Nghiên cứu hệ tấm hai lớp có đệm đàn hồi chịu tác dụng của bom đạn

Nghiên cứu hệ tấm hai lớp có đệm đàn hồi chịu tác dụng của bom đạn

Bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

Trần Anh Dũng

nghiên cứu hệ tấm hai lớp có lớp đệm

đμn hồi chịu tác dụng của bom đạn

Chuyên ngành : Xây dựng Công trình đặc biệt Mã ngành : 62.58.50.05

Tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật

Hà Nội – 2009

2 TS Nguyễn Xuân Kiều

Phản biện 1: GS.TSKH Đào Huy Bích

Đại học KH tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Cơ học Việt Nam

Phản biện 3: PGS.TS Lê Ngọc Thạch

Đại học Xây dựng Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự ……… ……… …

vào hồi ……… giờ ……… ngày …… tháng …… năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự

- Thư viện Quốc gia

Mở đầu

Tính cấp thiết của đề tài:

Các kết cấu tấm lớp ngày càng được sử dụng rộng rói, nhưng do dạng kết cấu này cũn mới, cú cấu tạo phức tạp, chịu cỏc tải trọng phức tạp, đặc biệt kết cấu tấm sandwich chịu tỏc dụng của súng nổ, nờn cỏc mụ hỡnh và phương phỏp tớnh toỏn đối với nú chưa được hoàn thiện, cỏc đặc tớnh chịu lực của chỳng chưa được nghiờn cứu một cỏch sỏng tỏ Vỡ vậy,

“Nghiờn cứu tấm tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi chịu tỏc dụng của bom đạn” là vấn đề cấp bỏch, cú ý nghĩa khoa học, thực tiễn và được tỏc

giả làm đề tài nghiờn cứu của luận ỏn

Mục đích của luận án

- Nghiờn cứu mụ hỡnh và phương phỏp tớnh hệ tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi chịu tỏc dụng của tải trọng động do bom đạn nổ gõy ra

- Thụng qua nghiờn cứu lý thuyết, nghiờn cứu bằng số trờn mỏy tớnh, thớ nghiệm trong phũng đỏnh giỏ ảnh hưởng của cỏc tham số tớnh toỏn đến sự làm việc của hệ và hiệu quả giảm chấn của lớp đệm đến trạng thỏi chịu lực của hệ tấm Trờn cơ sở kết quả nhận được, kiến nghị về sử dụng hệ tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi vào cụng tỏc thiết kế, xõy dựng cỏc cụng trỡnh phục vụ an ninh quốc phũng và nền kinh tế quốc dõn

Đối t−ợng, phạm vi nghiên cứu của luận án:

- Tớnh toỏn ứng suất, biến dạng (nội lực, chuyển vị) trong kết cấu đàn hồi tuyến tớnh ba lớp (gồm 2 tấm chịu lực và 1 lớp đệm) theo 2 mụ hỡnh: + Mụ hỡnh thay lớp đệm bằng hệ lũ xo;

+ Mụ hỡnh lớp đệm và cỏc lớp chịu lực cựng làm việc đồng thời khi cú

kể đến hiện tượng tỏch, trượt cục bộ giữa lớp đệm và tấm thành phần Tấm cú hỡnh dạng và liờn kết biờn bất kỳ

- Tải trọng tỏc dụng lờn kết cấu là tải trọng động do súng nổ gõy ra

Nội dung luận án

Mở đầu: Trỡnh bày tớnh cấp thiết của đề tài, mục đớch, đối tượng,

phạm vi và phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn

Chương 1: Tổng quan về tải trọng bom đạn tỏc dụng lờn cụng trỡnh

quõn sự và cỏc mụ hỡnh, phương phỏp tớnh tấm nhiều lớp cú lớp đệm đàn hồi

Chương 2: Tớnh toỏn động lực học tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi

theo mụ hỡnh lớp đệm là hệ lũ xo

Chương 3: Tớnh toỏn động lực học tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi

theo mụ hỡnh làm việc đồng thời của cỏc tấm và lớp đệm

Chương 4: Nghiờn cứu phản ứng động của tấm hai lớp cú lớp đệm

đàn hồi bằng thớ nghiệm

Kết luận và kiến nghị: Trỡnh bày cỏc kết quả chớnh, những đúng gúp

mới của luận ỏn và cỏc kiến nghị xuất phỏt từ vấn đề nghiờn cứu

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiờn cứu bằng lý thuyết và nghiờn cứu bằng thực nghiệm Khi nghiờn cứu lý thuyết để tớnh toỏn kết cấu, sử dụng phương phỏp phần tử hữu hạn (PTHH) Phương phỏp thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng cỏc kết quả nghiờn cứu bằng lý thuyết và xột hiệu quả của lớp

