XÉT ẢNH HƯỞNG của số lớp,góc NGHIÊNG SỢI,TÍNH TOÁN bền và DAO ĐỘNG CHO bể CHỨA BIOGAS BẰNG vật LIỆU COMPOSITE

Nói đến các phần mềm công nghiệp thiết kế và mô phỏng có: Autocad,SolidWorks, Catia, Pro/Engineer,Ansys, SAP…Việc được tiếp cận với phươngpháp tính toán PTHH và ứng dụng các phần mềm tr

Bộ Giáo Dục và Đào tạo Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

1 Đề Tài: XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LỚP,GÓC NGHIÊNG SỢI,TÍNH

TOÁN BỀN VÀ DAO ĐỘNG CHO BỂ CHỨA BIOGAS BẰNGVẬT LIỆU COMPOSITE

2 Nội dung thuyết minh

 GIỚI THIỆU CHUNG

 MÔ PHỎNG SỐ BỂ BIOGAS COMPOSITE

 ĐƯA RA QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN BỀN KẾT CẤU

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT

Kết quả đánh giá đồ án tốt nghiệp.

LỜI CẢM ƠN

Ngày nay với việc phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử đã giúp choviệc tính toán đạt tốc độ siêu nhanh, cải thiện đáng kể thời gian và có độ chínhxác rất cao.Thậm chí các khâu thử mẫu, thử độ bền, mô phỏng các quá trìnhlàm việc…cũng đều được thực hiện trên các phần mềm công nghiệp trước khiđưa vào sản xuất hàng loạt

Nói đến các phần mềm công nghiệp thiết kế và mô phỏng có: Autocad,SolidWorks, Catia, Pro/Engineer,Ansys, SAP…Việc được tiếp cận với phươngpháp tính toán PTHH và ứng dụng các phần mềm trên dựa trên PP PTHH đểgiải quyết các bài toán kết cấu ở trường ĐH Bách Khoa Hà Nội là một điều hếtsức bổ ích đối với một kĩ sư như em

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong bộ môn

Cơ học vật liệu và kết cấu – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

đặc biệt là T.S Nguyễn Mạnh Cường đã hướng dẫn tận tình, tâm huyết giúp

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Hà nội, ngày 01 tháng 01 năm 2014 Sinh viên

Lê Văn Sơn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I:MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI 9

I.1 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 9

I.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 10

I.3 HƯỚNG GIẢI QUYẾT 10

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG 11

II.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PPPTHH) VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS 11

II.1.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 11

II.1.2 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS 16

II.2 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 21

II.3 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM, GIỚI THIỆU BỂ CHỨA BIOGAS COMPOSITE 25

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ BIOGAS BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE 31

III.2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỂ BIOGAS COMPOSITE THIẾT KẾ .31

III.2.1 MÔ TẢ BỂ BIOGAS COMPOSITE 31

III.2.2 ĐẶC TÍNH KĨ THUẬT 35

III.3 TÍNH TOÁN BỀN BỂ BIOGAS 37

III.3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỂ BIOGAS COMPOSITE BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS 37

III.3.2 MÔ HÌNH HÓA PTHH VÀ CHIA LƯỚI BẰNG ANSYS 38

III.3.3 CÁC BÀI TOÁN KIỂM NGHIỆM 41

KẾT LUẬN CHUNG 63

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khí đốt sinh học (biogas) là loại nhiên liệu đã rất phổ biến vàquen thuộc với tất cả mọi người Đây là công ngh ệ x lý ch t th i chăn nuôi,ử lý chất thải chăn nuôi, ất thải chăn nuôi, ải chăn nuôi,cung c p năng lất thải chăn nuôi, ượng sạch và rẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảong s ch và r ti n cho bà con nông dân, góp ph n b oạch và rẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảo ẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảo ền cho bà con nông dân, góp phần bảo ần bảo ải chăn nuôi,

