Luận án tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu dao động của vỏ composite tròn xoay chứa chất lỏng

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm tìm được lời giải số tin cậy bằng phương pháp phần tử liên tục (PTLT) và thực nghiệm về tần số dao động tự do của một số kết cấu vỏ composite tròn xoay có mặt cắt ngang thay đổi: vỏ trụ bậc composite, vỏ nón-trụ composite, vỏ nón-trụ-nón composite, vỏ nón-nón-nón composite chứa các mức chất lỏng khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu dao động của vỏ composite tròn xoay chứa chất lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- Vũ Quốc Hiến NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỨA CHẤT LỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC HÀ NỘI - 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- Vũ Quốc Hiến NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỨA CHẤT LỎNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62510101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. TRẦN ÍCH THỊNH 2. PGS.TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Quốc Hiến 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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hà Nội, ngày….tháng….năm 2017 1. GS.TS. TRẦN ÍCH THỊNH Người cam đoan 2. PGS.TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Vũ Quốc Hiến
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn GS.TS. Trần Ích Thịnh, PGS.TS. Nguyễn Mạnh Cường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại bộ môn. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các giảng viên trong nhóm seminar “Cơ học vật rắn biến dạng” – Đại học Bách khoa Hà nội, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Công nghệ, Đại học Xây dựng, Đại học Kiến trúc, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học thủy lợi, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên, Đại học Công nghiệp Việt trì…đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Thủy sản Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Vật liệu Composite – Đại học Bách khoa Hà nội đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm. Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể các cán bộ, giảng viên Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí nghiệm kiểm soát rung và ồn – Viện Cơ học Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình đo đạc thí nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn các lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp Việt trì và tập thể các cán bộ, giảng viện Khoa Cơ khí đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất, tinh thần để hoàn thành nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận án. NCS. Vũ Quốc Hiến
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 5 1.1. Dao động tự do của vỏ trụ, vỏ trụ bậc composite không và có chứa chất lỏng .............. 8 1.1.1. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ không và có chứa chất lỏng ................. 8 1.1.2. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ bậc không và có chứa chất lỏng ......... 10 1.2. Dao động tự do của vỏ nón, vỏ nón–trụ, nón–trụ-nón, nón–nón-nón composite không và có chứa chất lỏng ............................................................................................................ 10 1.2.1. Các nghiên cứu về dao động của vỏ nón không và có chứa chất lỏng .............. 10 1.2.2. Các nghiên cứu về dao động của vỏ nón–trụ, nón-trụ-nón, nón-nón-nón không và có chứa chất lỏng .................................................................................................... 11 1.3. Nghiên cứu thực nghiệm dao động tự do của vỏ composite không và có chứa chất lỏng ............................................................................................................................................. 13 1.4. Phương pháp PTLT (hoặc ma trận độ cứng động lực) tính dao động tự do của vỏ composite tròn xoay chứa chất lỏng .................................................................................... 14 1.4.1. Các bước giải của phương pháp ........................................................................ 16 1.4.2. Các phương pháp tính ma trận truyền T() ...................................................... 18 1.4.3. Các phương pháp tính tần số dao động ............................................................. 18 1.4.3.1. Phương pháp giải trực tiếp.......................................................................... 19 1.4.3.2. Thuật toán William-Wittrick ........................................................................ 