Vật liệu composite polyme ba pha

* Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về vật liệu composite độn hạt cầu - Xác định các mô đun đàn hổi cho comp osi te ba pha - Xem xét m ộ t số ví dụ cụ thể cho các kết cấu từ comp osi te p

t rons đó có hai pha là các hạt độn hình cầu từ các vật liệu khác nhau.

- Nghi ên cứu ảnh h ư ớn s của các hạt độn đến các mủ đun đan hỏi cua composite polyme ba pha.

- Tính toán m ộ t số ví du cụ thể với vật liệu com posite poỉvme ba pha đe

từ đó thấv được ảnh hưởng của các pha hạt gia cườnơ đối VỚI composite,

- M ở rộng n g hi ên cứu, xác định một số m u đ u n đàn hổi cho vạt liêu composite ba pha khi có cá sợi độn và hạt độn.

- Kết hợp n gh iê n cứu VỚI đào tạo sau đại học.

* Nội dung nghiên cứu:

- Tổng quan về vật liệu composite độn hạt cầu

- Xác định các mô đun đàn hổi cho comp osi te ba pha

- Xem xét m ộ t số ví dụ cụ thể cho các kết cấu từ comp osi te polvmc ba

- Nghiên cứu xác định mò đun đàn hổi cho vật liệu com posite polyme

ba pha

Các kết quả đạt được:

- Đã tiên h à n h ng hi ên cứu tổng qu an về vật liệu comp osi te độn hat càu trong đó có tổng q u a n về những phương pháp xác định các hằng số đàn hôi của comp osi te có độn các hạt cầu Trên cở sở n g h iê n cứu đề tài, ch ún g tôi đã

đề xuất phương p h á p mới: xấp xỉ khối hình lập p hư ơn g củ a thể tích đại diện bầng hình cầu có cù n g thể tích, do vậy việc xác đ ịn h m ô đ u n đàn hôi của com posite có đ ộ n các hạt cầu đã được đơn giản hoá, đưa về giải bài toán L am ẽ

của lý th u y ết đàn hồi Kết quả nhận được trùng hoàn toàn VỚI các kết quả mà các tác giả trước đ ó đ ã nhận được theo các phương p h áp khác.

- Xác định các m ô đun đàn hồi cho com posite ba pha được nghiên cứu, giải quyết hai bài toán theo các mô hình hai pha: Bài toán thứ nhất xem xét composite gổrn nền và thành phần độn thứ nhất, kết quả nhận được các hằng

số kỹ thuật cho com pos it e được xem là nền giả định, và bài toán thứ hai gổm nền giả định và pha độn thứ hai Trên cơ sở đó đã khảo sát ảnh hưởng của các hạt độn khác nh au lên đặc trưng đàn hổi của vật liệu composite ba pha.

- Đã xem xét m ột số ví dụ cụ thế cho các kết cấu từ composite polyme

ba pha, như tính toán ỉựg, ứng suất, chuvển vị của kết cấu bể hóa chất từ composite và ổn định cùa vỏ trụ từ composite độn hạt cầu Các tính toán băng

sô cho kết cấu được giải b ầ n 2 SAP2000, MA TL AB Kết qua nhận được cho thấy khi bổ sung các hạt độn vào vật liệu com posite pol vme đã cải thiện đ á n 2

kể các đặc trưng cơ học của vật liệu, và trong mộ t sỏ trường hơp có thế bỏ sung các hạt phụ gia để làm giảm giá thành của vật liệu.

- Sau khi x e m xét cho trường hợp hai pha độn đều có cấu trúc hinh câu

Đề tài đã tiếp tục nghiên cứu xác định m ô đun đàn hổi cho vật liệu composite polyme ba pha gồm: nền polvme, các sợi độn đ ổ n s phươrìií và các hạt ăia cường hình cầu theo thuật toán tương tự như trẽn: Xác định các mô đun đàn hổi cho composite ba pha (nền polyme, sợi, hạt) được ns h iê n cứu íiiái quyết hai bài toán theo các mô hình hai pha: Bài toán thứ nhất xem xét composite gồm nền và các hạt độn; bài toán thứ hai Hổm nển giá định và các sơi d ỏ n s phương Trong quá trình nghiên cứu bài toán thứ hai đã thièt lập bài toán bién

để xác định mô đun kéo - nén dọc trục các cốt sợi Kết quà tính toán nhận được cho vật liệu pol vm e bapha thấy rằng khi bổ s u n s các hạt càu đã làm tăn LI

mô đun trượt, g i ả m m ô đun đàn hổi kéo nén dọc sợi củ a composite.

