kết khác nhau của vỏ trụ composite lớp, ([0/90o]; L/R=4; S=10) ............ 71 Hình 3.7. Chuyển vị do tải trọng tuyến tính tới vỏ có độ dày khác nhau ....... 74 Hình 3.8. Ứng suất tại một số vị trí của vỏ có độ dày khác nhau dƣới tác
xii động của tải trọng tuyến tính........................................................................... 76 Hình 3.9. Chuyển vị của vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng tuần hoàn ... 77 Hình 3.10. Ứng suất tại một số vị trí của một số kết cấu vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng tuần hoàn ................................................................. 79 Hình 3.11. Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên tại vùng biên ngàm theo chiều dày vỏ composite lớp [90o/0/90o], với L=4R, S=10, T=10oC .......................................................................................................... 81 Hình 3.12. Ứng suất tại một số vị trí của vỏ composite lớp, [90o/0/90o], L=4R, S=20, dƣới tác động của tải trọng nhiệt độ .......................................... 83 Hình 3.13. Sự biến đổi của ứng suất không thứ nguyên tại vùng biên ngàm theo chiều dày vỏ composite lớp [90o/0/90o], với L=4R, S=20, T=10oC .......................................................................................................... 84 Hình 4.1. Sự biến đổi trạng thái ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày của vỏ trụ composite lớp [0/900]; L/R=4; h=0,1; vật liệu Gr.Ep_AS....... 87 Hình 4.2. Sự biến đổi trạng thái ứng suất không thứ nguyên theo chiều dày của vỏ trụ composite lớp [0/900/0]; L/R=4; h=0,1 với vật liệu Gr.Ep_AS. ....................................................................................................... 89 Hình 4.3. Ảnh hƣởng của số lớp vật liệu tới chuyển vị vỏ ............................. 91 Hình 4.4. Ảnh hƣởng số lớp đến ứng suất tại một số vị trí của vỏ ................. 92 Hình 4.5. So sánh chuyển vị không thứ nguyên của các vỏ trụ có thứ tự xếp lớp khác nhau............................................................................................ 94 Hình 4.6. Ứng suất tại một số vị trí của vỏ có thứ tự xếp lớp khác nhau ....... 96 Hình 4.7. Chuyển vị do tải trọng tuyến tính tới vỏ có độ dày khác nhau ....... 98 Hình 4.8. Ứng suất tại một số vị trí của vỏ có độ dày khác nhau dƣới tác động của tải trọng tuyến tính........................................................................... 99 Hình 4.9. Chuyển vị của vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng tuần hoàn . 100 Hình 4.10. Ứng suất tại một số vị trí của một số kết cấu vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng tuần hoàn ............................................................... 102 Hình 4.11. Chuyển vị của vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng hàm mũ .. 102
xiii Hình 4.12. Ứng suất tại một số vị trí của một số kết cấu vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng phân bố theo quy luật hàm mũ .............................. 104 Hình 4.13. Chuyển vị của vỏ có độ dày khác nhau chịu tải áp suất trong phân bố theo quy luật hàm đa thức dọc theo chiều dài vỏ ............................ 105 Hình 4.14. Ứng suất tại một số vị trí của một số kết cấu vỏ có độ dày khác nhau chịu tải trọng áp suất trong phân bố theo quy luật hàm đa thức.. 107 Hình 4.15. Biểu đồ phân bố ứng suất không thứ nguyên trong vỏ trụ composite hai lớp [0/900] với L=0,5R; S=20. .............................................. 110 Hình 4.16. Biểu đồ phân bố ứng suất không thứ nguyên trong vỏ trụ composite ba lớp [0/90o/0] với L=4R; S=20 ................................................ 112 Hình 4.17. Ảnh hƣởng tải nhiệt độ tới chuyển vị vỏ trụ composite lớp, [0/900] ............................................................................................................ 113 Hình 4.18. Biểu đồ phân bố ứng suất trong vỏ trụ composite lớp, [0/900] ... 115 Hình 4.19. Biểu đồ phân bố ứng suất trong vỏ composite lớp, [0/90o/0] ..... 117 Hình 4.20. Chuyển vị của vỏ composite lớp, [0/90o], dƣới tác dụng của tải trọng cơ – nhiệt ........................................................................................ 119 Hình 4.21. Biểu đồ phân bố ứng suất trong vỏ trụ composite lớp, [0/90o] ... 120 Hình 4.22. Ảnh hƣởng tải nhiệt độ tới chuyển vị vỏ composite lớp, [90o/0/90o] ..................................................................................................... 120 Hình 4.23. Biểu đồ phân bố ứng suất trong vỏ composite lớp, [90o/0/90o] .. 121