19 1.4.3.3. Phương pháp giải sử dụng đường cong đáp ứng ........................................ 19 1.5. Tổng quan về các nghiên cứu tại Việt Nam ................................................................. 20 1.6. Kết luận chương 1 ........................................................................................................ 21 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 23 NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA KẾT CẤU VỎ TRỤ BẬC COMPOSITE CHỨA VÀ KHÔNG CHỨA CHẤT LỎNG ................................................................................... 23 2.1. Mô hình tính dao động tự do của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ....................... 23 i
2.2. Mô hình vỏ trụ composite chứa chất lỏng .................................................................... 24 2.3. Quan hệ của hằng số vật liệu ........................................................................................ 24 2.4. Quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và nội lực ............................................................... 25 2.4.1. Quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị của vỏ trụ Composite: ........................... 25 2.4.2. Quan hệ giữa nội lực và chuyển vị của vỏ trụ Composite ................................. 25 2.5. Phương trình chuyển động của vỏ trụ Composite chứa chất lỏng ................................ 26 2.6. Phương trình chất lỏng ................................................................................................. 27 2.7. Ma trận độ cứng động lực của vỏ trụ Composite chứa chất lỏng ................................. 29 2.8. Tính toán tần số dao động của vỏ trụ bậc Composite chứa và không chứa chất lỏng.. 34 2.8.1. Mô hình vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng................................................... 34 2.8.2. Điều kiện liên tục của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ............................. 35 2.8.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ................ 35 2.8.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 40 2.8.4.1. Kiểm tra độ tin cậy của kết quả ................................................................... 41 2.8.4.2. Kết quả tính tần số dao động của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ..... 48 2.9. Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 55 CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 57 NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA KẾT CẤU VỎ TRÒN XOAY NÓN–TRỤ, NÓN-TRỤ-NÓN VÀ NÓN-NÓN-NÓN COMPOSITE CHỨA VÀ KHÔNG CHỨA CHẤT LỎNG .................................................................................................................................. 57 3.1. Mô hình tính dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ...................... 57 3.2. Mô hình vỏ nón composite chứa chất lỏng................................................................... 58 3.3. Quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và nội lực ............................................................... 58 3.3.1. Quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị (với R(x)=R1+x.sin): .......................... 58 3.3.2. Quan hệ giữa nội lực và chuyển vị .................................................................... 59 3.4. Phương trình chuyển động của vỏ nón chứa chất lỏng................................................. 59 3.5. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón Composite chứa chất lỏng ............................... 60 3.6. Tính toán tần số dao động của vỏ nón-trụ Composite chứa chất lỏng ......................... 66 3.6.1. Mô hình vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng .................................................. 66 3.6.2. Điều kiện liên tục của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ............................ 66 ii
3.6.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ............... 67 3.6.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 69 3.6.4.1. Kiểm tra độ tin cậy của kết quả ................................................................... 69 3.6.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng riêng vật liệu vỏ và chất lỏng đến dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ........................................................... 73 3.6.5. Nhận xét............................................................................................................. 82 3.7. Tính toán tần số dao động của vỏ nón-trụ-nón Composite chứa chất lỏng .................. 