- Công bố 01 bài báo trên Tap chí Khoa hoc Toán-Lv ĐHQGHN; 02 Báo cáo tại Hội nshị Khoa học Cơ học vật rắn biến dạng Toàn quốc lân thứ VIII (Thái Nguyên, 2006); 02 bài báo gửi đãng trên Tạp chí trons nước và quốc tế

- Hướng dẫn thành công luận vãn cao học của Thạc sĩ N g u y ễ n Lé Hai đang hướng dẫn học viên cao học Đỗ Than h Hăng;

MỞ ĐẦU

Hiện nay ở Việt N a m đã bước đầu tiếp cận công n s h ê ch ế tạo nanocomposite: các pol ym e với các hạt nano k h oá n g được c h ế dùng làm vật liệu chống thấm; c h ú n g ta cũng đã bước đầu c h ế tao các m àn g nano từ và các

n a n o c o m p o s ite k im lo ạ i trên cơ sở đ iệ n h o á

Việc bổ sung các hạt gia cườnơ như các hat c h ố n s cháy, c h o n s mài mòn, các hạt k h o á n g nh ầm làm tãng khá nãng cơ lý cho vật liệu composite Trên thực tế người ta thường trộn một hay nhiều hạt gia c ư ờ n s khác nhau như trong công n ghi ệp nhựa người ta thường độ n các hat k h o á n s lai có thêm các hạt khác như hạt c h ố n s cháy, hạt cácbon, hạt thuy tinh, Tron<ỉ eỏrm niỉhiệp chẽ tạo máy, vật liệu gia cường cho composite n s o à i các loại sợi còn có các loại hạt Việc gia c ư ờ n s các thành phần độn khác nhau nhăm khai thác nhữnt!

ưu điếm của các vât liệu thành phẩn nhãm tạo ra các vật liệu mỏi có tính nũn 2 nổi trội theo m o n g muốn Đây là một ưu điếm nổi bật của vật liệu composite Như vậy trên thực tế đã xuất hiện composite ba pha, và việc nghiên cứu các tính chất cơ -lý- h o á của vật liệu polvme ba pha có ý n ah ĩ a kh oa hoc và dinh hướng phục vụ thực tiễn rõ rệt Trong phạm vi đề tài, c h ú n s tỏi nghiên cứu các nội dung sau :

- Tổng quan về vật liệu composite độn hạt cầu

- Xác định các m ô đun đàn hồi cho compo sit e ba pha

- Xem xét mộ t số ví dụ cụ thế cho các kết cấu từ comp osi te polvme ba

- N g h iên cứu xác định m ô đun đàn hồi cho vật liệu co m p o site polym e

ba pha

NỘI DUNG, KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u

Vật liệu comp osi te là vật liệu được c h ế tạo tổng hợp từ hai hay nhiéu thành phần k h ác nhau, n h ằ m mục đích tạo ra m ộ t vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn n hữ ng vật liệu thành phần ban đầu Nhữníỉ thành phán của vật liệu composite bao gồm: thành phần cốt ( các sợi, hat, .) nhằm đam báo cho composite có được những tính nãng cơ học cần thiết, và vật liệu nền (kết d í n h ) đảm bảo cho sự liên kết và làm việc hài hòa giữa các thành phàn của composite với nhau Kh ả năng khai thác sử dụnH vật liệu composite phụ thuộc trước hết vào đặc tính cơ, lý, hóa của các vật liệu thành phan, cấu trúc phàn

bố của các vật liệu cốt, cũng như độ bền VŨT 12 cua sự liên kết giữa nén và cót.

Nếu như trong cơ học, c h ú n s ta dựa vào cấu trúc của các thành phan cốt để phân loại co m po sit e như composite phàn lớp, com posite cót sợi đônII phương, composite có cấu trúc không Sian 2D, 3D, 4D, hoặc ba pha 3Dm 4Dm Hoặc trước đày, người ta hay gọi com posite theo tên các cót sợi: ví dụ composite cố t sợ i t h ủ y tin h , c o m p o s ite cố t SỢI b a z a n sợi c á c b o n Nhưny cho đến nay có rất nhiểu loại cốt khác nhau, ví dụ như composite cốt sợi thủy tinh hoặc bazan trên nền epoxy về cơ bản c ô n s n s h ệ c h ế tạo giống nhau hoặc cốt lai tạp sợi thuỷ tinh lẫn sợi các bon, sợi các bon lản sợi bazan Thành phần cốt đảm bảo c ho vật liệu composite có độ cứng, độ bèn cơ hoc cao Còn chất liệu nền k h ô n g nh ữn g đ ảm bảo cho các thành phần của composite lièn kết hài hòa với nhau, đ ảm bảo tính liên khối của vật liệu, tạo ra các kết cấu composite, phàn bố lại chịu tải khi môt phần cốt đă bị đứt gảy đế đam bao tính liên tục của kêt cấu, chất liệu nền cũng quyế t định mộ t phần lớn khả n ă n 2 chịu nhiệt, chịu ãn m ò n của vật liệu, và cũ ng chín h vật liệu nén là cơ sở để xác định phương thức cổ n g nghệ c h ế tạo sản phẩm Vì vậy, hoàn toàn lôsíc và

kh o a học, về m ặ t cô n g nghệ, com p o site còn được p h ân loại co m p osite theo bản chât cu a vật liệu nên Cho đên nay căn cứ vào pha nền có thể phân com po site th à n h n ă m loại cơ bản như sau: V át liệu c o m p o site p o lv m e ' vật liệu

com posite kim loại; vật liệu com posite gốm ; vật liệu các bon-cac bon và

n an o co m p o site (khi m ộ t trong các thành vật củ a co m p o site là vật liệu nano).

