Tính Toán Hình Dáng và Độ Dày Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng Dưới Tác Động Áp Lực

Luận văn thạc sĩ phân tích hình dáng và độ dày vỏ bồn chứa chất lỏng dưới áp lực và trọng lượng, cung cấp giải pháp tối ưu cho thiết kế.

• Tác giả: Phạm Quốc Hoàn
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Khắc Bảy
• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Máy Và Thiết Bị Cơ Giới Hóa Nông Lâm Nghiệp
• Đề tài: Tính Toán Hình Dáng Và Độ Dày Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng Dưới Áp Lực
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Các nghiên cứu về lý thuyết
• 1.2. Đặt bài toán
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Các bước thực hiện của nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng - Phạm vi nghiên cứu - Khả năng ứng dụng
• 1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5.3. Khả năng ứng dụng
• 1.6. Nội dung trình bày của luận văn
• 1.7. Các kết quả đạt được của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
• 2.1. Các hệ thức cơ bản của lý thuyết đàn hồi
• 2.2. Các hệ thức cơ bản về lý thuyết màng của vỏ tròn xoay
• 2.2.1. Định nghĩa và các ký hiệu
• 3. CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT ĐỀU CỦA VỎ BỒN ĐỰNG CHẤT LỎNG CÓ DẠNG VỎ TRÒN XOAY
• 3.1. Trạng thái ứng suất đều của vỏ tròn xoay chịu áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân
• 3.2. Phương pháp tính toán hình dạng và độ dầy của vỏ tròn xoay có trạng thái ứng suất đều tại mọi điểm, chịu áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân
• 3.3. Tính toán hình dạng và độ dầy vỏ bồn
• 3.4. Tính toán thể tích bồn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI CÁC SỐ LIỆU CỤ THỂ
• 4.1. Công cụ tính toán
• 4.2. Các kết quả tính toán
• 4.2.1. Tính toán với vật liệu bê-tông cốt thép
• 4.2.2. Tính toán với vật liệu composite
• 4.2.3. Nhận xét các kết quả tính toán
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Tính Toán Hình Dáng và Độ Dày Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng

Tính toán hình dáng và độ dày vỏ bồn chứa chất lỏng dưới áp lực là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Bồn chứa chất lỏng có dạng vỏ tròn xoay thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, từ hóa dầu đến thực phẩm. Việc tính toán chính xác giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.

1.1. Các khái niệm cơ bản về bồn chứa chất lỏng

Bồn chứa chất lỏng có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí như hình dạng, vật liệu và áp suất. Hình dạng phổ biến nhất là vỏ tròn xoay, giúp phân bố ứng suất đều và tối ưu hóa vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của việc tính toán độ dày vỏ bồn

Độ dày vỏ bồn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu áp lực và an toàn trong vận hành. Việc tính toán chính xác giúp giảm thiểu rủi ro và tiết kiệm chi phí vật liệu.

II. Vấn đề và Thách thức trong Tính Toán Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng

Tính toán vỏ bồn chứa chất lỏng gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc đảm bảo ứng suất đều và an toàn. Các yếu tố như áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân vỏ bồn cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đến vỏ bồn

Áp lực thủy tĩnh tác động lên bề mặt vỏ bồn, tạo ra ứng suất không đồng đều. Việc tính toán cần đảm bảo rằng ứng suất tại mọi điểm đều nhỏ hơn cường độ cho phép.

2.2. Thách thức trong việc lựa chọn vật liệu

Vật liệu xây dựng bồn chứa cần có khả năng chịu áp lực tốt và độ bền cao. Việc lựa chọn vật liệu không phù hợp có thể dẫn đến hư hỏng và nguy cơ mất an toàn.

III. Phương Pháp Tính Toán Hình Dáng Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng

Có nhiều phương pháp để tính toán hình dáng và độ dày vỏ bồn chứa chất lỏng. Các phương pháp này thường dựa trên lý thuyết đàn hồi và các mô hình toán học phức tạp.

3.1. Phương pháp lý thuyết đàn hồi

Lý thuyết đàn hồi cung cấp các công thức cơ bản để tính toán ứng suất và biến dạng trong vỏ bồn. Các phương trình này giúp xác định hình dạng tối ưu cho vỏ bồn.

3.2. Sử dụng phần mềm mô phỏng

Phần mềm mô phỏng giúp thực hiện các tính toán phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác. Việc sử dụng phần mềm cũng giúp kiểm tra các kịch bản khác nhau trong thiết kế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu về tính toán hình dáng và độ dày vỏ bồn chứa chất lỏng đã được áp dụng trong nhiều dự án thực tế. Những ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ an toàn.

4.1. Các dự án thành công trong ngành công nghiệp

Nhiều dự án bồn chứa chất lỏng đã thành công nhờ vào việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí.

4.2. Đánh giá hiệu quả của các phương pháp tính toán

Các phương pháp tính toán đã được đánh giá và chứng minh hiệu quả trong việc đảm bảo an toàn và tiết kiệm vật liệu. Việc áp dụng các phương pháp này ngày càng trở nên phổ biến.