83 3.7.1. Mô hình vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng .......................................... 83 3.7.2. Điều kiện liên tục của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng ..................... 83 3.7.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng ........ 84 3.7.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 86 3.7.5. Nhận xét............................................................................................................. 91 3.8. Tính toán tần số dao động của vỏ nón-nón-nón Composite chứa chất lỏng ................ 93 3.8.1. Mô hình vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng ......................................... 93 3.8.2. Điều kiện liên tục cho vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng ................... 93 3.8.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng ...... 94 3.8.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 95 3.9. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 102 CHƯƠNG 4 ....................................................................................................................... 104 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA KẾT CẤU VỎ TRÒN XOAY NÓN-TRỤ, NÓN-TRỤ-NÓN COMPOSITE CHỨA CHẤT LỎNG ................................................................................................................................ 104 4.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................................................. 104 4.1.1. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm và cơ tính ..................................................... 104 4.1.2. Các loại mẫu thí nghiệm .................................................................................. 105 4.2. Đồ gá mẫu thí nghiệm ................................................................................................ 106 4.3. Thiết bị đo, ghi dữ liệu ............................................................................................... 106 4.4. Quy trình thực hiện thí nghiệm................................................................................... 107 4.5. Kết quả thí nghiệm đo tần số dao động tự do ............................................................. 111 4.5.1. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ composite ..................................... 111 iii
4.5.1.1. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ composite mẫu CT-27............ 111 4.5.1.2. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ composite mẫu CT-14............ 114 4.5.2. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón composite ............................. 117 4.6. Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 119 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 125 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 134 iv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT [A]: Ma trận độ cứng màng [B]: Ma trận độ cứng tương tác màng–uốn-xoắn [C]: Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất–biến dạng của vật liệu dị hướng C: Biên ngàm [D]: Ma trận độ cứng uốn Ei: Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i f: Hệ số hiệu chỉnh cắt F: Biên tự do [F]: Ma trận độ cứng cắt {F}: Véc tơ lực Gij: Mô đun đàn hồi trượt H: Chiều cao mức chất lỏng trong vỏ h: Chiều dày vỏ hk: Chiều dày lớp vật liệu thứ k kx, k, kx: Các thành phần biến dạng uốn và xoắn của vỏ trong hệ tọa độ trụ [K()]: Ma trận độ cứng động lực L: Chiều dài đường sinh vỏ Mx, M, Mx: Các thành phần mô men uốn và xoắn của vỏ N x , N , N x : Các thành phần lực màng của vỏ P: Áp suất chất lỏng PTLT: Phần tử liên tục PTHH: Phần tử hữu hạn Qx, Q: Các thành phần lực cắt của vỏ [Qij]: Ma trận độ cứng thu gọn {Q}m: Véc tơ lực kích thích R: Bán kính vỏ S: Biên tựa v
[T()]: Ma trận truyền u, v, w: Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z u0, v0, w0; Các thành phần chuyển vị tại mặt trung bình của vỏ {U}: Véc tơ chuyển vị {y}m: Véc tơ trạng thái (x,z,θ): Hệ tọa độ trụ (x,y,z): Hệ tọa độ đề các zk, zk-1: Tọa độ biên của lớp thứ k α: Góc nón xz, z: Các thành phần biến dạng cắt của vỏ trong hệ tọa độ trụ x, , x: Các thành phần biến dạng màng của vỏ trong hệ tọa độ trụ (k): Khối lượng riêng của lớp thứ k nước: Khối lượng riêng của nước rượu: Khối lượng riêng của rượu ij: Hệ số poisson của vật liệu theo phương ij x, : Các thành phần góc xoay quanh trục θ và trục x : Hàm thế vận tốc : Tần số dao động tự do : Tần số dao động tự do không thứ nguyên vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Các kết cấu vỏ composite chứa hóa chất của nhà máy hóa chất Việt Trì.. .......... 5 Hình 1. 