N hữ n g ưu điểm cơ bản nhất của vật liệu com posite so với các vật liệu khác là :

- Độ bển cơ học, vật lý cao, thậm chí cao hơn cả kim loại và hợp kim, vì vây khi sử d ụ n g bền hơn so với các vật liệu truyền thống.

- Tính chịu va đập tốt, có độ c h ố n s ăn m ò n cao.

- Bền h oá học cao, bén VỚI điều kiện khí hậu, môi trưòns.

- Do nhẹ nên khi dùnơ composite dẻ thao tác lap đặt, thay thế.

- Tính ổn định về kích thước, hình dán£ của két cấu composite rất cao, đặc biệt comp osi te có ưu điểm là vật liệu được hình thành ngay tronỵ quá trình ch ế tạo kết cấu, vì vậy có the thav dổi cấu trúc hình hoc sư phân bõ và các vật liệu thành phán để tạo ra một vặt liệu mới có độ ben theo mon£ muốn Tùy theo n h ữ n s đòi hỏi về độ bền, độ cứng, nhiệt đô làm việc, đièu kien khai thác sử dụng, m à chú ng ta lựa chon những vật liệu thành phân, kết cáu, ty lệ, và công nghê sản xuất phù hợp.

- Rất nh iề u đòi hoi khất khe của kỹ thuật hiên đại ( như sièu bẽn, siêu nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3 0 0 0 ° c ) chí có composite mới đáp ứnii nổi, vì vậy, vật liệu com posite giữ vai trò then chốt tr o n s cuộc cách mạn£ ve vật liệ u m ớ i.

Hiện nay tại Việt Nam, vật liệu com pos it e đã đươc san xuất và ứn£ dung khá m ạ n h mẽ Công nghệ vật liệu mới trona đó có vật liệu composite và nanoc om pos ite được coi là một trong nh ững n g à n h c ô n s ng hệ cao mới me nhất m à c h ú n g ta ưu tiên phát triển Từ nă m 1990, n g à n h kh o a học mới này mới được qu an tâ m và thúc đẩy, Tuv nhiên trong lĩnh vực mới nàv, c h ú n s ta lại thu được n hữ n g thành tựu đáng kể M ộ t lĩnh vực được coi là thành cỏn a

nh ất của V iệt N a m là po ly m e com posite.

C o m p o si t e p o l y m e hiện nay đã có đặc tính cơ lý cao hơn kim loại, nhẹ

hơn kim loại, cách nhiệt, cách điện tốt và rất bển với các tác nhàn hoá học và môi trường V í d ụ n h ư một ống dẫn dầu k h í d = 1 0 0 m m , có trọng lượng khoảng 3-4kg/met, và có thể khai thác sử dụng 50 -70 năm , trong khi ống thép cùng đường kính và độ dày nặng gấp 4-5 lần, và chỉ khai thác từ 5-10 năm, rất hay

bị gỉ Những comp osi te polyme đã được sản xuất ở Việt Nam có thê kể ra là: các loại nhựa trong gia dụng và công nghiệp: nã m 2002 sản lượng của cá nước đạt 1,2 triệu tấn và đạt 4,2 triệu tấn vào nãm 2004, tro n s đó tất cả các chất dẻo hiện nay thực chất chính là composite: chất déo luôn được tãng cường thêm các phụ gia nh ư hạt khoáng, chất làm chậm cháy, chát ổn định nhiệt, ón

đ ịn h ánh sáng, chất biến tính va đ ậ p , .đ ê t ă n2 cường khá nũns cơ - lý - hoá của vật liệu; các bình chứa nước từ composite; x u ổ n s và tàu thuvển: năm

2004 c h ú n s ta đã sản xuất đạt k h o ả n s 3000 tấn với 40 tàu composite lũp máy

từ 90-450 mã lực đ a n s vận hành phục vụ cho ch ươn SI trình đánh bãt xa ho' và hạn chê nạn phá rừng; trên 500 cánh cửa cống b ã n s vật liệu composite (thay thế cho cửa thép và bê tông) đã được lắp đặt tại đ ổn g b ần a sông Cừu Lons và Quảng Ninh; trên 2 0 0 0 m iếng n s h é p sọ não và nhiều nẹp xươn s, nhieu băns đạc chùng chữa bỏ ng bàng vật liệu y sinh cacbon đã được c h ế tao tại Việt Nam thav th ế hàn g ngoại nhập.