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhiều loại vật liệu composite mới đã đƣợc chế tạo và áp dụng trong nhiều ngành kỹ thuật nhƣ: vật liệu áp điện (piezoelectric materials) dùng để điều khiển và dập tắt dao động, vật liệu có cơ tính biến thiên (FGM), vật liệu nano composite. Việc nghiên cứu ứng xử cơ học của các loại vật liệu này đã đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn, thu hút nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc nghiên cứu, nhiều công trình đã đƣợc công bố, đóng góp to lớn đến việc ứng dụng vật liệu mới vào thực tiễn bởi những loại vật liệu này có nhiều ƣu điểm nhƣ: độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt, khối lƣợng nhẹ,….Vì vậy, đặt ra nhu cầu tính toán cơ học đối với kết cấu vỏ composite lớp là cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo và sử dụng chúng trong thực tế. Nghiên cứu trạng thái ứng suất của vật liệu composite dƣới tác dụng của tải trọng hỗn hợp là một bài toán phức tạp và thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc. Trong tính toán trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite, thƣờng sử dụng lý thuyết vỏ cổ điển hoặc các lý thuyết biến dạng trƣợt bậc nhất [5], [32], [33]. Khi sử dụng các lý thuyết này trong tính toán vỏ, thƣờng bỏ qua ảnh hƣởng của biến dạng trƣợt bậc cao, đặc biệt là biến dạng ngang theo phƣơng pháp tuyến (normal transverse deformation), dẫn đến kết quả tính toán tại những vùng nguy hiểm của kết cấu (khu vực tập trung ứng suất, có sự thay đổi đột ngột về tham số kết cấu,…) có độ chính xác chƣa cao. Để đảm bảo an toàn cho kết cấu tại những vùng nguy hiểm thƣờng áp dụng các biện pháp gia cố, nhƣ làm dày lớp vật liệu tại vị trí liên kết, gia cố bằng các đai gia cƣờng,…. Các biện pháp này thƣờng làm cho kết cấu dƣ bền, tăng khối lƣợng, … . Do đó, để đánh giá chính xác trạng thái ứng suất tại những khu vực nguy hiểm cần sử dụng các lý thuyết cải tiến.
2 Việc nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite bằng lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao có tính đến ảnh hƣởng của biến dạng ngang theo phƣơng pháp tuyến còn chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều, bởi tính phức tạp của mô hình toán và khối lƣợng tính toán lớn. Nghiên cứu vỏ trụ composite có tính đến ảnh hƣởng của biến dạng trƣợt bậc cao cho phép đánh giá chính xác hơn trạng thái ứng suất của vỏ, đặc biệt là dƣới tác dụng của tải trọng phức tạp. Việc đánh giá chính xác hơn trạng thái ứng suất tại những vùng chuyển tiếp của kết cấu, vùng biên, vùng chịu tải trọng tập trung,… phục vụ tốt cho quá trình thiết kế, chế tạo các sản phẩm công nghệ cao đáp ứng các yêu cầu khắt khe về khối lƣợng và độ bền nhƣ trong lĩnh vực kỹ thuật tên lửa, động cơ phản lực, lĩnh vực hàng không vũ trụ…. Nhƣ vậy, đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite lớp dưới tác dụng của áp suất trong và nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trượt bậc cao quasi-3D” là vấn đề mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu trạng thái ứng suất của vỏ trụ composite lớp chịu tác dụng của tải trọng cơ-nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao kiểu Quasi-3D; thông qua việc phân tích vùng ứng suất mạnh và đánh giá ảnh hƣởng của các tham số nhƣ điều kiện liên kết, tham số vật liệu, hình học, tải trọng, … lên trạng thái ứng suất vỏ từ đó rút ra các kết luận có giá trị khoa học và thực tiễn.. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng mô hình bài toán, xây dựng các quan hệ ứng xử cơ học và thành lập hệ phƣơng trình xác định trạng thái ứng suất, biến dạng cho vỏ composite lớp chịu tác dụng đồng thời tải trọng cơ-nhiệt. - Nghiên cứu xây dựng thuật toán giải hệ phƣơng trình bằng phƣơng pháp giải tích và lập chƣơng trình tính toán trạng thái ứng suất-biến dạng của vỏ trụ