v s c kh e c ng đ ng và gi m thi u s d ng nguyên li u hoá th ch,ệ ức khỏe cộng động và giảm thiểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, ỏe cộng động và giảm thiểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, ộng động và giảm thiểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, ộng động và giảm thiểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, ải chăn nuôi, ểu sử dụng nguyên liệu hoá thạch, ử lý chất thải chăn nuôi, ụng nguyên liệu hoá thạch, ệ ạch và rẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảo

gi m hi n tải chăn nuôi, ệ ượng sạch và rẻ tiền cho bà con nông dân, góp phần bảong phá r ng và gi m phát th i khí nhà kínhừng và giảm phát thải khí nhà kính ải chăn nuôi, ải chăn nuôi, .

Trước kia các công trình bể khí sinh học biogas được xây bằng gạch,nhưng sau một thời gian triển khai và đưa vào sử dụng loại bể gạch đã bộ lộnhiều khuyết điểm và phải khắc phục khá khó khăn Bên cạnh đó ngành vật liệucomposite đang phát triển mạnh mẽ và được ứng rụng rộng rãi vào tất cả cáclĩnh vực tại Việt Nam Bể biogas composite đã được chế tạo và đưa vào sửdụng để thay thế cho loại bể gạch truyền thống mang lại hiểu quả kinh tế caocho bà con nông dân Tuy nhiên theo khảo sát trên thị trường hiện nay có rấtnhiều mẫu mã bể biogas composite khác nhau và chất lượng cũng ko giốngnhau, cả hàng giả hàng nhái kém chất lượng Một phần vì mục đích kinh doanhthu lợi nhuận, một phần vì không có kĩ thuật chế tạo của các công ty.Với mộtcông trình mang tính quốc gia của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn thìđiều này thật sự đáng báo động

Đến nay, Việt nam chưa có bộ tiêu chuẩn chất lượng Quốc gia về hầm Biogas bằng vật liệu Composite ( chỉ có tiêu chuẩn quốc gia từng loại nguyên, vật liệu).Trong khi tại Việt nam có hàng chục Công ty sản xuất hầm Biogas bằng vật liệu Composite, nhưng hầu như toàn bộ các Công ty đều không công bố tiêu chuẩn chất lượng cơ sở Đồng thời chúng ta cũng chưa

có cơ quan quản lý chất lượng, vì vậy chất lượng hầm biogas bằng vật liệu Composite ở mỗi công ty sản xuất đều khác nhau Chủ yếu họ sản xuất, kinh doanh nhằm thu lợi nhuận mà ít chú ý đến chất lượng Điều đó đã đặt ra yêu cầu thực tế: cần lập ra một quy trình tính toán và kiểm nghiệm tin cậy, từ đó

có thể tiêu chuẩn hóa các thông số kỹ thuật phục vụ cho việc tính toán và chế tạo sau này.

Với những vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp tínhtoán cũng như tiêu chuẩn cho kết cấu bể biogas composite là rất cấp thiết vàquan trọng

I.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Xét ảnh hưởng số lớp và phương sợi đến độ bền của bể biogas bằng vật liệucomposite Đề tài tập trung giải quyết các vấn đền sau:

 Bài toán bền kết cấu bể biogas khi chịu lực tác động từ bên ngoài trongđiều kiện thí nghiệm

 Bài toán bền kết cấu bể biogas khi chịu lực tác động từ bên ngoài trongnền đàn hồi

 Bài toán bền kết cấu bể biogas khi chịu đồng thời lực tác động bên ngoài

và áp lực khí bên trong trong môi trường nề đàn hồi

Từ đó xây dựng một quy trình tính toán, thiết kế, kiểm nghiệm bền vàtính dao động tự do cho bể biogas Trên cơ sở đó ta có thể mở rộng ra để ápdụng cho mọi kết cấu có dạng tấm vỏ khác làm từ mọi loại vật liệu compositekhác nhau

I.3 HƯỚNG GIẢI QUYẾT

Toàn bộ nội dung của đề tài được giải quyết dựa trên lí thyết phần tử hữuhạn (PTHH) với công cụ là phần mềm mô phỏng và tính toán công nghiệpAnsys Multyphysic