Ngoài ra, trong m ột số lĩnh vực khác như phục vụ an ninh quốc phòng: ở Việt N a m các vật liệu composite còn được dùnơ đẽ ch ế tao các tàu tuần tiễu cơ động ơọn nhẹ tốc độ cao; quần áo cho lực lượn 2 phòng chữa cháy; các mũ chố ng va đập, chố ng đạn, ch ôn g ch é m cho cánh sát 113; các loai áo giáp bển, nhẹ có kh ả năng chống đạn, c h ố n s đâm; các loại lá chấn dùnư cho cảnh sát trong suốt nh ư kính nhưng lại chố ng được va đập của các phán tư sây rối và các loại p o l y m e chố ng đạn,

C h ún g ta cũn g đ ã thu được những kết q u ả k h ả qu an trong việc ch ế tạo com posite g ố m n h ư sứ cách điện đạt tiêu c h u ẩ n c h ấ t lượng qu ố c tế; các nhà

kh o a học tro ng nước cũ n g đã c h ế tạo được n am ch âm đất hiếm có năng lượng

từ siêu m ạn h (gấp k h o ả n g 12 lần so với nam châm truyền thống).

KẾT LUẬN

1 Trong q uá trình thực hiện đề tài, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu tổng quan về vật liệu composite độn hạt cầu, trong đó có tổng quan về những phương pháp xác định các hằng số đàn hồi của composite có độn các hat cầu Trên cở sở ng hiên cứu đề tài, chúng tôi đã đề xuất ph ư ơn s pháp mới: xáp xi khối hình lập p hư ơn a của thể tích đại diện b ầ n s hình cầu có cùn SI the tích, do vậy việc xác định mô đun đàn hồi của composite có độn các hạt cáu đã được đơn giản hoá, đưa về giải bài toán Lamè của lv thuvết đàn hôi Kết quá nhận đươc trùng hoàn toàn với các kết quả mà các tác siá trước đó đã nhặn được theo các ph ư ơ n s pháp khác.

2 Xác định các mô đun đàn hổi cho com posite ba pha dược nghiên cứu, giải quyết hai bài toán theo các mô hình hai pha: Bài toán thứ nhất xem xét composite gồm nển và thành phán độn thứ nhất, kết quả nhận dược các hă n s

số kỹ thuật cho com pos it e được xem là nền giả định, và bài toán thứ hai 2ỏm nền giả định và pha độn thứ hai Trên cơ sờ đó đã kh ảo sát ảnh hưởng của các hạt độn khác nhau lên đặc trưng đàn hổi của vật liệu com posite ba pha.

3 Đề tài đã x em xét một số ví dụ cụ thê cho các kết cáu từ composite polyme ba pha, n hư tính toán lực, ứng suất, ch uv ển vị của kết cấu be hóa chất

từ composite và ổn định của vỏ trụ từ com posite độ n hạt cầu Các tính toán bằng số cho kết cấu được giải bằng SAP2000, M A T L A B Kết quá nhân đươc cho thấv khi bổ sun g các hạt độn vào vật liệu comp osi te po lvme đã cái thiện đáng kể các đặc trưng cơ học của vật liệu, và t r o n s một số trường hơp có thể

bổ sung các hạt ph ụ gia để làm giảm giá th à n h củ a vật liệu.

4 Sau k h i x e m xét ch o trường hợp hai p h a độn đều có cấu trúc hình cầu, Đ ề tài đ ã tiếp tục n g h iên cứu xác đ ịn h m ỏ đ u n đàn hổi cho vật liệu

com posite p o ly m e b a ph a gồm: nền polym e, các sợi đ ộ n đồn g phương và các hạt gia cường h ìn h cầu theo thuât toán tương tự n hư trên: X ác định các mồ đun

đàn hổi cho comp osi te ba pha (nển polyme, sợi, hạt) được nghiên cứu, giãi quyết hai bài toán theo các mô hình hai pha: Bài toán thứ nhất xem xét composite g ồ m nền và các hạt độn; bài toán thứ hai gồ m nền giả định và các sợi đổng phương Trong quá trình nghiên cứu bài toán thứ hai đã thiết lập bài toán biên để xác định mô đun kéo - nén dọc trục các cốt sợi Kết qua tính toán nhận được cho vật liệu polvm e bapha thấy rằng khỉ bổ sung các hạt cẩu đã làm tăng mô đun trượt, giảm mổ đun đàn hồi kéo nén dọc sợi của composite.