2. Các kết cấu vỏ ghép nối nón-trụ composite, trụ bậc composite của nhà máy sản xuất Amon Nitrat Thái Bình.. ................................................................................................ 6 Hình 1. 3. Các kết cấu vỏ ghép nối composite được ứng dụng trong hằng không và đóng tàu.. ........................................................................................................................................ 7 Hình 1. 4. Đường cong đáp ứng của kết cấu. ...................................................................... 18 Hình 1. 5. Phương pháp thu nhận đường cong đáp ứng cho vỏ trụ-nón. ........................... 20 Hình 2. 1. Mô hình PTLT tính dao động tự do của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. . 23 Hình 2. 2. Thông số hình học của vỏ trụ composite chứa chất lỏng. .................................. 24 Hình 2. 3. Thông số hình học của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. ........................... 34 Hình 2. 4. Điều kiện liên tục của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. ............................. 35 Hình 2. 5. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. 37 Hình 2. 6. Phương pháp thu nhận đường cong đáp ứng cho vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. ..................................................................................................................................... 39 Hình 2. 7. Đường cong đáp ứng của vỏ trụ bậc composite, chứa đầy chất lỏng, biên ngàm– tự do. .................................................................................................................................... 40 Hình 2. 8. Đồ thị so sánh tần số dao động của vỏ trụ composite chứa chất lỏng giữa kết quả của Xi và phương pháp PTLT....................................................................................... 46 Hình 2. 9. Đồ thị so sánh đường cong đáp ứng của phương pháp PTLT và phương pháp PTHH cho tần số dao động của vỏ trụ composite chứa chất lỏng. ..................................... 47 Hình 2. 10. Ảnh hưởng của mức chất lỏng, điều kiện biên đến tần số dao động tự do của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng........................................................................................ 53 Hình 2. 11. Ảnh hưởng của tỉ lệ kích thước L/R đến tần số dao động tự do, số mode vòng m, số mode dọc n của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. .............................................. 55 Hình 3. 1. Mô hình PTLT tính dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng.. 57 Hình 3. 2. Thông số hình học của vỏn nón composite chứa chất lỏng. ............................... 58 Hình 3. 3. Thông số hình học của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. ........................... 66 Hình 3. 4. Điều kiện liên tục tại mặt cắt ghép nối cho vỏ nón-trụ composite.. ................... 67 Hình 3. 5. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. 67 vii
Hình 3. 6. Phương pháp thu nhận đường cong đáp ứng cho vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. ............................................................................................................................. 68 Hình 3. 7. Mô hình vỏ trụ-nón Composite. .......................................................................... 71 Hình 3. 8. Ảnh hưởng của vật liệu vỏ, kết cấu vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ trụ, nón, nón-trụ composite chứa chất lỏng. ...................................................................................... 79 Hình 3. 9. Ảnh hưởng của điều kiện biên, khối lượng riêng chất lỏng đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. ................................................................. 81 Hình 3. 10. Thông số hình học của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng. ................. 83 Hình 3. 11. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng. ..................................................................................................................................... 84 Hình 3. 12. Phương pháp thu nhận đường cong đáp ứng cho vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng. .................................................................................................................... 85 Hình 3. 13. Đường cong đáp ứng cho vỏ nón-trụ-nón composite chứa đầy chất lỏng. ...... 87 Hình 3. 14. Ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng (α=90). ....................................................................................... 87 Hình 3. 