CHƯƠNG 1 TÓNG QUAN VỀ VÁN ĐÈ 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 đương, 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. Các kết cấu vỏ comjposite chứa hóa chất của nhà máy hóa chất Việt Trì. Các kết cau vỏ ghép nối nón-trụ composite, trụ bậc composife của nhà máy sản xuất Amon Nitrat Thdi Binh. Các kết cấu vỏ ghép nối composite được ứng dụng trong hàng không và đóng tàu.
Trong thực tế, các kết cấu vỏ tròn xoay thường được sử dụng nhiều trong các môi trường có tương tác với các chất lỏng như thiết bị chứa, thiết bị trộn — khuấy, tháp hấp thụ, tháp chưng cắt, thiết bị phản ứng, thiết bị nhiệt, silo, đường ống, kết cấu tầu ngầm. Trong môi trường làm việc như vậy thì kết cấu vỏ được làm bằng vật liệu composite 1a rất cần thiết, vì nó đảm bảo được đầy đủ các yêu cầu về vật liệu là bền, nhẹ, chống ăn mòn và dễ dàng gia công thành những kết cầu có hình dạng phức tạp. Chính vì vậy trong công nghiệp hiện đại như đóng tàu, hóa dầu, tên lửa, hạt nhân, máy bay.đã được ứng dụng nhiều bằng các kết câu vật liệu composite. Trong chương này, luận án sẽ trình bày tổng quan về các nghiên cứu động lực học của kết cấu vỏ tròn xoay nói chung và vỏ composite nói riêng không và có chứa chat lỏng.
Phân tích các công trình khoa học đã công bố của các tác giả trong và ngoài nước về các phương pháp tính toán, lý thuyết, mô hình sử dụng đối với từng đối tượng nghiên cứu và kết quả đạt được. Từ các phân tích này và nhu cầu thực tiễn, tác giả đã chọn đề tài và nội dung, phương pháp nghiên cứu cho luận án. Dao động tự do của vỏ trụ, vỏ trụ bậc composite không và có chứa chất lỏng Như chúng ta đã biết, việc nghiên cứu dao động tự do của các kết cấu là rất quan trọng và cần thiết đề tránh cộng hưởng, cách âm, giảm ồn. Vì vậy, dao động của vỏ không và có tương tác với chất lỏng đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây.
Từ đó ứng dụng để tính toán cho các kết cấu trong công nghiệp hiện đại như hóa nổ, hàng không, vũ trụ, đóng tàu. Do đó, các phương trình lý thuyết vỏ đã được phát triển vào cuối thế kỷ 20 với nhiều lý thuyết vỏ khác nhau. Phương trình của vỏ composite lớp được nhóm nghiên cứu người Nga nghiên cứu vào nửa cuối thế ký 20, các nghiên cứu dựa trên lý thuyết vỏ đàn hồi 3D. Từ lý thuyết vỏ đàn hồi 3D, với các giả định cần thiết để đơn giản các phương trình, áp dụng cho các lý thuyết dạng dầm, tắm và vỏ khác được phát triển sau đó.
Chính vì vậy, đã có nhiều các nghiên cứu tính toán dao dộng của các kết cầu vỏ tròn xoay dựa trên các lý thuyết vỏ và các phương pháp tính toán khác nhau được tác giá tìm hiểu và phân tích dưới đây. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ không và có chứa chất lỏng Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ bằng kim loại hoặc composite, chứa và không chứa chất lỏng đã được công bố: Brennemean và Yang [33-1992] đã kết hợp phương pháp ma trận độ cứng động lực và mô hình phần tử hữu hạn ghép nối để tính toán động lực học kết cấu vỏ kim loại, chứa chất lỏng. Han và Liu [101-1994] đã phân tích dao động của bình trụ kim loại có chiều dày thay đổi, chứa một phần chất lỏng, dựa trên lý thuyết vỏ mỏng của Flũgge°s và phương pháp ma trận truyền. Amabili [82-1996] đã phân tích dao động tự do của vỏ trụ kim loại tựa đơn giản, chứa một phần chất lỏng, bằng lý thuyết vỏ cô điển và phương pháp Ritz.
Cho [66-2002] cùng các cộng sự đã phát triển mô hình phan tử hữu hạn tính dao động tự do cho cấu trúc vỏ đàn hồi với vách ngăn ngang; nghiên cứu có tính đến ảnh hưởng của mức chất lỏng, số vách ngăn. đến tần số dao động của kết cấu. Các nghiên cứu đều nhận thấy tần số dao động tự do của kết cầu giảm khi chứa chất lỏng, hoặc khi lắp thêm các kết cấu đáy, nắp và vách ngăn. Từ kết quả số, nghiên cứu đã đề cập tính toán an toàn cho các kết cấu chứa chất lỏng khi chịu động đất hoặc va đập.
Kim [74-2002], Shekari [90-2009], [91-2010] và các cộng sự đã phát triển xây dựng mô hình ghép nối cho vỏ kim loại chứa chất lỏng, trong đó phần tử hữu hạn được sử dụng cho mô hình vỏ, phần tử biên được sử dụng cho mô hình chất lỏng; sau đó tương tác giữa kết cấu và chất lỏng được tính toán thông qua áp suất chất lỏng; nghiên cứu có xét đến ảnh hưởng của cả chất lỏng động. Amiri [84-2012] cùng các cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của nắp bình đến đặc trưng động lực học của các bình chứa chất lỏng, bằng cách so sánh kết quả động lực học của các bình có nắp và các bình không có nắp; họ nghiên cứu với các tỉ lệ mức chất lỏng khác nhau trong bình là H/D = 1, 0,76 và 0,67; kết quả nhận thấy ảnh hưởng của nắp bình là rất đáng kể đến tần số dao động riêng và mode vòng đao động. Lakis và Laveau [21-1991], [22,23,24-1997] đã phân tích dao động phi tuyến của vỏ trụ dị hướng chứa chất lỏng chảy bằng phương pháp giải tích. Cũng bằng phương pháp giải tích, Lakis [88-2000 ] cùng nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng cắt đến dao động tự do của vỏ trụ, đị hướng, hở chứa và không chứa chất lỏng.