đệm đến sự làm việc của hệ

Những đóng góp mới của luận án:

1, Xây dựng các phương trình, thuật toán trên cơ sở phương pháp PTHH và 2 bộ chương trình tương ứng PLATE-2007SPRING, PLATE-

phương pháp: lớp đệm là hệ lò xo đàn hồi có kể đến khối lượng và cản; khi có xét sự làm việc đồng thời của lớp đệm và các tấm thành phần và

có kể đến sự tách, trượt cục bộ giữa các lớp dưới tác dụng của tải trọng

động Khảo sát bằng số trên kết cấu dạng cửa bảo vệ hầm trú ẩn xe tăng dưới tác dụng của tải trọng sóng xung kích đối với các yếu tố ảnh hưởng

đến sự làm việc của kết cấu

2, Các kết quả khảo sát số theo hai phương pháp đã thể hiện và khẳng

định hiệu quả của lớp đệm đàn hồi trong kết cấu tấm hai lớp nói chung

và cửa bảo vệ đường hầm nói riêng làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế

3, Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm hệ tấm hai lớp có lớp đệm đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng xung lực va chạm nhằm kiểm tra mức độ tin cậy của bộ chương trình đã lập PLATE-2007SPRING và xác định hiệu quả của lớp đệm đàn hồi đến sự làm việc của kết cấu tấm

Cấu trúc luận án:

Luận án gồm: Phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận chung được thể hiện trong 163 trang, 22 bảng biểu, 71 đồ thị, hình vẽ

Mở đầu: Trỡnh bày tớnh cấp thiết của đề tài, mục đớch, đối tượng,

phạm vi và phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn

Chương 1: Tổng quan về tải trọng bom đạn tỏc dụng lờn cụng trỡnh

quõn sự và cỏc mụ hỡnh, phương phỏp tớnh tấm nhiều lớp cú lớp đệm đàn hồi

Chương 2: Tớnh toỏn động lực học tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi

theo mụ hỡnh lớp đệm là hệ lũ xo

Chương 3: Tớnh toỏn động lực học tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi

theo mụ hỡnh làm việc đồng thời của cỏc tấm và lớp đệm

Chương 4: Nghiờn cứu phản ứng động của tấm hai lớp cú lớp đệm

đàn hồi bằng thớ nghiệm

Kết luận và kiến nghị: Trỡnh bày cỏc kết quả chớnh, những đúng gúp

mới của luận ỏn và cỏc kiến nghị xuất phỏt từ vấn đề nghiờn cứu

Tài liệu tham khảo và phụ lục

Nội dung chính của luận án

Chương 1: tổng quan về tải trọng bom đạn tác dụng lên công trình quân sự vμ các mô hình, phương pháp

tính tấm nhiều lớp có lớp đệm đμn hồi

Trình bày về một số loại tải trọng bom đạn và phương pháp tính toán, phân tích tình hình nghiên cứu về tấm dạng sandwich của các nhà khoa học trong và ngoài nước Từ nội dung nghiên cứu tổng quan, trờn cơ sở cỏc vấn đề cần được tiếp tục nghiờn cứu và phỏt triển, tỏc giả luận ỏn tập

trung vào vấn đề: Nghiờn cứu hệ tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi chịu

tỏc dụng của bom đạn Theo đú, luận ỏn sẽ tập trung giải quyết cỏc nội

dung chủ yếu sau đõy:

1) Xõy dựng hệ phương trỡnh, thuật toỏn và chương trỡnh tớnh tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi theo mụ hỡnh thay thế lớp đệm bằng hệ lũ xo chịu tỏc dụng của tải trọng động bằng phương phỏp PTHH

2) Xõy dựng hệ phương trỡnh, thuật toỏn và chương trỡnh tớnh tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi theo mụ hỡnh làm việc đồng thời của tấm và lớp đệm, cú kể đến sự tỏch, trượt cục bộ giữa lớp đệm và tấm thành phần chịu tỏc dụng của tải trọng động bằng phương phỏp PTHH