3 composite lớp chịu tác dụng của áp suất trong và nhiệt với các điều kiện liên kết khác nhau trên cơ sở lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao. Các thành phần ứng suất cắt đƣợc chính xác hóa bằng phƣơng trình cân bằng của lý thuyết đàn hồi ba chiều. - Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số kết cấu, tải trọng, vật liệu, điều kiện liên kết,... đến trạng thái ứng suất-biến dạng của vỏ trụ composite lớp. Trên cơ sở đó đề xuất các khuyến nghị có ý nghĩa khoa học phục vụ trong thiết kế, chế tạo, khai thác, sửa chữa đối với kết cấu loại này trong thực tiễn và trong kỹ thuật. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu - Về kế cấu: Vỏ trụ composite lớp với các điều kiện liên kết khác nhau; - Về tải trọng: Vỏ trụ chịu áp suất trong phân bố đối xứng với điều kiện nhiệt độ ổn định theo thời gian. Phạm vi nghiên cứu: Xác định trạng thái ứng suất, biến dạng cho vỏ composite lớp chịu tác dụng của áp suất trong và nhiệt độ trên cơ sở biến dạng trƣợt bậc cao kiểu Quasi-3D trong điều kiện vỏ làm việc trong giới hạn đàn hồi tuyến tính. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp giải tích để giải bài toán biên, kết hợp tính toán, phân tích số và so sánh với các kết quả đã công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín trong nƣớc và trên thế giới. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Luận án xây dựng đƣợc hệ phƣơng trình và chƣơng trình tính toán trên máy tính đảm bảo độ tin cậy để nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng của vỏ trụ composite lớp chịu tác dụng của tải trọng cơ-nhiệt trên cơ sở lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao với các điều kiện liên kết khác nhau. Các thành phần
4 ứng suất cắt đƣợc hiệu chỉnh lại dựa trên lý thuyết đàn hồi ba chiều. Lý thuyết và chƣơng trình tính toán có thể đƣợc sử dụng trong nghiên cứu, phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng của kết cấu có dạng hình trụ nhƣ: thân vỏ máy bay, tên lửa, vỏ động cơ, vỏ bình tích áp, đƣờng ống dẫn cáo áp chất lòng hoặc khí, … - Kết quả nghiên cứu lý thuyết và tính toán số đã chỉ ra có sự gia tăng ứng suất tại khu vực mà trạng thái ứng suất, biến dạng bị suy biến, nhƣ tại khu vực biên ngàm chặt, khu vực đặt tải tập trung, … Đồng thời, nghiên cứu cũng chỉ ra giá trị lớn không thể bỏ qua của ứng suất ngang theo phƣơng pháp tuyến tại những vùng đó. Đây là kết quả nghiên cứu có giá trị cả về lý thuyết lẫn ứng dụng thực tế, có ý nghĩa quan trọng trong tính toán, thiết kế, khai thác các kết cấu dạng vỏ trụ composite lớp. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở làm căn cứ khoa học để tính toán, thiết kế chế tạo các vỏ trụ composite lớp sử dụng trong các ngành khoa học kỹ thuật nhƣ: kỹ thuật hàng không vũ trụ, kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật năng lƣợng, kỹ thuật giao thông, thủy lợi, hóa học, y tế,.... 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bao gồm 4 chƣơng, cụ thể là: - Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về vỏ composite lớp, các kết quả đạt đƣợc từ các công trình đã công bố trong nƣớc và nƣớc ngoài. Trên cơ sở những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, đề xuất mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. - Chƣơng 2: Nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán vỏ trụ composite lớp dƣới tác dụng của tải trọng cơ-nhiệt theo lý thuyết biến dạng trƣợt bậc cao kiểu quasi-3D. Đề xuất phƣơng pháp giải và kiểm tra độ tin cậy của chƣơng trình tính toán.
5 - Chƣơng 3: Nghiên cứu vùng ứng suất mạnh của vỏ trụ composite lớp với các điều kiện liên kết khác nhau. Từ đó, rút ra nhận xét, kết luận có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn. - Chƣơng 4: Khảo sát ảnh hƣởng của một số thông số kết cấu, tải trọng, vật liệu, điều kiện liên kết,… đến trạng thái ứng suất-biến dạng của vỏ trụ composite lớp. Trên cơ sở đó, đề xuất các khuyến nghị có giá trị khoa học phục vụ thiết kế, chế tạo, khai thác và sửa chữa đối với kết cấu vỏ trụ composite lớp trong kỹ thuật và thực tiễn.