15. Ảnh hưởng của nón phân kì và hội tụ đến tần số dao động tự do của vỏ nón- trụ-nón composite chứa chất lỏng. ...................................................................................... 89 Hình 3. 16. Ảnh hưởng của kích thước vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng (α=90). ....................................................................................... 91 Hình 3. 17. Thông số hình học của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng. ................ 93 Hình 3. 18. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng. ..................................................................................................................................... 94 Hình 3. 19. Đường cong đáp ứng cho vỏ nón-nón-nón composite chứa đầy chất lỏng. ..... 98 Hình 3. 20. Ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động tự do của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng. ................................................................................................. 100 Hình 3. 21. Ảnh hưởng của góc nón α1, α2, α3 đến tần số dao động tự do của vỏ nón-nón- nón composite chứa chất lỏng. .......................................................................................... 101 Hình 4. 1. Thông số kích thước các mẫu thí nghiệm hình nón-trụ, nón-trụ-nón composite. ........................................................................................................................................... 105 Hình 4. 2. Mẫu thí nghiệm hình nón-trụ, nón-trụ-nón composite. .................................... 106 Hình 4. 3. Sơ đồ minh họa các thiết bị đo và các điểm đặt đầu đo trên vỏ. ...................... 107 viii
Hình 4. 4. Đồ thị tín hiệu dao động trong miền tần số của vỏ nón-trụ composite (CT14) khô, so với đường cong đáp ứng của phương pháp PTLT. ............................................... 109 Hình 4. 5. Đồ thị tín hiệu dao động trong miền tần số của vỏ nón- trụ composite (CT14) chứa đầy nước, so với đường cong đáp ứng của phương pháp PTLT. ............................. 110 Hình 4. 6. Đồ thị ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động của vỏ nón-trụ composite (CT27) chứa chất lỏng. .................................................................................... 113 Hình 4. 7. Đồ thị so sánh kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết PTLT của vỏ nón-trụ composite (CT27) chứa chất lỏng. ....................................................................... 113 Hình 4. 8. Đồ thị ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động của vỏ nón-trụ composite (CT14) chứa chất lỏng. .................................................................................... 115 Hình 4. 9. Đồ thị so sánh kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết PTLT của vỏ nón-trụ composite (CT14) chứa chất lỏng. ....................................................................... 115 Hình 4. 10. Đồ thị ảnh hưởng của tỉ lệ kích thước L/R đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. .................................................................................... 116 Hình 4. 11. Đồ thị ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động của vỏ nón-trụ-nón composite (CTC-9) chứa chất lỏng. .................................................................................. 118 Hình 4. 12. Đồ thị so sánh kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết PTLT của vỏ nón-trụ-nón composite (CTC9) chứa chất lỏng. ............................................................... 118 ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. So sánh tần số không thứ nguyên  = ωR(ρ(1-2)/E)1/2 của vỏ trụ kim loại hai bậc, với điều kiện biên ngàm-ngàm. .................................................................................... 42 Bảng 2. 2. So sánh tần số không thứ nguyên  = ωR(ρ(1-2)/E)1/2 của vỏ trụ kim loại hai bậc, với điều kiện biên ngàm-tự do. .................................................................................... 43 Bảng 2. 3. So sánh tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với điều kiện biên ngàm–tự do, mode n=1. ............................................................................................... 44 Bảng 2. 4. So sánh tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với điều kiện biên ngàm–ngàm, mode n=1. .............................................................................................. 45 Bảng 2. 5. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện biên ngàm–tự do, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] 2 ....................................................... 49 Bảng 2. 6. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện biên ngàm–tự do, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] s . ...................................................... 50 Bảng 2. 7. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện biên ngàm–ngàm, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] 2 . ..................................................... 51 Bảng 2. 8. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện biên ngàm–ngàm, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] s . ..................................................... 52 Bảng 3. 1. So sánh tần số   R2  1   2 / E   1/ 2 của vỏ nón-trụ kim loại. ..................... 69 Bảng 3. 2. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11  1/ 2 và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ trụ-nón Composite trực hướng (với =00). ............................ 72 Bảng 3. 3. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11  1/ 2 và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ trụ-nón Composite trực hướng (với =300). .......................... 72 Bảng 3. 4. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11  1/ 2 và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ trụ-nón Composite trực hướng (với =600). .......................... 73 Bảng 3. 5. Thông số của các vật liệu composite.................................................................. 74 Bảng 3. 6. Ảnh hưởng của điều kiện biên, khối lượng riêng, vật liệu vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ trụ composite lớp chứa chất lỏng. .................................................................. 75 Bảng 3. 7. Ảnh hưởng của điều kiện biên, khối lượng riêng, vật liệu vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ nón composite lớp chứa chất lỏng. ................................................................. 76 Bảng 3. 8. Ảnh hưởng của điều kiện biên, khối lượng riêng, vật liệu vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ composite lớp chứa chất lỏng. ........................................................... 77 x
Bảng 3.9. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ nón-trụ-nón composite lớp chứa chất lỏng 86 Bảng 3. 10. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ nón-trụ-nón composite lớp chứa chất lỏng ............................................................................................................................................. 88 Bảng 3. 11. Ảnh hưởng của tỉ lệ kích thước vỏ L/R đến tần số dao động tự do của vỏ nón- trụ-nón composite lớp chứa chất lỏng (α=90). .................................................................... 90 Bảng 3. 12. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11  1/ 2 và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ nón-nón Composite trực hướng. ............................................. 95 Bảng 3. 13. So sánh tần số dao động (Hz) và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ nón-nón-nón Composite trực hướng chứa chất lỏng (n=1, α1=600, α2=450, α3=300, biên ngàm–tự do). ........................................................................................................................ 97 Bảng 3. 14. So sánh tần số dao động (Hz) và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ nón-nón-nón Composite trực hướng chứa chất lỏng (n=1, α1=450, α2=300, α3=150, biên ngàm–tự do). ........................................................................................................................ 99 Bảng 4. 1. Thông số kỹ thuật của các mẫu vật liệu Composite sợi thủy tinh/nền polyester, cấu hình [00/900/00/900]. ................................................................................................... 105 Bảng 4. 2. Danh mục thiết bị và phần mềm đo thí nghiệm................................................ 108 Bảng 4. 3. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ Composite trực hướng (CT- 27) chứa các mức chất lỏng khác nhau ............................................................................. 111 Bảng 4. 4. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ Composite trực hướng (CT- 14) chứa các mức chất lỏng khác nhau ............................................................................. 114 Bảng 4. 5. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ-nón Composite trực hướng (CTC-9) chứa các mức chất lỏng khác nhau. .................................................................... 117 xi