3) Khảo sỏt số trờn kết cấu cụ thể theo dạng cửa bảo vệ hầm trỳ ẩn xe tăng chịu tỏc dụng của tải trọng SXK do bom đạn nổ trong khụng khớ gõy ra Nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc yếu tố đến sự làm việc của kết cấu, đưa ra cỏc kiến nghị phục vụ tớnh toỏn, thiết kế

4) Nghiờn cứu thực nghiệm trờn hệ tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi chịu tỏc dụng của tải trọng xung lực va chạm nhằm kiểm tra độ tin cậy của chương trỡnh tớnh toỏn và hiệu quả của lớp đệm đàn hồi đến tớnh chất chịu lực của hệ tấm hai lớp

Chương 2: tính toán động lực học tấm hai lớp có lớp đệm

2.1 Đặt vấn đề

Việc nghiờn cứu tớnh toỏn kết cấu tấm 2 lớp cú lớp đệm đàn hồi phục vụ cho lĩnh vực cụng nghiệp quốc phũng và kinh tế quốc dõn đó cú một số tỏc giả và tổ chức thực hiện, nhưng do đơn giản hoỏ mụ hỡnh, nờn chưa phản ỏnh sỏt thực khả năng chịu đựng và tớnh chất làm việc của kết cấu Mục đớch chương này nhằm xõy dựng phương phỏp tớnh tấm tấm 2 lớp cú lớp đệm đàn hồi dạng sandwich chịu tải trọng bom đạn theo mụ hỡnh thay thế lớp đệm bằng hệ lũ xo đầy đủ tớnh chất cơ học

2.2 Đặt bài toỏn, cỏc giả thiết và phương phỏp tớnh toỏn

Nghiờn cứu tấm hai lớp cú lớp đệm đàn hồi, chiều dày tấm trờn là

ttrờn, tấm dưới là tdưới, chiều dày lớp đệm là Hc Mụ hỡnh tớnh của bài toỏn đặt ra được xõy dựng trờn cỏc giả thiết sau:

1, Toàn bộ kết cấu đàn hồi, biến dạng tuyến tớnh;

2, Tấm chịu uốn và tuõn thủ định luật Reissner-Mindlin;

3, Lũ xo chỉ làm việc khi chịu kộo hoặc nộn và khi làm việc, trong lũ

xo xuất hiện lực quỏn tớnh và lực cản nhớt

4, Tải trọng tỏc dụng trực giao với mặt phẳng của tấm

5, Khụng tớnh đến ma sỏt giữa cỏc lớp và trong quỏ trỡnh hệ làm việc khụng cú hiện tượng tỏch, trượt giữa lũ xo và tấm

Để tớnh toỏn kết cấu trờn sẽ sử dụng phương phỏp PTHH

2.3 Thuật toán PTHH giải bài toán

2.3.1 Mụ hỡnh PTHH của kết cấu

Kết cấu tấm 2 lớp cú lớp đệm đàn hồi cú dạng như hỡnh 2.3a Mụ hỡnh PTHH cú thể hiện như trờn hỡnh 2.3b, trong đú cỏc tấm trờn và dưới được thay bằng cỏc phần tử tấm chịu uốn 2D, cũn lớp đệm đàn hồi được thay bằng cỏc phần tử lũ xo kộo - nộn (cú độ cứng ksp, hệ số cản csp, cú khối lượng 2msp)

a, Mụ hỡnh thực xuất phỏt b, Mụ hỡnh PTHH

Hỡnh 2.3 Mụ hỡnh bài toỏn

2.3.2 Cỏc phương trỡnh cơ bản [7,29,31,32,33,37,46]

[ ]M{ }U&+[ ]C{ }U& +[ ]K { } { }U = R , (2.1) trong đú: [ ]= ∑[ ]

2.3.3.1 Phần tử tấm chịu uốn đẳng tham số dạng tứ giác[25,37]:

- Quan hệ nội lực – chuyển vị nút:

1

i 4

e

(2.32)

sp sp

e sp

k k

k k

sp sp

e sp

c c

c c

sp

m 0

0 m

H

F E

m

k

=

ω ) (2.42)

2.3.4 Lắp ghép ma trận phần tử vào ma trận chung của toàn hệ: Sử

dụng mảng lưu trữ địa chỉ nút và sơ đồ Skyline ghép nối xác định các ma trận, véc tơ tải tổng thể trong (2.1)