5 T r o n s quá trình thực hiện đề tài đã h ư ớ n s dẫn thành công luân văn cao học của Thạc sĩ Ng u y ễn Lê Hải, đang hưótts dẫn học viên cao hoc Đỗ

Thanh Hầng; có 5 bài báo, trona đó 2 bài đã báo cáo và đủns tại Tuyến tập

Báo cáo Hội nghị Cơ học vật rắn biến d ạ n s Toàn quốc lần thứ VIII (Thái

Nguyên, 2006), 1 bài đăng trên Tạp chí Khoa học - Đ H Q G H N , 2 bài sứi đãng.

N hó m tác giả thực hiện đề tài xin chân thành cám ơn Khoa Toán - Cơ -

Tin học và Phòn g Kh o a học Công nghệ - T r ư ờn s Đại học Kh o a học tư nhiẽn,

Ban Khoa học Cô ng nghệ - Đ H Q G H N đã tạo điểu kiện và giúp đỡ chúnìi tỏi

trong quá trình triển khai thực hiện và n s h i ệ m thu để tài.

PHỤ LỤC

1 rv

C Ấ C C Ô N G T R ÌN H C Ô N G B ố

1 N guyễn Đ ìn h Đức, N guyễn Lẻ Hải, K h ả o sát s ự ảnh hưởng cưa cúc haĩ

độn lên kết cấu b ể hóa ch ấ t và ống dẩn dầu c h ế tạo từ c o m p o site bap hu

Tuyển tập công trình Hội nghị K hoa học Toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ VIII, Thái N g u y ên , 2006.

2 N guyen D inh D ue, H o a n g V an T u n g, T h e sta b ility o f the thin ru o n d

cylindrical c o m p o site shells su bjecte d to to rsio n al m o m e n t at two extremities

Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Toàn quốc Cơ học Vật răn biến d a n s lần thứ VIII, Thái N g u vê n, 2006

3 N guyen D inh D u e, H o a n g Van T u n g, Do T h a n h H ang, A m e th o d for

determ ining the bulk m o d u lu s o f co m p o site m a terial o f sp h e rica l particles

Journal of Science, Ma thematics- Physics, VN U, T XXII, \ o 2 , 2006.

4 N guven D inh D u e, H o a n g Van Tung, D eterm in in g the u n iaxial m odulus

o f three-phase co m p o site m a teria l o f a lig n ed f i b r e s a n d sp heru ai pa rticles

(gửi đăng).

5 N guyễn Đ inh Đ ức, N g u y ễn Lẻ Hải, Xác đinh các hản g s ố co' học cùa vặt

liệu com p o site ba p h a đô n hụt cầu (gửi đãng).

Tuyển tập công trình H ội ngliị khoa học Toàn (/nốc

Cơ học Vật răn biền dụng lãn thú 8

Thái Nguyên, 25 - 2 6 / 8 /2006

Khảo sát sụ ảnh hưởng của các hạt độn lên kết cấu bể hoá chất và ống dẫn dầu chế tạo từ composite ba pha

Nguvễn Đinh Đức*, Nguyễn Lê Hải

*Đại học Quôc gia Hà Nội, **Học 17ủn Kỳ thuật Quân sự

T ó m tăt: Áp dựng thuật toán xá c đ ịn h các hang so đùn hủi chu com posite ba p h a có độn các hại cầu vò s ư dung p h ầ n m ềm SAP 2000, các tác giũ nghiên cini sư anh hương cua các thành p h ầ n hạt độn !ê/ìi két câu bé h oá chãI rà các óng d án dân được chẽ tao từ com posite

ba p h a độn hạt cầu K et q uà nhận đ u o v cho thấy các hại đôn đã g ó p p h a n cái thiện linh năng c ơ - lý - hoá cu a com posite và hạ giá thảnh san phúm

I Đặt vấn đề:

Công nghệ vật liệu mới, trong đó có vật liệu composite và nanocomposite được coi là một trong những ngành công nghệ cao được ưu tiên phát triẻn trẽn thê giới Tuy nhiên, từ những nãm 90, nghành khoa liọc mỏi này mới dược quan tâm

và phát triền ở Việt Nam, và kẻ từ đỏ cho den nay, composite luôn được quan tâm phát triển, nghiên cứu và ứng dụng mạnh o Việt Nam nhất là composite polyine

Từ thực tế sứ dụng composite polyme thường đặt ra yêu cầu nghiên cứu các kết cấu composite ba pha: nên, hạt gia cường và các hạt phụ gia khác, ơ đây đê

mô hình hoá, chúng ta xem các hạt độn như những hình cầu Thuật toán xác định

mô đun đàn hồi cho vật liệu composite ba pha có độn các hạt cầu đã dược xác định trong [5], Già thiết ràng trong vật liệu composite ba pha độn hạt càu vật liệu nền có

mô đun đàn hồi trượt (j„ và mỏ đun kéo nén thê lích k„ Thành phan hạt độn thú

nhất có Cì( ] K, | tỵ lệ phàn bố theo thề tích ậ ị : thành phần hạt độn thử hai Gt ;