V. Kết Luận và Tương Lai của Tính Toán Vỏ Bồn Chứa Chất Lỏng

Tính toán hình dáng và độ dày vỏ bồn chứa chất lỏng là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn sẽ tiếp tục mở rộng trong tương lai.

5.1. Xu hướng phát triển trong nghiên cứu

Nghiên cứu về tính toán vỏ bồn sẽ tiếp tục được mở rộng với sự phát triển của công nghệ và vật liệu mới. Điều này hứa hẹn mang lại nhiều giải pháp tối ưu hơn.

5.2. Tương lai của vật liệu composite trong bồn chứa

Vật liệu composite đang trở thành xu hướng mới trong xây dựng bồn chứa. Chúng không chỉ nhẹ mà còn có khả năng chịu áp lực tốt, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Tổng quan nội dung nghiên cứu LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11  Chương 2 : Cơ sở lý thuyết sử dụng trong luận văn  Chương 3 : Trạng thái ứng suất đều của vỏ bồn đựng chất lỏng có dạng vỏ tròn xoay.  Chương 4: Kết quả tính toán với các số liệu cụ thể.  Chương 5 : Kết luận Phần phụ lục là code của chương trình tính trên Visual-Basic.7 Các kết quả đạt được của luận văn Kết quả nghiên cứu của đề tài đã thực hiện được : - Xây dựng mô hình tính toán về hình dạng và độ dầy của vỏ bồn đựng chất lỏng dạng tròn xoay để vỏ có trạng thái ứng suất đều khi chịu áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân. - Xây dựng các phương trình liên hệ giữa các tham số vật liệu, độ dầy vỏ, ứng suất theo hai hướng vĩ tuyến và kinh tuyến bằng nhau và bằng .

- Có thể thay đổi các giá trị của các tham số E ,  ,  B ,  và h0 – ( độ dầy của vỏ tại đỉnh bồn) - trong tính toán. - Viết phần mềm tính toán giúp cho việc lựa chọn các thông số trên phù hợp khi xây dựng bồn chứa chất lỏng, để đảm bảo khi bồn chứa đầy chất lỏng sẽ làm việc trong trạng thái ứng suất đều định trước và có sức chứa theo yêu cầu. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 2.1 Các hệ thức cơ bản của lý thuyết đàn hồi + Phương trình cân bằng ij  K j  0 (2. 1a) xi nếu không kể lực khối : ij 0 (2-1b) xi + Định luật Huc ( phương trình trạng thái) ij  ij  2ij (2- 2) + Hệ thức Cô-si 1  u u j  ij   i   (2- 3) 2  x j xi  + Điều kiện đầu tại t = 0 có : * ui(x1 , x2 , x3 , 0) = ui0  x1 ,x2 ,x3 ,0  (2-4) ui *  vi0 (x1 ,x 2 ,x3 ) t t  0 + Các điều kiện biên   * Trên biên Su cho chuyển vị : u  u b (2-5)  * Trên biên S lực mặt F = Tn hay là ij n j  Fi (2-6) Các phương trình (2-1a) (hoặc (2-1b) ), (2-2) , (2-3) cùng với các điều kiện đầu (2-4) và các điều kiện biên (2-5), (2-6) lập thành một hệ kín xác định 3 thành phần chuyển vị, 6 thành phần biến dạng và 6 thành phần ứng suất.

Việc chứng minh sự tồn tại và duy nhất nghiệm của bài toán trên đã được chứng minh. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Các hệ thức cơ bản về lý thuyết màng của vỏ tròn xoay 2.1 Định nghĩa và các ký hiệu Tương tự như lý thuyết tấm, ta gọi h là chiều dầy của vỏ và luôn coi chiều này là nhỏ hơn nhiều so với các kích thước khác và bán kính cong của vỏ ( ≤ 20 lần). Gọi mặt chia đôi chiều dầy của vỏ là mặt trung bình ( hay là mặt giữa ). Nếu biết hình dạng của mặt trung bình và chiều dầy tại từng điểm của mặt giữa thì ta có thể hoàn toàn xác định được vỏ về mặt hình học Hình 2.

Mặt hình học vỏ Hình 2. Mặt trung bình vỏ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 14 Để phân tích nội lực, ta tách trong vỏ một phân tố vô cùng nhỏ bởi hai cặp mặt phẳng rất gần nhau cùng vuông góc với mặt trung bình của vỏ và chứa các độ cong chính của vỏ. Chọn các trục tọa độ x và y theo phương tiếp tuyến với đường cong chính tại điểm O như trên hình vẽ, còn trục z thì vuông góc với mặt trung bình. Ký hiệu lần lượt bán kính cong chính trong các mặt phẳng xz và yz là Rx và Ry.