2.3.5 Thuật toán giải phương trình chuyển động của kết cấu

Sử dụng sơ đồ tích phân Newmark Nghiệm của (2.1) tại thời điểm t+Δt:

[ ] { } { }∗

Δ Δ

∗ Ut t = Rt t

K (2.53) trong đó: [ ]K ∗ =[ ]K + a0[ ]M + a1[ ]C

U a U a U a M R

+

+ +

+ +

Δ

là véc tơ tải hiệu quả;

8{ }U &t Δt = a1( {Ut Δt} { }ư Ut )ưa4{ } { }U &t ưa5 U &t

{ }U & t t = a 0( {U t t} { }ư U t )ưa 2{ } { }U & t ưa 3 U & t

Δ

Điều kiện đầu: { } { } { } { } { }( 0 ) { }t

t t t

) 0 ( t t t

) 0 ( t

2.4 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình

Việc kiểm tra tính đúng đắn và mức độ tin cậy của chương trình đã lập, tác giả thực hiện bằng hai con đường:

Một là so sánh với kết quả tính toán với chương trình

PLATE-2007SOLID đã lập tại chương 3;

Hai là so sánh với kết quả thí nghiệm trong nội dung chương 4 và thông

qua 3 dấu hiệu (dấu hiệu 1, 2 và 3) Các kết quả so sánh cho thấy sai số

trong phạm vi chấp nhận được đối với kỹ thuật, nên chương trình 2007SPRING mà tác giả lập là có đủ điều kiện tin cậy

PLATE-2.5 Tính toán bằng số

Khảo sát tấm 2 lớp có lớp đệm đàn hồi chịu áp lực tải trọng ngắn hạn loại SXK p(t) do nổ trong không khí gây ra Giả thiết áp lực phân bố đều theo phương pháp tuyến tấm phía trên, quy luật tải trọng như hình 2.7

t :

0

, t 0 :

t 1 t

F

m

N 196200 cm

kG 2 p , t F p t

Hình 2.7 Hàm thời gian của tải trọng

Hình 2.8 Kết cấu cửa và liên kết trên biên

Liên kết: Bản lề theo dọc cạnh AB, gối tựa dọc cạnh BC và cung AD

Số liệu tính: Tấm trên và dưới bằng thép: Ef = 2,1.1011N/m2, νf = 0,3, ρf = 7,8.103kg/m3, hệ số cản μf = 0,05; ttrên = tdưới = 0,015m, L = 3,5m, B = 2,4m,

L1 = 2,4m, R = 2,757m Lớp đệm cao su ShoreA48: Ec = 2,137.106N/m2, νc

= 0,45, ρc = 0,93.103kg/m3, ξc = 0,06 [71,72] Chiều dày Hc = 0,25m Quy

đổi 99 lò xo, với kc = 649990N/m, 2mc = 17,67kg, cc = 239,64Ns/m

Hình 2.9 Mô hình PTHH của bài toán

Kết quả tính: Hình 2.10 là đồ thị chuyển vị đứng W Đồ thị ứng suất thể hiện trên hình 2.11 và 2.12

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -4000

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Hình 2.12 Đồ thị ứng suất σy

+ TH1: Cửa vật liệu thép, 1 lớp, dày t = ttrên + tdưới = 0,03m

+ TH2: Cửa 2 lớp như ví dụ số mục 2.5, lớp đệm cứng tuyệt đối

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hình 2.13 Đồ thị chuyển vị W Hình 2.14 Đồ thị ứng suất σx- t

-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Hình 2.15 Đồ thị ứng suất σy

Bảng 2.2 Giá trị lớn nhất các đại lượng tính cho 3 trường hợp

Đại lượng Trường hợp tớnh toỏn W max[cm] max

Nhận xét: Tấm hai lớp có lớp đệm đàn hồi có khả năng giảm tải tốt

cho tấm làm việc phía dưới

2.6.2 ảnh hưởng độ cứng lò xo (độ cứng lớp đệm)

Độ cứng kc∈[272527ữ1321271]N/m ⇔ Ec∈[0,896 ữ 4,344].106

N/m2 Kết quả thể hiện như trên hình 2.16, 2.17

x 1052

x 1055000

5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500

Nhận xét: Khi kc tăng (Ec tăng), chuyển vị và ứng suất tại điểm tính thay

đổi giảm - đối với tấm trên và tăng - đối với tấm dưới Vật liệu lớp đệm là cao su thì nên chọn loại ShoreA26, A31, A43, A48 là phù hợp