K.C2, tỳ lệ phân bố theo thế tích ệ 2 Đế xác định các hàng số đàn hồi K G cùa vật

liệu composite ba pha độn hạt cầu ta đưa về bài toán xác định các hàng số đàn hồi cùa vật liệu composite hai pha:

hạt cầu giữa nền (G,„ K„) và thành phần hạt độn t h ủ nhắt (Gr I- Kc !- s I ) ■

mới ( K , G ), với thành phan hạt độn thú hai ( G < K ( Ị ) Từ đó xác định các

hàng số đàn hoi K, G cho vật liệu composite hai pha n à \

Thuật toán trên đưọc minh hoạ như mô hình (H ìn h I )

cc I l-cl

c

I-Hình 1: Sơ dô thuật toán xác định K và G cua vậi liệu composite ba pha độn hạt

Theo thuật toán trẽn thì công thức xác định các hằng số K và G như sau:

Trong bài báo này các tác giả sứ dụng SAP 2000 [6,7] là một phần mềm tính toán theo phương pháp phần từ hữu hạn phản tích kết cấu do hãng CS1 lập trình với nhiều tính nàng siêu việt, giãi các bài loan lớn không hạn chế ẩn số, giãi thuật Ổn định và hiệu suất cao để phân tích các kết cấu bê dựng hoá chất và ống dẫn chất lỏng được chế tạo bằng vật liệu composite ba pha độn hạt câu Các phân tích cho bài toán kết cấu bao gồm: Phân tích tĩnh và phân tích các dạng dao động riêng.

II Khảo sát sự ảnh hường của các thành phần hạt độn của vật liệu composite ba pha độn hạt cầu vói kết cấu bể hoá chất

II 1 Đặt bài toán

Be đựng hoá chat hình trụ đường kinh 2m, chiều cao 2m, chiều dày quanh ihành

0 0 2 , chiều dầy nắp 0,02m, chiều dầy đáy 0,03m Be chứa chất lòng có khối lượng riêng p = 1,2 Ton/m 3, chiều cao mực chất lỏng 1,6m tính từ đáy

1 Xác định tại một số nút cùa kết cấu bề các thành phàn sau: chuyền vị, mômen uôn, mòmen xoăn, lực cắt, ứng suâl pháp tiếp

2 Xác định một số dạng dao động riêng cùa bế

Cho biết chu vi xung quanh đáy bề được xem rthu tựa đơn Giải bài toán trong các trường hợp sau:

ĩ r? u N G TAM T H G N Or TIN 1 n

-rBé được làm bàng vật liệu polyme epoxy: E = 0 1 3 5 10''kg/cm\

V = 0,382; p - 1,25.1 o 1 kg/tn:'

+ Bể được làm bàng vật liệu composite ba pha độn hạt cầu epoxy - thuỳ tinh - cácbon:

Nen epoxy: F „ 0.135.lO^kg/cnr v „ = 0.382: p = 1 , 2 5 1 0 ’ ke/nv'

H ạt th u ỷ tinh: E,| = 7 , 4 I06k g / c m \ V I = 0.21: Ẽ,| = 0.05: p , ! - 2 4 8 1 0 kg/nr*

H ạ t c á c b o n : EC2 = 9,8.1 ơe k g / c m : : V ,, = 0 , 3 3 : £.2 = 0.10; p , = 2 2 1 0 ’' k g / m 3.

II.2 Giải bài toán bằng SAP 20 0 0 [6,7|

11.2.1 Kẹt quả xác định tại một số nút của két cấu bế các thành phần chuyến

vị, mômen uốn, mômen xoan, lực cắt, úng suất pháp tiếp.

A Be đươc làm bằng vật liệu polym e epoxy

Bàng 1 Chuyển vị tại một số nút trong kết c ấ u bé hoá chấl epoxy

1 -4 04E-23 -3.90E-23 -1.46E-02 í 291'-16 -1 59E-16 -4.82E-22

10 -1.54E-2I 5 88E-22 -1.32E-02 0 007283342 -8 68E-03 -4.25E-20

Bảng 2 Úng suất tại một số nút - phần từ cùa bề hóa chắt epoxy

PT Nút s 1 l(Ton/m ) S22(Ton/ni ) s 12(1 on/m") S\ia\ (Ton/rn")

Bảng 3 Chuyển vị cùa một số nút trong kết cấu bề hoá chát làm bàng vật liệu composite ba pha độn hạt cầu epoxy - thuỷ tinh - cácbon

Bàng 4 ứ n g suất tại một số nút - phần tứ cùa bề hoá chất làm bằng vật liệu composite ba pha độn hạt cầu epoxy - thuỷ tinh - cácbon