Khi tính toán trạng thái biến dạng, ứng suất ở đây dựa theo giả thiết sau  Các đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình của vỏ vẫn còn thẳng và vuông góc với mặt trung bình của vỏ khi chịu uốn và độ dài của chúng không đổi ( giả thiết pháp tuyến thẳng của Kirchhoff )  Thành phần ứng suất pháp theo pháp tuyến với mặt trung bình được bỏ qua. Nếu gọi *x , *y , *xy là các thành phần của biến dạng của mặt giữa thì các thành phần biến dạng sẽ là : x  *x  z. xy (2-7) trong đó x ; y là độ cong mặt giữa của theo các phương x và y , còn xy là độ xoắn của mặt giữa. Các đại lượng này nếu biểu diễn theo các thành phần chuyển dịch theo hệ thức Cô-si sẽ có dạng : 1 u v 1 w *x    1 x 12 y R x 1 v u 2 w *y    2 y 12 x R y 1     v     u  *xy   1    2   (2-8) 2  2 x   2  1 y  1  LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 15 1  u 1 w  1  v 1 w  1 x         1 x  R x 1 x  12  R y 2 y  y 1  v 1 w  1  u 1 w  2 y         2 y  R y 2 y  12  R x 1 x  x 1    v 1 w  1   u 1 w  xy   2   2      2  1 x   2 R y 2 y  2 y   1 R x 12 x  trong đó u , v , w là chuyển dịch của mặt giữa, 1 ; 2 là hệ số nhân biến đổi tọa độ trong biểu thức phần tử đường của mặt giữa theo các hướng x và y. Ký hiệu các thành phần của ten-xơ ứng suất trên các mặt bên của phân tố là : x ,  y , xy  yx , xz , yz.

Khi đó hợp lực của các thành phần ứng suất này trên một đơn vị chiều dài của mặt cắt vuông góc như trên hình sẽ là : h h 2 z  2  z  N x    x 1   dz , N     1   dz  R  y y  R x  h 2  y  h 2 h h  2 z  2  z  Nxy   xy 1   dz , Nyx   yx 1   dz (2-9)  R   R x  h 2  y   h 2 h h  2 z  2  z  Qx   xz 1   dz , Qy   yz 1   dz  R   R x  h 2  y  h 2 Mô men uốn và mô men xoắn trên một đơn vị chiều dài của mặt cắt vuông góc được cho theo biểu thức : LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 16 h h 2  z  2  z  M x    x z 1   dz , M y   y z 1   dz  R   R  h 2  y   h 2 x h h  2 z  2  z  Mxy    xyz 1   dz , M    z 1   dz (2-10)  R  yx yx  R x  h 2  y  h 2 z z Do h rất nhỏ so với Rx và Ry nên các đại lượng , là nhỏ nên Rx Ry cũng như trong tính toán về tấm, ta sẽ bỏ qua đại lượng này và do đó ta sẽ có Nxy = Nyx và h h h 2 2 2 Nx   x dz , N y   y dz Nxy  N yx   xy dz h h h 2 2 2 h h 2 2 Qx   xz dz , Qy   yz dz (2-11) h h 2 2 h h 2 2 Mx   x zdz , M y   y zdz h h 2 2 h h 2 2 Mxy    xyzdz , Myx   yx zdz (2-12) h h 2 2 Với trạng thái biến dạng trên thì theo Húc ta có được các thành phần của ten- xơ ứng suất : 2  x  *y   z  x   y  E  * x  1  2  y  *x   z   y  x  E  * y  (2-13) 1  E xy   *xy  z xy  1  LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 17 Do vậy ta dẫn đến : 2  x *  *y  Eh Nx  1  2 y  *x  Eh * Ny  (2-14) 1  Eh * N xy  xy 1  Mx   D x  y  ; My   D y  x  ; Mxy   M yx   D 1    xy Eh 3 ở đây D  gọi là độ cứng trụ khi uốn 12(1  2 ) Như vậy, với giả thiết khi vỏ chịu uốn các đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình ( mặt giữa) vẫn thẳng góc với mặt trung bình sau khi biến dạng thì các biểu thị hợp lực trên một đơn vị dài Nx , Ny , Nxy và các mô men Mx , My , Mxy là các hàm của sáu đại lượng : ba thành phần biến dạng mặt giữa: *x , *y , *xy , hai đại lượng x ,  y biểu thị độ cong và xy biểu thị độ xoắn của mặt giữa. Trong rất nhiều bài toán khi xác định biến dạng của vỏ, ta có thể bỏ qua ứng suất khi uốn mà chỉ xét đến ứng suất gây ra do biến dạng của mặt giữa. Đó là các bài toán dạng như là bể chứa bằng vỏ mỏng hình cầu chịu áp lực phân bố đều. Bài toán bể chứa bằng vỏ hình trụ chịu áp lực phân bố đều, trong trường hợp này nếu bị ngàm chặt 2 đầu thì cũng chỉ có xảy ra uốn cục bộ.

Trong các trường hợp như vậy chỉ còn 3 đại lượng chưa biết : Nx , Ny , Nxy = Nyx. Ta gọi các lực Nx , Ny , Nxy = Nyx là các lực màng và lý thuyết vỏ dựa trên cơ sở bỏ qua ứng suất khi uốn gọi là lý thuyết màng hay còn gọi là lý thuyết phi mô men.