Trong nội dung đồ án này, bể biogas composite được mô hình 3D bằngphần mềm SolidWorks rồi xuất file mô hình ra file trung gian *.IGS và nhậpvào Ansys để tính toán

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG

Trong chương này, Đồ án giới thiệu một số nội dung cơ bản về phương pháp Phần tử hữu hạn và phần mềm tính toán công nghiệp ANSYS Ngoài ra, chương I còn giới thiệu khái quát về vật liệu Composite, ứng dụng của vật liệu Composite ở Việt Nam cũng như trên thế giới, giớ thiệu về bể biogas bằng vật liệu composite.

II.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PPPTHH) VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS

II.1.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi những kỹ sư phải thực hiệnnhững công việc, nhiệm vụ và những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền, đòi hỏi

độ chính xác và an toàn cao hơn Vì vậy, thực tế đã đặt ra những phương pháp

để giải quyết các bài toán đó một cách hiệu quả và chính xác nhất Và một trongnhững phương pháp được sử dụng khá phổ biến trên thế giới hiện nay đó là

Phương pháp Phần tử hữu hạn (PP PTHH)

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một

phương pháp gần đúng để giải một số lớp bài toán biên Theo phương phápphần tử hữu hạn, trong cơ học, vật thể được chia thành những phần tử nhỏ cókích thước hữu hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên (gọi

là các điểm nút) Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của bài toán (gọi là các

ẩn số nút) Tải trọng trên các phần tử cũng được đưa về các nút

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát

và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phântích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô

tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toáncủa lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi,khí đàn hồi, điện-từ trường v.v Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin

và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chitiết một cách dễ dàng

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN,ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v

Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xâydựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lýthuyết, kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp

Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn.

Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển

vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.) Ta chia V ra nhiều miền con νe có kíchthước và bậc tự do hữu hạn Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính

trong tập hợp các miền ν e

Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ν e được gọi là phương pháp xấp xỉ bằngcác phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:

- Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ν e chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút

của ν e và biên của nó

- Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ν e được xây dựng sao cho chúng liên tục

trên ν e và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau

- Các miền con ν e được gọi là các phần tử.

Nút hình học

Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các

phần tử ν e có dạng đơn giản hơn Mỗi phần tử ν e cần chọn sao cho nó được xácđịnh giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là

các toạ độ nằm trong ν e hoặc trên biên của nó

Qui tắc chia miền thành các phần tử :

Việc chia miền V thành các phần tử νe phải thoả mãn hai qui tắc sau:

- Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên củachúng Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử Biên giới giữacác phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình I.1)

- Tập hợp tất cả các phần tử ν e phải tạo thành một miền càng gần với miền V

cho trước càng tốt Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử

Hình II.1 Các dạng biên chung giữa các phần tử.

Sơ đồ tính toán bằng PPPTHH

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:

Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả

nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi,

hệ số dẫn nhiệt ), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kếtcủa kết cấu(điều kiện biên)

Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi

Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại

lượng theo yêu cầu

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình I.2)

Hình II.2 Sơ đồ khối của chương trình PTHH.

Đọc dữ liệu đầu vào

- Các thông số cơ học của vật liệu

- Các thông số hình học của kết cấu

- Các thông số điều khiển lưới

- Tải trọng tác dụng

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng

thể Q)

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Áp đặt điều kiện biên (Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm

tra bền, v.v)

In kết quả

- In các kết quả mong muốn

- Vẽ các biểu đồ, đồ thị

II.1.2 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sựphát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phầnmềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí,các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toántuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đatrường vật lý ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụngrộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học Trongtính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềmthiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng,trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và pháhuỷ của chi tiết Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho côngnghệ chế tạo ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiềudạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàndẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chấtlỏng và chất khí …

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữuhạn (Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toánthiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết cáclĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa cácmôi trường, giữa các hệ vật lý

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật đượcgiải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS Tổng quát cấu trúc cơ bản

của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính

(preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor).

Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS cònphải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng chobài tính Trong quá trình này ta cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùngkiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ ), mô hình hoá như thế nào (đốixứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ ), dùng kiểu phần

tử nào (Beam, Shell Plate )

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơntrong việc giải bài toán của mình Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ýtưởng này trong ANSYS ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng(Graphic User Interface, GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tácclick chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Readinput from (ta cũng có thể dùng kết hợp 2 cách này một cách linh hoạt: dùnglệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả, )

Các dòng sản phẩm của Ansys Công ty Ansys đã thiết lập nên một chuẩnmực trong mô phỏng kỹ thuật Công ty ANSYS xây dựng, phát triển, cung cấpphần mềm và hỗ trợ toàn cầu cho các giải pháp mô phỏng kỹ thuật nhằm dựđoán các ứng xử của sản phẩm ở trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế.Công ty ANSYS là công ty hàng đầu trong việc phát triển cả công cụ và côngnghệ CAE (Computer-Aided Engineering).Các giải pháp Ansys giúp doanhnghiệp không chỉ biết được các tính năng hoạt động của sản phẩm mà cả chấtlượng thiết kế của nó

ANSYS được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp:

* Các sản phẩm và quy trình công nghệ chất lượng cao và luôn được đổi mới

* Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm

* Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới

* Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả

ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm

* Chiến lược mô phỏng đón đầu tạo ra một phương pháp hiệu quả để đưa sảnphẩm vào thị trường nhanh hơn và với giá thành thấp hơn

Ansys Multiphysics trước đây, để có được tất cả các khả năng mô phỏng

số (cần thiết cho các bài toán phức tạp và kết hợp nhiều trường vật lý) cần cómột kịch bản rất phức tạp và thường đòi hỏi phải kết hợp nhiều phần mềm khácnhau Phần mềm ANSYS Multiphysics cung cấp một công cụ phân tích đắc lựckết hợp các mô đun: tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD),

âm học, và điện từ trong một sản phẩm tích hợp duy nhất Với gói phần mềmANSYS Multiphysics, người sử dụng sẽ cảm thấy thực sự thoải mái và có đượcmột chuỗi khả năng mô phỏng tuyệt vời của ANSYS

Ví dụ về bài toán tiếp xúc trong ANSYS Multiphysics Trong ví dụ này,dòng và hiệu ứng nhiệt Joule trong một công tắc tiếp xúc được mô phỏng khicông tắc được kích hoạt Các ứng xử cơ học, nhiệt học và dòng được mô phỏngbằng các phần tử trường tương tác trực tiếp

II.1.2.1 ANSYS MULTIPHYSICS

ANSYS Multiphysics tích hợp cả hai phương pháp trực tiếp (phươngpháp ma trận) và phương pháp nối tiếp (phương pháp vectơ tải trọng) để đưa racác kết quả mô phỏng chính xác, đáng tin cậy trong mọi lĩnh vực từ các hệthống làm mát, sản xuất năng lượng, tới công nghệ sinh học và các hệ vi cơđiện tử (MEMS) Phần mềm cũng có khả năng mô phỏng dễ dàng các bài toántương tác giữa các trường vật lý khác nhau: nhiệt – cơ, dòng chảy – kết cấu haytĩnh điện – kết cấu với nhiều thuật giải phong phú mà người dùng có thể lựachọn

Ví dụ về phân tích bài toán trao đổi nhiệt bằng phóng xạ giữa một trụ lăntrên một tấm phẳng bằng thuật toán Đa trường (Multi-field)