PT Nút SI )( Ton/rrr) S 2 2 (T o n /n r ) S12(Ton/m") S\iay(T on/rrr)

II.2.2 Kết quả xác định các tần sổ riêng

Bàng 5 K.ết qua phân lích tần số và chu kỳ dao dộng của bể hoá chất làm bằng vật

Nhận xét:

So sánh bang I với bảng 3, bàng 2 với 4, bang 5 với báng 8 ta đi đến các kết luận sau: khi cho thêm các thành phẩn hại độn vào vặt liệu composite các thành phần ứng suất , chuyến vị , lực giảm, tần số dao động riêng cua kết cấu tăng làm tăng độ bền cùa kết cấu

III Khảo sát sự ảnh hưởng của các thành phần hạt độn của vật liệu composite ba pha độn hạt cầu và bề dày ống h vói kết cấu ống dẫn dầu

thay đổi các đại lượng bề dầy h cùa ống và tỷ lệ của thành phần hạt độn ị 2-

(11.2 Kết quá tính toán bằng SAP 2000

Xác định các hàng số đàn hồi cùa vật liệu composite ba pha độn hạt cầu epoxy - thuỷ tình-cacbon theo công thức (1), kết hợp diều kiện cùa bài toán sừ dụng chương trình Sap 2000, matlab; ta biểu diễn được sự phụ thuộc của các thành phần chuyển vị và ứng suất lớn nhất trone ống dẫn dầu vào bề dấy h và tý lệ cùa thành

p h ầ n hạt đ ộ n C; k h i c h o h và 4 : t h a y đ ố i n h ư s a u ( m i n h h o ạ t r ê n đ ồ t h ị l - 10 ):

ĐỒ thị 3 Sự phụ thuộc cua chuyền vị

(Uy)Mas vào bề dầy h

0 ũ 05 ũ 1 Ũ 1 b 0 2

£,

Dồ thị 6 Sự phụ thuộc cùa ứng suấl ( S n ) Ma, vào £,2

\

h(m )

ĐỒ thị 7.^ S ự phụ thuộc của ứng Đồ thị g Sự phụ thuộc của ứngsuât (S 2ỉ)v,„ vào ị 2 suất (S 22)Ma, vào bề dầy h

Đồ thị 9 Sự phụ thuộc cua ứng suất Đồ thị ] 0 Sự phụ thuộc cua ứng suất (S12W vào bề dầy h ( S12W vào

Nhận xét:

Khi tăng bề dầy ống hoặc tăng tỳ lệ hạt độn thì các thành phần chuyển VỊ

ứng suất giám Khác với tăng độ dầy ông khi lãng ty ]ệ hụt độn ứng suảt tiếp s 12 tăng (Đồ thị 12), điều đó có nghĩa ìà mặc dù tăne tỷ lệ hạt độn lảm tăng môđun đàn hồi K và G, cài thiện được cơ tính cùa vật liệu nhưng khi tăng đến một tỳ lệ nhất định lại làm giảm sự liên kết của các thành phần cốt

Việc tăng tỷ lệ hạt độn có tác dụng tương đương như việc tăng độ dẩy ống

do đó không những cái thiện được cơ tính cua vật liệu má còn giảm được chi phí vận chuyển và lấp đật

IV Kết luận

Việc tăng các hạt độn vào composite làm tàng các hang số đàn hồi và cải thiện được một số tính chất cơ - !v - hóa cùa vật liệu composite đồng thời góp phần làm giám giá thảnh vật liệu

Kết quà nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ đề lài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QT.06.48

Tài liệu tham khảo

] Nguyễn Đình Đức (2005), VỘI liệu mới composite và ửn% dụng trong thiết kế ché

tạo các khi cụ bay, KỲ yêu hội thao toàn quốc " Cơ học và khi cụ bay có điêu

khiển" lần thứ nhất, Nhà xuất bản Đại học Ọuốc gia Hà Nội, Hà Nội

2 Nguyễn Đình Đức, Nguyễn Hoa Thịnh (2002), Vát liệu com posite cơ học và

cônẹ nẹhệ Nhà xuất bán Khoa học Kỹ thuật Hà Nội.

3 Hoàng Xuân Lượng (2003), C ơ học VỘI liêu com posite Học viện KỸ thuật Ọuân

Sự, Hà Nội

4 Trần ích Thịnh (1994), Vật liệu compozit cơ học vù lính luán kết cấu, Nhà xuất

bàn Giảo dục Hà Nội

5.N g u y ễ n L ê Hái ( 2 0 0 6 ) , X á c đ ìn h c á c lìãiiiỉ sỏ CU' h o c CIILI v á t ìiệ n c o m p o s ite b a

p h a độn hạt cầu, Luận vãn Thạc sỹ khoa học Học viện KỸ tluiật Quân sự Hà Nội.

