Nghiên Cứu Dao Động Tự Do Của Kết Cấu Composite Chứa Và Không Chứa Chất Lỏng

• Tác giả: Vũ Quốc Hiến
• Người hướng dẫn: GS. Trần Ích Thịnh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Dao Động Tự Do Của Kết Cấu Composite Chứa Và Không Chứa Chất Lỏng
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA KẾT CẤU VỎ TRỤ BẬC COMPOSITE CHỨA VÀ KHÔNG CHỨA CHẤT LỎNG
• 3. 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
• 4. CHƯƠNG 4: 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
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Dao Động Kết Cấu Composite Chứa Chất Lỏng

Nghiên cứu dao động tự do của kết cấu composite chứa chất lỏng là một lĩnh vực quan trọng, đặc biệt khi các kết cấu này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Các kết cấu dạng vỏ tròn xoay như vỏ trụ, vỏ nón, và các biến thể kết hợp của chúng, được chế tạo từ vật liệu composite, thể hiện những đặc tính cơ học phức tạp khi tương tác với chất lỏng. Việc hiểu rõ tần số dao động riêng và dạng dao động của các kết cấu này là yếu tố then chốt trong thiết kế và đảm bảo an toàn. Bài toán này đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết vỏ, phương pháp số, và thực nghiệm để đưa ra những đánh giá chính xác. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào kết cấu kim loại đẳng hướng, trong khi kết cấu composite với tính dị hướng cao đặt ra những thách thức mới. Luận án này tập trung vào việc giải quyết những thách thức đó, cung cấp các giải pháp tin cậy cho bài toán dao động tự do của kết cấu composite chứa chất lỏng.

1.1. Ứng Dụng Thực Tế Kết Cấu Composite Chứa Chất Lỏng

Các kết cấu composite chứa chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp hàng không vũ trụ đến công nghiệp tàu thủy và xây dựng. Tại Việt Nam, chúng ta đã thấy sự xuất hiện của vòm che máy bay, tàu du lịch, tháp chứa nước, bồn chứa hóa chất, và ống dẫn nước đường kính lớn được chế tạo từ vật liệu composite. Các kết cấu này thường có dạng vỏ trụ bậc hoặc vỏ trụ nối với vỏ nón, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về ứng xử động lực học của chúng khi chứa chất lỏng. Sự thay đổi về tần số dao động riêng và dạng dao động do ảnh hưởng của chất lỏng là yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế.

1.2. Thách Thức Nghiên Cứu Dao Động Kết Cấu Composite

Nghiên cứu dao động của kết cấu composite chứa chất lỏng đối mặt với nhiều thách thức do tính chất phức tạp của vật liệu và sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng. Tính dị hướng của vật liệu composite gây ra các tương tác cơ học màng-uốn-xoắn, làm phức tạp thêm bài toán phân tích modal. Việc lựa chọn lý thuyết phù hợp và phương pháp số có độ tin cậy cao là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào kết cấu kim loại đẳng hướng, trong khi kết cấu composite đòi hỏi những phương pháp tiếp cận riêng biệt. Luận án này tập trung vào việc xây dựng và kiểm chứng các phương pháp số để giải quyết bài toán dao động tự do của kết cấu composite.

II. Phương Pháp PTLT Tính Dao Động Vỏ Composite Chứa Chất Lỏng

Phương pháp phần tử liên tục (PTLT) là một công cụ mạnh mẽ để tính dao động tự do của vỏ composite chứa chất lỏng. Phương pháp này cho phép mô hình hóa các kết cấu phức tạp với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống. PTLT dựa trên việc chia kết cấu thành các phần tử nhỏ, sau đó thiết lập các phương trình chuyển động cho từng phần tử. Các phương trình này được kết hợp lại để tạo thành một hệ phương trình tổng thể, có thể giải bằng các phương pháp số. Ưu điểm của PTLT là khả năng xử lý các điều kiện biên phức tạp và các hình dạng kết cấu khác nhau. Phương pháp này cũng cho phép mô hình hóa sự tương tác chất lỏng - kết cấu một cách hiệu quả, bằng cách kết hợp các phương trình chuyển động của chất lỏng và kết cấu.