II.1.2.2 ANSYS STRUCTURAL

Ansys Structural Bạn đang tìm kiếm một phần mềm tính toán kết cấuđơn thuần mà không cần đến các phân tích tương tác ? Ansys Structural, vớikhả năng mô phỏng hoàn hảo các kết cấu phi tuyến cũng như tuyến tính sẽmang lại cho bạn các kết quả chính xác và đáng tin cậy.Trong Ansys Structural

có đầy đủ các loại phần tử, các mô hình vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, môhình vật liệu không đàn hồi giúp cho phần mềm có thể mô phỏng được các kếtcấu lớn và phức tạp Ngoài ra, phần mềm cũng phân tích được sự tiếp xúc trongcác mối lắp Người sử dụng sẽ hoàn toàn cảm thấy thoải mái và dễ dàng tiếpcận các mô hình vật liệu cũng như lựa chọn các tùy chọn giải tối ưu cho bàitoán qua giao diện đồ họa kiểu cấu trúc cây Các tùy chọn giải cao cấp hơnđược thực hiện qua chức năng tính toán song song.Từ Ansys Structural, người

sử dụng cũng có khả năng nâng cấp lên thành Ansys Mechanical khi cần thiết.Các phân tích tương tác cao cấp hơn nữa như dòng chảy, điện từ chỉ được tínhtoán trong gói phần mềm Ansys Multiphysics

II.1.2.3 ANSYS DESIGNSPACE

Ansys DesignSpace là một gói phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, giúp chocác nhà thiết kế và kỹ sư có thể thực hiện toàn bộ công việc của mình từ việcxây dựng ý tưởng, mô hình hóa, và hiện thực hóa các ý tưởng ngay trên bàn làmviệc Sử dụng công nghệ Knowledge-Based Automation, phần mềm này đượcxây dựng dựa trên những kỹ thuật đặc biệt mạnh mẽ của Ansys, những kỹ thuật

đã được phát triển suốt 32 năm qua

Sử dụng DesignSpace, các nhà thiết kế có thể rút ngắn thời gian cho ramột sản phẩm và tránh được nhiều sai sót Với DesignSpace, các kỹ sư dễ dàngthực hiện các bài tính kết cấu, nhiệt, động lực học, tối ưu hóa khối lượng, tối ưuhóa chức năng, mô phỏng các dao động, tính toán các hệ số an toàn v.v…

DesignSpace hoàn toàn tương thích với các phần mềm CAD mới nhất vàhiện đại nhất hiện nay: Autodesk Inventor, Unigraphics, SolidWorks,Pro/Engineer, và Autodesk Mechanical Desktop Ngoài ra, DesignSpace cũng

có khả năng đọc dữ liệu từ CATIA và các định dạng file thông dụng khác nhưSAT hay Parasolid

Từ các mô hình chỉ gồm một chi tiết hay các mô hình lắp phức tạp, môitrường 3D của DesignSpace mang lại một cái nhìn toàn diện về hệ phần mềm

mô phỏng ảo

Mô phỏng trên DesignSpace được chia làm bốn nhóm, các môđun ngoài,các plug-in CAD và các kết nối động học được thiết kế để đáp ứng các yêu cầucủa những nhóm người sử dụng khác nhau

II.2 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

Hình II.3 Một số ứng dụng của vật liệu composite.

Như chúng ta đã biết vật liệu kim loại đã được sử dụng từ rất lâu, nó được

sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và trong các kết cấu côngnghiệp.Tuy có những ưu điểm nhất định song vật liệu kim loại kim loại vẫn bộc

lộ những hạn chế nhất định như: khối lượng nặng, giá thành khá cao, tốn nhiềuvật liệu,…Vì vậy, ngành công nghiệp sử dụng vật liệu composite đã rất pháttriển dể thay thế một số kết cấu sư dụng vật liệu kim loại Mặc dù composite làvật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hìnhthành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm

toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệucomposite".

Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều

vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu banđầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ Nhìn chung, mỗi vật liệucomposite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liêntục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vậtliệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụliên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăngcường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính,chống mòn, chống xước

Thành phần cốt

Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp

ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil Các nhóm sợikhác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợidứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổnghợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại:thép, đồng, nhôm,

Sợi thuỷ tinh

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), cóđường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhượcđiểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơhọc hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chấtnhư: silic, nhôm, magiê, tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủytinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượngkiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S

(độ bền cơ học cao) Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít(chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.