Tiếp theo Toorani va Lakis [89-2001] da phan tích động lực học vỏ trụ composite lớp, hở, chứa đầy chất lỏng và chứa chất lỏng chảy dựa trên lý thuyết vỏ chọn lọc; áp suất chất lỏng tương tác lên bề mặt vỏ được xác định dựa vào hàm thế vận tốc và phương trình Bernoulli; ảnh hưởng của biến dang cắt, chiều dày vỏ thay đổi cũng được nghiên cứu. Đến năm 2002 Kochupillai, Ganesan và Padmanabhan [58-2002] đã xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn bán giải tích, dé tính toán ôn định và động lực học của kết cấu vỏ composite tương tác với chất lỏng với các điều kiện biên khác nhau. Áp suất chất lỏng được xác định từ: phương trình sóng, hàm thế vận tốc và phương trình Bernoulli kết hợp với điều kiện tương tác giữa bề mặt chất lỏng với kết cấu. Kết quả đã được kiểm định với các nghiên cứu trước đó về ống tương tác với chất lỏng và cho sự tương đồng cao.
Kadoli và Ganesan [100-2003] đã phân tích ổn định và dao động tu do cla vo composite trụ tròn xoay tương tác với chất lỏng nóng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bán giải tích. Trong đó, các phương trình vỏ sử dụng lý thuyết biến dạng cắt cắt bậc nhất, giả thiết dòng chảy ồn định, nhiệt độ đối xứng trục; ma trận độ cứng được xem xét đến thay đôi nhiệt độ qua vỏ do chất lỏng nóng chảy qua, miền chat lỏng được mô hình bằng các phương trình sóng. Nghiên cứu tính tan số dao động tự do với đòng chảy ổn định của chất lỏng nóng với tỉ lệ bán kính/chiều đài khác nhau, điều kiện biên ngàm hai đầu, ảnh hưởng của nhiệt độ tới vận tốc chảy tới hạn qua vỏ, vận tốc tới hạn của chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh làm mắt Ổn định vỏ, ảnh hưởng của các góc sợi khác nhau đối với ứng xử ồn định và dao động tự do của vỏ composite đã được nghiên cứu và so sánh, tất cả đều cho sự tương đồng cao. Okazaki [70-2002], [71-2007] đã phân tích dao động tự do của vỏ trụ composite lớp chứa chat lỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Yu [79-2007] đã tính toán lý thuyết và kiểm định thực nghiệm cho vỏ trụ composite chứa chất lỏng. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ bậc không và có chứa chất lỏng Warburton và Al-Najafi [50-1969] đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu đặc trưng dao động của vỏ trụ hai bậc. Chang [104-1979] đã trình bày phương pháp Rayleigh-Ritz để tính toán dao động của vỏ trụ phân đoạn. Zhou và Yang [61-1995] đã phát triển phương pháp hàm truyền phân đoạn để tính toán dao động tự do của vỏ trụ bậc.
Zhang và Xiang [80-2007] đã sử dụng kỹ thuật không gian trạng thái đề tính toán dao động tự đo của vỏ trụ bậc với các điều kiện biên khác nhau; các phương trình vỏ sử dụng lý thuyết vo Fliigge; vỏ được chia thành nhiều đoạn ở các vị trí có bề dầy thay đổi, các điều kiện liên tục tại các mặt cắt chia đoạn được xác định bởi các phương trình quan hệ nội lực và chuyển vị. Kết quả nghiên cứu được kiểm định với các kết quả trước, ảnh hưởng tỉ lệ chiều đày vỏ đến tần số dao động cũng được tác giả nghiên cứu. Qu [99-2013] đã phân tich dao động tự do và dao động cưỡng bức của vỏ trụ bậc dùng phương pháp phân miễn, phân đoạn dé tinh toán. Ganesan and Sivadas [72-1990], [93-1990] đã phân tích dao động của vỏ composite trực hướng với chiều dày thay đổi bằng phương pháp giải tích.
Như vậy, theo hiểu biết của tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu nào về dao động của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng bằng phương pháp PTLT. Chính vì vậy trong luận án này tác giả đã nghiên cứu, tính toán dao động tự do của vỏ trụ bậc composite không và có chứa chất lỏng. Đặc biệt hơn nữa, trong nghiên cứu tác giả sử dụng phương pháp PTLT để có thể tính toán linh động hơn, đa dạng hơn các phương pháp số khác (như là có thé tinh toán được nhiều bậc, với nhiều mức chất lỏng khác nhau bằng cách chia thành các phần tử liên tục thích hợp); Mặt khác phương pháp cũng có thể nói là giảm đi được tính phức tạp so với phương pháp giải tích nhờ các điều kiện ghép nối liên tục của các phần tử là khá đơn giản và chính xác. Dao động tự do của vỏ nón, vỏ nón-trụ, nón-trụ-nón, nón- nón-nón composite không và có chứa chất lỏng 1.