2.1. Các Bước Giải Bài Toán Dao Động Bằng PTLT

Quá trình giải bài toán dao động bằng phương pháp PTLT bao gồm nhiều bước. Đầu tiên, cần xây dựng mô hình hình học của kết cấu và chia nó thành các phần tử liên tục. Tiếp theo, cần xác định các tính chất vật liệu của composite và chất lỏng. Sau đó, thiết lập các phương trình chuyển động cho từng phần tử, bao gồm cả sự tương tác chất lỏng - kết cấu. Các phương trình này được kết hợp lại để tạo thành một hệ phương trình tổng thể. Cuối cùng, hệ phương trình này được giải bằng các phương pháp số để tìm ra tần số dao động riêng và dạng dao động của kết cấu. Việc kiểm tra độ tin cậy của kết quả là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của phương pháp.

2.2. Tính Ma Trận Truyền và Tần Số Dao Động

Trong phương pháp PTLT, việc tính toán ma trận truyền và tần số dao động là các bước quan trọng. Ma trận truyền mô tả mối quan hệ giữa các biến trạng thái (chuyển vị, lực) tại hai đầu của một phần tử. Việc tính toán ma trận truyền đòi hỏi việc giải các phương trình vi phân mô tả chuyển động của phần tử. Tần số dao động có thể được tìm thấy bằng cách giải bài toán giá trị riêng, sử dụng ma trận độ cứng động lực của kết cấu. Các phương pháp giải trực tiếp, thuật toán William-Wittrick, và phương pháp sử dụng đường cong đáp ứng là những kỹ thuật phổ biến để tìm ra tần số dao động.

III. Nghiên Cứu Dao Động Vỏ Trụ Bậc Composite Chứa Chất Lỏng

Nghiên cứu dao động tự do của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng là một phần quan trọng của luận án. Vỏ trụ bậc là loại kết cấu có độ dày thay đổi theo chiều dài, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu lực cao và trọng lượng nhẹ. Việc chứa chất lỏng làm thay đổi đáng kể tần số dao động riêng và dạng dao động của vỏ trụ. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình tính toán chính xác, sử dụng phương pháp PTLT, để phân tích ứng xử động lực học của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng. Các yếu tố như điều kiện biên, mức chất lỏng, và tính chất vật liệu của composite được xem xét để đánh giá ảnh hưởng của chất lỏng đến dao động của kết cấu.

3.1. Mô Hình Tính Dao Động Vỏ Trụ Bậc Composite

Mô hình tính dao động của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng bao gồm việc xác định các thông số hình học, tính chất vật liệu, và điều kiện biên. Mô hình này dựa trên lý thuyết vỏ và phương pháp PTLT. Các phương trình chuyển động của vỏ trụ và chất lỏng được thiết lập, sau đó kết hợp lại để tạo thành một hệ phương trình tổng thể. Việc mô hình hóa sự tương tác chất lỏng - kết cấu là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Mô hình này cho phép phân tích tần số dao động riêng và dạng dao động của vỏ trụ bậc composite dưới tác động của chất lỏng.

3.2. Kết Quả Tính Toán và Thảo Luận

Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng của chất lỏng đến tần số dao động của vỏ trụ bậc composite là đáng kể. Tần số dao động giảm khi mức chất lỏng tăng lên. Điều kiện biên cũng có ảnh hưởng lớn đến tần số dao động. So sánh kết quả tính toán với các nghiên cứu trước đây cho thấy sự phù hợp tốt, chứng minh tính tin cậy của phương pháp PTLT. Nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng cho việc thiết kế và tối ưu hóa vỏ trụ bậc composite trong các ứng dụng thực tế.

IV. Dao Động Vỏ Tròn Xoay Nón Trụ Composite Chứa Chất Lỏng

Nghiên cứu dao động tự do của vỏ tròn xoay nón-trụ composite chứa chất lỏng là một phần quan trọng khác của luận án. Vỏ nón-trụ là loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như bồn chứa, ống dẫn, và các thành phần cấu trúc trong ngành hàng không vũ trụ. Việc chứa chất lỏng làm thay đổi đáng kể tần số dao động riêng và dạng dao động của vỏ nón-trụ. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình tính toán chính xác, sử dụng phương pháp PTLT, để phân tích ứng xử động lực học của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. Các yếu tố như góc nón, điều kiện biên, mức chất lỏng, và tính chất vật liệu của composite được xem xét để đánh giá ảnh hưởng của chất lỏng đến dao động của kết cấu.