Sợi hữu cơ

Các loại sợi hữu cơ phổ biến:

Sợi kevlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằngphương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10°C), tiếp theo được kéo ra thành sợitrong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Sợikenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora, có giáthành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường

có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp

Sợi Cacbon

Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thànhcác lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A° Các nguyên tửcacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lụclăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A° Sợi cacbon

có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khảnăng chịu nhiệt cực tốt

Sợi Bor

Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờphương pháp kết tủa Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng:dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống,vải đồng phương

Sợi Cacbua Silic

Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu đượcnhờ kết tủa

Các loại sợi trên được sử dụng vào chế tạo vật liệu Composite dưới dạng: sợingắn phân bố hỗn độn, sợi ngắn dưới dạng lớp Mat, sợi đồng phương, sợi dệtdưới dạng vải 2D, 3D…

Ta thường gặp Composite cốt vải 2D Các kỹ thuật dệt vải truyền thống thườnghay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải

mô đun cao, kiểu dệt đồng phương Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi làkiểu chéo sợi Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết,

và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương

Vật liệu nền

Vật liệu nền polyme nhiệt rắn

Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin,nhựa epoxy

Vật liệu nền polyme nhiệt dẻo

Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựapolypropylen, nhựa polyamit,

Vật liệu nền cacbon

Vật liệu nền kim loại

Vật liệu nền kim loại có modun đàn hồi rất cao có thể lên tới 110 GPa Do đóđòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao Các kim loại được sử dụng nhiều là:nhôm, niken, đồng

Công nghệ composite là công nghệ hiện đại ngày càng sử dụng rộng rãi trongđời sống và trong công nghiệp: nhà, sàn và bệ đỡ tàu thủy, vỏ ô tô, vỏ máy bay,các sản phẩm cơ khí vầ dân dụng…Với ưu điểm nổi bật: kinh tế, dễ chế tạo, dễdàng đạt được những tính chất theo yêu cầu sử dụng, vật liệu composite ngàycàng được sử dụng trong mọi mặt của đời sống, thay thế cho các vật liệu truyềnthống như kim loại, thủy tinh, gỗ…

Một số sản phẩm từ vật liệu composite

 Vỏ động cơ tên lửa

 Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ

 Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite;

 Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễmphèn

 Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất,tấm panell composite;

 Mô hình đồ chơi trẻ em

II.3 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM, GIỚI THIỆU BỂ CHỨA BIOGAS COMPOSITE

II.3.1 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Vật liệu Composite đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong thực

tế Trên thế giới, vật liệu được úng dụng trong rất nhiều ngành như: quân sự,

hàng không – vũ trụ, du lịch, y tế Tính năng của vật liệu Composite đã đượcchứng minh và khẳng định qua rất nhiều những nghiên cứu

Hình II.4 Một số ứng dụng của vật liệu composite trên thế giới.

Vật liệu composite cứng, chắc, nhẹ và chống ăn mòn đã được sử dụngthành công trong các ngành công nghiệp hàng không và ô tô trong vài thập niêngần đây Những vật liệu này hoạt động khác với các vật liệu xây dựng truyềnthống như thép, xi măng và gỗ khối, vì vậy, cần những chiến lược mới để tìm racác cách thức sử dụng composite ở các ứng dụng kỹ thuật dân sự hiệu quả vềmặt chi phí

Ở Việt Nam, vật liệu Composite sử dụng chưa được rộng rãi và nhiều nênvật liệu này còn khá mới mẻ ở Việt Nam Gần đây, vật liệu Composite đã đượcbiết đến nhiều hơn nhờ việc ứng dụng vật liệu này vào ngành xây dựng,đóngtàu, quân sự Composite được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàuthuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano do chi phí đầu tư chế tạo phương tiện bằng vật

liệu này thấp hơn sản phẩm cùng loại sử dụng chất liệu bằng gỗ, nhôm hoặcthép Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng đơn giản hơn

Vật liệu composite sử dụng cho chế tạo bồn bể chứa, mang lại lợi íchcao, không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hưởng của môi trường nước, thời gian sửdụng lâu, không bị thấm, rò gỉ

Hình II.5 Một số ứng dụng của vật liệu composite ở Việt Nam.