MỞ ĐẦU Các kết cấu dạng vỏ tròn xoay bằng vật liệu composite lớp cốt sợi/nền nhựa hữu cơ như vỏ trụ composite, vỏ nón composite, vỏ trụ nối với vỏ nón hoặc vỏ nón nối với vỏ trụ, vỏ nón nối với vỏ trụ rồi lại nối với vỏ nón composite v.v ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại trên thế giới như: công nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp tàu thủy, công nghiệp điện hạt nhân, công nghiệp xây dựng, công nghiệp cơ khí, hóa chất v.v. Ở Việt Nam, bằng vật liệu composite cốt sợi/nền nhựa hữu cơ, chúng ta đã chế tao và đưa vào sử dụng nhiều vòm che máy bay cỡ nhỏ, nhiều tàu du lịch, tàu hai thân, các tháp chứa nước, bồn chứa hóa chất, bồn chứa dầu, bể nuôi trồng thủy sản, ống dẫn nước đường kính lớn v.v. Có nhiều kết cấu composite nói trên được chế tạo dưới dạng vỏ trụ bậc hoặc vỏ trụ nối với vỏ nón; vỏ nón nối với vỏ trụ và vỏ nón. Các đặc tính dao động của các kết cấu composite nói trên khi chứa chất lỏng bị thay đổi nhiều so với điều kiện làm việc trong không khí. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu định lượng sự thay đổi của tần số và dạng dao động của các kết cấu vỏ composite lớp tròn xoay chứa chất lỏng sẽ có ý nghĩa khoa học và có vai trò quan trọng trong kỹ thuật, cụ thể là trong tính toán, thiết kế tối ưu các kết cấu. Bài toán dao động tự do và cưỡng bức của các kết cấu kim loại đẳng hướng dạng vỏ trụ tròn và vỏ nón tiếp xúc với chất lỏng đã được nghiên cứu từ 50-60 năm nay nhờ các lý thuyết vỏ và các phương pháp tính khác nhau như: phương pháp giải tích, phương pháp số và phương pháp thực nghiệm. Bài toán dao động của các kết cấu composite dạng vỏ tròn xoay tiếp xúc với chất lỏng mới được nghiên cứu gần đây do tính dị hướng cao của các lớp vật liệu gây ra các tương tác cơ học màng-uốn-xoắn trong kết cấu dao động, kéo theo những tương tác phức tạp khác khi tiếp xúc với chất lỏng. Do đó, việc nghiên cứu lựa chọn (hoặc xây dựng) được một lý thuyết phù hợp với kết cấu composite cần tính toán, thiết kế cùng với một phương pháp số có độ tin cậy cao để tìm được lời giải số tin cậy cho bài toán dao động của các kết cấu vỏ composite tròn xoay như: vỏ composite dạng trụ bậc (có độ dày thay đổi), vỏ composite dạng trụ nối với vỏ nón (mặt cắt ngang thay đổi), có chứa các mức chất lỏng khác nhau là rất quan trọng và cần thiết cho các nhà khoa học và các kỹ sư. Xuất phát từ thực tế ứng dụng vật liệu composite cốt sợi/nền polyme ở Việt Nam và từ phân tích các kết quả nghiên cứu hiện có về lĩnh vực dao động của các kết cấu vỏ tròn xoay bằng vật liệu composite lớp, luận án đã đặt vấn đề: “Nghiên cứu dao động của vỏ composite tròn xoay chứa chất lỏng” 1
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: + Tìm được lời giải số tin cậy bằng phương pháp phần tử liên tục (PTLT) và thực nghiệm về tần số dao động tự do của một số kết cấu vỏ composite tròn xoay có mặt cắt ngang thay đổi: vỏ trụ bậc composite, vỏ nón-trụ composite, vỏ nón-trụ-nón composite, vỏ nón-nón-nón composite chứa các mức chất lỏng khác nhau. + Có được sự hiểu biết sâu sắc về ảnh hưởng của chất lỏng, khối lượng riêng của vật liệu vỏ và chất lỏng, kích thước hình học kết cấu vỏ, điều kiện biên đến tần số và dạng dao động của kết cấu composite. Từ đó, có tư duy hợp lý và khoa học trong tính toán, thiết kế các kết cấu vỏ tròn xoay composite lớp cốt sợi/nền nhựa hữu cơ, có chứa chất lỏng. + Nâng cao kỹ năng thực hành qua tiến hành các khâu thiết kế, chế tạo mẫu và thí nghiệm đo tần số dao động riêng của một số mẫu vỏ tròn xoay dạng nón-trụ, nón-trụ-nón composite chứa và không chứa chất lỏng. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đối tượng nghiên cứu: + Vỏ trụ bậc composite chứa và không chứa chất lỏng. + Vỏ nón cụt-trụ (được gọi tắt là vỏ nón-trụ) composite chứa và không chứa chất lỏng. + Vỏ nón cụt-trụ-nón cụt (được gọi tắt là vỏ nón-trụ-nón) composite chứa và không chứa chất lỏng. + Vỏ nón cụt-nón cụt-nón cụt (được gọi tắt là nón-nón-nón) composite chứa và không chứa chất lỏng. + Các mẫu thí nghiệm vỏ nón-trụ, nón-trụ-nón composite sợi thủy tinh/nền polyester không no, chứa nước và không chứa nước. Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu dao động tự do của các kết cấu vỏ trụ bậc, nón-trụ, nón-trụ-nón, nón-nón-nón bằng vật liệu composite, đứng, chứa và không chứa chất lỏng. + Các kết cấu trên làm việc trong giới hạn đàn hồi tuyến tính, trực hướng đúng trục và biến dạng bé. + Sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindlin. + Chất lỏng được giả thiết là không nén được, không nhớt và không có chuyển động xoáy. Vỏ và chất lỏng chứa trong vỏ luôn dao động cùng nhau và áp suất chất lỏng luôn tác dụng theo phương pháp tuyến với mặt tiếp xúc của kết cấu vỏ. Biểu thức tính áp suất chất lỏng 2