4.1. Mô Hình Tính Dao Động Vỏ Nón Trụ Composite

Mô hình tính dao động của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng bao gồm việc xác định các thông số hình học, tính chất vật liệu, và điều kiện biên. Mô hình này dựa trên lý thuyết vỏ và phương pháp PTLT. Các phương trình chuyển động của vỏ nón-trụ và chất lỏng được thiết lập, sau đó kết hợp lại để tạo thành một hệ phương trình tổng thể. Việc mô hình hóa sự tương tác chất lỏng - kết cấu là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Mô hình này cho phép phân tích tần số dao động riêng và dạng dao động của vỏ nón-trụ composite dưới tác động của chất lỏng.

4.2. Ảnh Hưởng của Vật Liệu và Hình Dạng Vỏ

Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng của vật liệu vỏ và hình dạng vỏ đến tần số dao động của vỏ nón-trụ composite là đáng kể. Vật liệu composite có độ cứng cao hơn dẫn đến tần số dao động cao hơn. Góc nón cũng có ảnh hưởng lớn đến tần số dao động. So sánh kết quả tính toán với các nghiên cứu trước đây cho thấy sự phù hợp tốt, chứng minh tính tin cậy của phương pháp PTLT. Nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng cho việc thiết kế và tối ưu hóa vỏ nón-trụ composite trong các ứng dụng thực tế.

V. Thực Nghiệm Xác Định Tần Số Dao Động Vỏ Nón Trụ Composite

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm chứng các kết quả lý thuyết và phương pháp số. Luận án này tiến hành thực nghiệm để xác định tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. Các mẫu thí nghiệm được chế tạo từ vật liệu composite sợi thủy tinh/nền polyester, với cấu hình lớp [0°/90°/0°/90°]. Thí nghiệm được thực hiện với các mức chất lỏng khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của chất lỏng đến tần số dao động. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp PTLT để đánh giá độ tin cậy của phương pháp số.

5.1. Chế Tạo Mẫu Thí Nghiệm và Thiết Bị Đo

Việc chế tạo mẫu thí nghiệm đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác để đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu và hình dạng. Các mẫu vỏ nón-trụ composite được chế tạo bằng phương pháp đắp lớp thủ công. Các thiết bị đo bao gồm cảm biến gia tốc, bộ thu thập dữ liệu, và phần mềm phân tích tín hiệu. Quy trình thí nghiệm được thiết kế để giảm thiểu sai số và đảm bảo tính lặp lại của kết quả.

5.2. Kết Quả Thí Nghiệm và So Sánh với Lý Thuyết

Kết quả thí nghiệm cho thấy tần số dao động của vỏ nón-trụ composite giảm khi mức chất lỏng tăng lên, phù hợp với kết quả lý thuyết. So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán bằng phương pháp PTLT cho thấy sự phù hợp tốt, chứng minh tính tin cậy của phương pháp số. Sự khác biệt giữa kết quả thí nghiệm và lý thuyết có thể do sai số trong quá trình chế tạo mẫu và đo đạc. Nghiên cứu này cung cấp những dữ liệu thực nghiệm quan trọng để kiểm chứng và cải tiến các mô hình tính toán.

VI. Kết Luận và Kiến Nghị Nghiên Cứu Dao Động Composite

Luận án đã trình bày một nghiên cứu toàn diện về dao động tự do của kết cấu composite chứa chất lỏng, tập trung vào các loại kết cấu vỏ tròn xoay như vỏ trụ bậc, vỏ nón-trụ, và vỏ nón-trụ-nón. Phương pháp PTLT đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả để phân tích ứng xử động lực học của các kết cấu này. Kết quả nghiên cứu cung cấp những thông tin quan trọng cho việc thiết kế và tối ưu hóa kết cấu composite trong các ứng dụng thực tế. Các kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc xem xét ảnh hưởng của damping, phân tích phi tuyến, và tối ưu hóa kết cấu để giảm rung.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Các kết quả nghiên cứu chính bao gồm việc xây dựng mô hình tính toán chính xác, sử dụng phương pháp PTLT, để phân tích dao động tự do của kết cấu composite chứa chất lỏng. Nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của chất lỏng, vật liệu vỏ, và hình dạng vỏ đến tần số dao động và dạng dao động của kết cấu. Kết quả thực nghiệm đã được sử dụng để kiểm chứng tính tin cậy của phương pháp số.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Kỹ Thuật

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc xem xét ảnh hưởng của damping, phân tích phi tuyến, và tối ưu hóa kết cấu để giảm rung. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại kết cấu composite khác, như kết cấu tấm và kết cấu dầm. Các ứng dụng kỹ thuật của nghiên cứu bao gồm việc thiết kế bồn chứa, ống dẫn, và các thành phần cấu trúc trong ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp tàu thủy, và xây dựng.