II.3.2 GIỚI THIỆU BỂ CHỨA BIOGAS COMPOSITE

Năm 2003 Việt Nam bắt đầu triển khai dự án khí sinh học quốc gia bằngviệc đưa bể biogas vào sử dụng trong các trang trại chăn nuôi để tận dụngnguồn phân, nước thải làm nguyên liệu sản xuất khí sinh học Ban đầu hầu hếtcác mô hình khí sinh học đều được thí điểm bằng việc xây dựng bể biogas bằnggạch, nhưng sau một thời gian sử dụng mô hình này đã bộc lộ nhiều yếu điểmcủa nó như khâu thi công lắp đặt lâu, bể bị thấm gây ô nhiễm, vấn đề dọn rácthải khó khăn… Nắm bắt được vấn đề này, một số công ty đã mạnh dạn đầu tưnghiên cứu sản xuất loại hầm biogas bằng vật liệu composite với các ưu điểmnổi trội so với bể gạch truyền thống, và năm 2008 Ban quản lí dự án khí sinhhọc quốc gia đã kiểm nghiệm và cho phép phổ biến bể biogas bằng vật liệucomposite mang lại lợi ích cho bà con nông dân và môi trường xanh

Hình ảnh bể biogas composite:

Hình I.1 Bể biogas composite

Tính ưu việt của Hầm bể Biogas Composite:

Độ bền vĩnh cửu (Vì hầm bể được thiết kế và làm bằng chất liệu nhựaComposite (Vật liệu mới) gồm sợi thuỷ tinh, sợi cacbon và nhựa nguyên sinhPolyester được nhập khẩu 100% từ nước ngoài như: Mỹ, Nhật, Indonexia,Malaysia, Singapo )

Quá trình sử dụng tiện lợi và đảm bảo vệ sinh tuyệt đối do tính năng bể

sẽ tự động phá váng trên cơ sở tự cần bằng áp suất và sự phân ly về khối lượng riêng, tự động đẩy được bã ra ngoài mà không cần phải thau dọn bể như bể

xây bằng gạch, áp suất gas nhiều gấp 3 lần bể xây có cùng thể tích (vì Hầm bểBiogas Composite có độ kín tuyệt đối, hai cột điều áp theo phương thẳng đứng

và có hình chóp ngược) Khi sử dụng không có mùi do lắp đặt có hệ thống lọckhí khử mùi riêng

Tiết kiệm chi phí cho hộ gia đình như: lắp đặt nhanh, nhanh có gas, hàngnăm không phải dọn, hút bã Cho lượng gas nhiều, ổn định, sử dụng thườngxuyên và liên tục Ngoài ra có thể lồng ghép bể Biogas Composite để thay thế

bể phốt - nhà vệ sinh, tiết kiệm chi phí (người dân không cần làm hầm bể phốt

mà vẫn xử lý được vệ sinh gia đình)

Hầm bể Biogas Composite có thể lắp đặt trong mọi địa hình, đặc biệt lànhững vùng trũng, vùng đất yếu mà bể xây không thể thi công, sau một thờigian sử dụng bể Biogas Composite còn có thể di chuyển đi nơi khác để sử dụngtiếp - việc này giúp người dân tiết kiệm được chi phí khi chuyển chuồng trại

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỂ BIOGAS BẰNG VẬT

Hình III.1 Một số hình ảnh bể biogas composite

Một số hình chiếu, mặt cắt bể biogas thiết kế:

Hình III.2 Bản vẽ kĩ thuật bể biogas composite loại đường kính d=2.4m

Hình III.3 Bản vẽ kĩ thuật bể biogas composite loại đường kính d=2.25m

Hình III.4 Bản vẽ kĩ thuật bể biogas composite loại đường kính d=1.9 m

Hình III.5 Cách đào đất để chôn hầm biogas composite ĐK 1,9m