2.6.3 ảnh hưởng của tỷ số chiều dày tấm trên và dưới

duoi

tren f

t

t

= η

Khảo sát ηf ∈[0,33 ữ1,67] Kết quả thể hiện trên đồ thị hình 2.19, 2.20, 2.21

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Hình 2.19 Quan hệ Wmax – ηf Hình 2.20 Quan hệ σ – ηmaxx f

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000

Hình 2.21 Quan hệ σmaxy – ηf

Nhận xét: Khi tăng ηf, các giá trị lớn nhất của chuyển vị, ứng suất là giảm Nếu vật liệu tấm trên và dưới như nhau, nên chọn ηf ∈[0,50 ữ 1,33]

2.7 Kết luận chương 2

- Xây dựng thuật toán PTHH và bộ chương trình PLATE-2007SPRING

giải bài toán động lực học tấm hai lớp có lớp đệm đàn hồi, trong đó lớp

đệm là hệ lò xo có đầy đủ tính chất cơ học hoặc được thay thế bằng hệ lò

xo tương đương

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, làm cơ sở tính toán tối ưu hoá các kết cấu tấm 2 lớp có lớp đệm đàn hồi nói riêng và kết cấu dạng sandwich nói chung, đưa ra các nhận xét và khuyến cáo có ý nghĩa khoa học, thực tiễn

Chương 3: tính toán động lực học tấm hai lớp có lớp đệm

đàn hồi theo mô hình làm việc đồng thời của các tấm và lớp đệm

3.1 Mở đầu: Mục đích nhằm khắc phục các nhược điểm của mô hình tính

đã sử dụng trong chương 2 để đạt được các kết quả tính toán chính xác hơn, chương này sẽ sử dụng mô hình tính với lớp đệm là vật thể đàn hồi có kể đến

sự làm việc đồng thời của các tấm và lớp đệm cũng như sự tách, trượt cục bộ trên bề mặt tiếp xúc của các lớp và tấm, dưới tác dụng của tải trọng động

3.2 Các giả thiết, mô hình và phương pháp tính:

3.2.1 Mô hình tính của bài toán: Mô hình tính ở đây, ngoài các giả thiết

đối với tấm và tải trọng như ở chương 2, sẽ đưa thêm vào các giả thiết mới:

• Lớp đệm là lớp đàn hồi có ứng xử cơ học như vật thể khối và tiếp xúc liên tục với hai tấm biên

• Lớp đệm và các tấm làm việc đồng thời khi chịu tác dụng của tải trọng

• Kể đến hiện tượng trượt và tách giữa lớp đệm và các tấm biên

3.2.2 Phương pháp tính và các loại PTHH: Để tính toán kết cấu theo

mô hình nói trên, tác giả vẫn sử dụng phương pháp PTHH Các loại phần tử

sử dụng ở đây gồm:

- Đối với tấm biên: Phần tử tấm chịu uốn dạng tứ giác 4 điểm nút đẳng tham số (như trong chương 2)

- Đối với lớp đệm: Phần tử khối lục diện 8 điểm nút đẳng tham số 3D

- Đối với lớp tiếp xúc giữa lớp đệm và tấm: Phần tử tiếp xúc 3D

3.3 Thiết lập các phương trình cơ bản của bài toán bằng PP PTHH

3.3.1 Các quan hệ đối với phần tử khối thuộc lớp đệm cơ bản

Hình 3.3 Phần tử lục diện 8 điểm nút

- Chuyển vị nút: { }e [ ]N{ }q e

w v

2

1 j

2

1

T i

2 1 j

2 1 k

z i

y i

x i

g N

g N

g N

Hình 3.4 Phần tử tiếp xúc 3 chiều (3D)

- Chuyển vị ở một điểm bất kỳ trong phần tử [57,63,65,78]:

{ }ui =[ ]Bi { }qi (3.30) với { }ui - véc tơ chuyển vị thành phần, { }qi - véc tơ chuyển vị nút

i

i

h 0 0

0 h 0

0 0 h

k 0 0

0 k

0

0 0 k

k (3.36)

ksx và ksy - độ cứng tiếp tuyến, knz - độ cứng pháp tuyến theo phương z

- Quan hệ số gia ứng suất và số gia biến dạng:

γ Δ

τ Δ

σ Δ

zy zx z

γ Δ

ε Δ

(3.38)

8 8

8 1

1 1

se u v w u v w