cho các mực nước khác nhau được tính theo công thức giải tích cho trường hợp vỏ đầy, và chỉ phụ thuộc vào chuyển vị w tại vị trí đó. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN: Vỏ composite tròn xoay chứa chất lỏng được ứng dụng nhiều trong thực tế kỹ thuật hiện đại như kỹ thuật đóng tàu, dầu khí, xây dựng, kỹ thuật hàng không, chế tạo tên lửa, công nghiệp hạt nhân, kỹ thuật dân dụng… nhưng các nghiên cứu định lượng về dao động của chúng vẫn còn hạn chế. Mặt khác, để thiết kế tối ưu và đảm bảo an toàn cao cho các kết cấu vỏ tròn xoay composite cốt sợi/nền nhựa hữu cơ làm việc trong các môi trường chứa chất lỏng cần phải có các nghiên cứu sâu về độ bền, ổn định và dao động của kết cấu. Do đó việc nghiên cứu đưa ra phương pháp tính toán dao động của các kết cấu vỏ tròn xoay composite có mặt cắt ngang thay đổi chứa chất lỏng là cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: + Nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp phần tử liên tục (PTLT) hay còn gọi là phương pháp ma trận độ cứng động lực dựa trên lý thuyết vỏ bậc nhất của Mindlin. + Phương pháp thực nghiệm: Đo tần số dao động riêng của vỏ nón-trụ, nón-trụ-nón bằng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh/nền nhựa polyester, chứa và không chứa chất lỏng trong phòng thí nghiệm. CÁC KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN: + Xây dựng được thuật toán, lập được các chương trình Matlab bằng phương pháp PTLT có độ tin cậy cao để phân tích dao động tự do của một số kết cấu vỏ tròn xoay composite lớp có mặt cắt ngang thay đổi, với các kích thước, điều kiện biên khác nhau chứa và không chứa chất lỏng. + Đánh giá định lượng được ảnh hưởng của chất lỏng, khối lượng riêng của vật liệu vỏ và khối lượng riêng chất lỏng, kích thước hình học kết cấu vỏ, điều kiện biên đến tần số và dạng dao động của kết cấu vỏ tròn xoay composite chứa chất lỏng. Từ đó có thể tính toán, thiết kế tối ưu và đảm bảo an toàn cao cho các kết cấu vỏ composite cốt sợi/nền nhựa hữu cơ làm việc trong các môi trường chất lỏng để tránh cộng hưởng, rung động. + Thiết kế, chế tạo mẫu thí nghiệm và đo được bộ số liệu thực nghiệm về tần số dao động riêng của vỏ nón-trụ, nón-trụ-nón bằng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh/nền nhựa polyester, chứa và không chứa chất lỏng. CẤU TRÚC LUẬN ÁN: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Trong chương này, luận án tập trung tìm kiếm và phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước về lý thuyết áp dụng và các phương pháp tính toán dao động của các kết cấu vỏ 3
tròn xoay không và có tương tác với chất lỏng trong những năm gần đây. Từ đó, xác định được nội dung và phương pháp nghiên cứu: tính toán các kết cấu vỏ tròn xoay composite lớp có mặt cắt ngang thay đổi chứa và không chứa chất lỏng. Chương 2: Nghiên cứu dao động tự do của kết cấu vỏ trụ bậc composite chứa và không chứa chất lỏng. Trong chương 2, luận án tập trung vào xây dựng mô hình, thuật toán PTLT dựa trên lý thuyết vỏ bậc nhất của Reissner- Mindlin và chương trình tính trong môi trường Matlab để xác định tần số dao động tự do của vỏ trụ bậc composite lớp chứa và không chứa chất lỏng. Chương 3: Nghiên cứu dao động tự do của kết cấu vỏ tròn xoay nón-trụ, nón-trụ-nón và nón-nón-nón composite chứa và không chứa chất lỏng. Chương 3 của luận án trình bày mô hình, thuật toán PTLT dựa trên lý thuyết vỏ bậc nhất của Reissner- Mindlin và các chương trình tính trong môi trường Matlab để xác định tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ, nón-trụ-nón, nón-nón-nón composite chứa và không chứa chất lỏng. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm dao động tự do của kết cấu vỏ tròn xoay nón-trụ, nón- trụ-nón composite chứa và không chứa chất lỏng. Trong chương 4, luận án giới thiệu chi tiết qui trình và các kết quả đo tần số dao động tự do của một số mẫu thí nghiệm dạng nón-trụ, nón-trụ-nón được chế tạo từ vật liệu composite sợi thủy tinh/nhựa polyester không no, chứa các mức nước khác nhau. Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án, hướng nghiên cứu phát triển của luận án. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Vỏ tròn xoay được sử dụng nhiều trong thực tế kỹ thuật hiện đại, đặc biệt là các dạng vỏ tròn xoay ghép nối. Chúng được dùng nhiều trong các ngành như cơ khí sản xuất hóa chất, hàng không, vũ trụ, đại dương, năng lượng hạt nhân…Vì vậy nghiên cứu về ứng xử động lực học của các kết cấu vỏ tròn xoay là rất cần thiết trong thực tế kỹ thuật. Một số hình ảnh về vỏ nón cụt, trụ, vỏ ghép nối nón-trụ, nón-trụ-nón … được ứng dụng trong công nghiệp: Hình 1. 1. Các kết cấu vỏ composite chứa hóa chất của nhà máy hóa chất Việt Trì.. 5