6 Nguyễn Hoảng Hải, Nguyễn Việt Anh (2004), Lập trình M ưllah vù ứng dựng,

Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội

7 Bùi Đức Vinh (2 0 0 2 / Phân rích kết cẩu và thiết ké kũi call hằnạ phần Hiểm SAP

2000 ( tập 1+ 2), Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội.

8 R.M Chirstenxen (1979), M echanics o f composite m aterials New York

Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa liọc Toàn quốc

Cơ học Vật rắn biển dọng lầu thứ 8

Tltái Nguyên, 25-26/8/2006

T h e stab ility o f the thin round cylin d rical c o m p o site shells

su b jected to torsional m o m e n t at tw o ex trem ities

N g u y e n D inh D u e (*), H o a n g V a n T u n g (**)

(*) Vietnam N a tio n a l U niversity, H a n o i (**) H a n o i A rc h ite c tu ra l U n iversity

A b s t r a c t A n e la stic sta b ility p r o b le m o f the th in ro u n d c y lin d ric a l

sh ells s u b je c te d to to rsio n a l m o m en t at tw o extrem ities h a s been

in v e stig a te d in p a p e r [5] B v the th e o ry o f eia sto p la stic p ro c e sse s, this

p ro b le m a g ain has been studied In this p a p e r, w e w id en the resu lts o f

p ro b le m w h en c y lin d ric a l s h e ll is m ade o f co m p o site m aterial We have

a lso e sta b lish e d the re la tio n s f o r d e te rm in in g c r itic a l lo a d s a c c o rd in g to

th e o ry o f e la sto p la stic p ro c e sse s S o m e n u m e ric a l re su lts fu r tw o - phase'

co m p o site w ith sp h e re p a d seed s ha ve been g iv e n a n d d iscu ssed H ere, there e x ist a ssu m p tio n s are lhai ra tio o f p a d se e d s as w ell as p u d se ed s are sm all, so w e a ssu m e thai e la sto p ia sn c tre a tm e n t has o n ly in

m a trix C a lc u la tin g resu lts h a ve p o in te d uut to us th a t p r o p o s e d

a ssu m p tio n s are acceptable.

1 Stability pro b lem o f cylindrical shell

Let us c o n sid e r a thill round cylindrical shell o f strength L ,

th ick n ess h and radius o f the middle surface equal lo R W e choose a

o rthogonal c o o rd in a te system O x y z so th at axis X lies lone the

g eneratrix o f cylindrical shell while y — R O with 6 - the angle circular

arc and 2 in d irection o f the norm al to cylindrical shell

S u p p o se that cylindrical shell has the sim p ly su p p o rte d b o u n d a ry

c onstraints at x - 0 , X - L and subjected to torsion by a couple o f

m o m e n ts M k - 'l n R 1h p p - p { t ) with / - lo a d in g param eter

M o re o v e r, w e a s s u m e that m aterial is inco m p ressib le and d o n 't take into

a c c o u n t the u n lo a d in g in the cylindrical shell We have 10 find the critical

values I = 1 and p , = p ( ỉ , ) which at that time an instabiIit\ o f the

structure appears W e use the criterion o f bifurcation o f equilibrium states

to study the p ro p o sed problem

2 F u n d a m e n ta l equation s o f the stability problem

it is seen from here that ậ ( s ) = V3p and V — ậ ~ ] (1 3p )

2.2 Post- b u c k lin g p ro ce ss and b o u n d a r y co n d ition s

T h e svstem o f stability equ atio n s o f the thill cylindrical shell established

in [2] are w ritten in form

From the e x p erim en tal results and the sim ilar form of solution in [7], we

find the real deflection ổ w in form

w h ere Y is the ta n g en t o f sk ew angle o f su m m it o f w a v e s in co m p ariso n with the g eneratrix o f cylindrical shell, n - n u m b e r o f w aves in direction

o f round arc T h e j u s t chosen solution satisfies the sim ply supported

b ou n d ary condition in the sense o f Saint- V en an t at X - 0 , X = L In

fact

ỗw = A, COS — c o s — ( V +

(4)

Putting <5ir and (p into (1) and because o f the condition on the existence

o f noil-trivial solution, we set

2 p ị m2R2 + n2 Ỵ f h V m ' R

= ( j2R2 +I1 1 )2 f h x l r R *

3 G 9 j n R U J nự - R - + , r Ỵ

These results coincide with the previous well-known ones (see [4])

b) If material is small elasto-plastic i.e Ộ' — E t A = E then

T a n s fo rm in g (1 0 ), w e receive th ree-order algebraic equation o f s

It is seen that for each given material and each determined value o f Y ,

with /7 changing from 1 (0 k , then we can solve equation (11) for

fin d in g s n A fter that w e c hoose value s mjn = m i n ( i ! , s 2 s k )

Finally, the critical load is found by putting V]mn into the e x p re s s io n of