Biên dạng đáy vỏ compozit dạng trụ lỗ cực hở nhận được bằng phương pháp quấn phẳng

Đặc thù về hình dạng nên việc tính toán thiết kế các bình áp lực kiểu này đòi hỏi phải sử dụng các mô tả toán học riêng. Bài viết này nghiên cứu đưa ra mô hình toán để xác định được biên dạng đáy. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc thiết kế kết cấu và công nghệ chế tạo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Biên dạng đáy vỏ compozit dạng trụ lỗ cực hở nhận được bằng phương pháp quấn phẳng Cơ học – Cơ khí động lực BIÊN DẠNG ĐÁY VỎ COMPOZIT DẠNG TRỤ LỖ CỰC HỞ NHẬN ĐƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN PHẲNG Đinh Văn Hiến1*, Trần Ngọc Thanh1, Vũ Tùng Lâm1, Lê Văn Hào1, Trần Thị Thanh Vân2 Tóm tắt: Vỏ compozit dạng trụ có lỗ cực hở là vỏ có phần lỗ cực không được đóng kín bằng các mặt bích. Vỏ chịu lực của động cơ tên lửa là kết cấu điển hình của kiểu vỏ này, với phần lỗ cực hở là phần ghép nối giữa vỏ buồng đốt với khối loa phụt. Do đặc thù về hình dạng nên việc tính toán thiết kế các bình áp lực kiểu này đòi hỏi phải sử dụng các mô tả toán học riêng. Bài báo này nghiên cứu đưa ra mô hình toán để xác định được biên dạng đáy. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc thiết kế kết cấu và công nghệ chế tạo.Từ khóa: Vỏ trụ; Compozit; Quấn sợi; Quấn phẳng; Mô hình toán. 1. MỞ ĐẦU Vỏ dạng trụ chịu áp lực trong làm từ compozit cốt sợi độ bền cao/nền polyme theocông nghệ quấn là một dạng kết cấu phổ biến trong dân dụng và quốc phòng nhờ ưu điểmvượt trội của vật liệu compozit là độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng hơn hẳn so với vậtliệu kết cấu truyền thống, nên kết cấu bền, nhẹ và nhỏ gọn hơn. Theo dạng lỗ cực, vỏcompozit hình trụ chia thành 2 kiểu là vỏ có lỗ cực đóng kín, điển hình như bình chứa khínén trong hệ khí tài dưỡng khí của thợ lặn; vỏ có lỗ cực hở, điển hình như vỏ chịu lực củađộng cơ tên lửa. Do kiểu lỗ cực khác nhau, nên lực phân bố tại lỗ cực cũng khác nhau, dẫnđến mô hình toán mô tả quan hệ giữa các tham số kết cấu và công nghệ cũng khác nhau,…Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ compozit dạng trụ chịu áp lực trong đã được thực hiệnqua nhiều năm và đạt được nhiều thành tựu lớn, song do đặc thù về ứng dụng của các vỏcompozit dạng trụ có lỗ cực hở chủ yếu dùng trong lĩnh vực quân sự, nên hầu như khôngcó công bố công khai. Thêm nữa, một đặc điểm riêng của compozit là “Vật liệu – Kết cấu– Công nghệ” có quan hệ chặt chẽ và không thể tách rời, nghĩa là vấn đề thiết kế kết cấugắn liền với công nghệ vật liệu và công nghệ sản phẩm. Trong tính toán thiết kế vỏ compozit dạng trụ, bài toán xác định biên dạng đáy vỏ là bàitoán quan trọng nhất nhằm đảm bảo cho quá trình rải sợi lên bề mặt đáy vỏ là liên tục vàkhông bị trượt. a - Quấn xoắn b - Quấn phẳng c - Quấn ngang Hình 1. Các sơ đồ quấn chế tạo vỏ compozit dạng trụ có đáy. Về công nghệ, theo trạng thái của nhựa nền, có 2 dạng công nghệ: (1) - Quấn ướt, ở đó,nhựa lỏng được tẩm trực tiếp lên sợi; (2) - Quấn khô, ở đó, sợi đã được tẩm nhựa và sấykhô trước khi quấn. Còn theo kiểu mẫu quấn, có 3 dạng chính là quấn xoắn, quấn phẳng vàquấn ngang (hình 1), ở đó, quấn xoắn và quấn phẳng là 2 kỹ thuật chính tạo thành lớp vỏcompozit bao kín, còn lớp quấn ngang có tính chất gia cường cho phần trụ. Công nghệquấn xoắn cho phép rải sợi theo các quỹ đạo đa dạng hơn, nhưng thiết bị phức tạp, cònquấn phẳng chỉ cho phép rải sợi theo quỹ đạo phẳng, nhưng thiết bị đơn giản, chi phí chếtạo thiết bị rẻ hơn,… Nghiên cứu thiết kế vỏ trụ compozit có lỗ cực đóng kín nhận được bằng sơ đồ quấn274 Đ. V. Hiến, …, T. T. T. Vân, “Biên dạng đáy vỏ compozit … phương pháp quấn phẳng.”Nghiên cứu khoa học công nghệphẳng đã được Hartung (1963) [1],Vydrin (1978) [2] và Bunakov (1982) [3] (trongVasiliev (2009) [4]) thực hiện, song chưa có nghiên cứu công bố về quấn phẳng vỏcompozit dạng trụ có lỗ cực hở. Nhằm xây dựng cơ sở cho việc thiết kế chế tạo vỏ động cơ tên lửa bằng vật liệucompozit, từ phân tích trên trên, bài báo trọng tâm xây dựng mô hình toán và thuật giải đểtìm biên dạng đáy vỏ trụ compozit có lỗ cực hở theo sơ đồ quấn phẳng. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN2.1. Góc quấn sợi trong quấn phẳng – quan hệ hình học Xét một vỏ trụ với lỗ cực hở, có đường kinh tuyến lồi và một sợi (hoặc một băng sợi)được đặt trên vỏ theo quỹ đạo phẳng được mô tả trong hệ tọa độ cực (z, r, ) như hình 2,có các đặc trưng chính sau: - Sợi được rải trên vỏ có bán kính trụ là R và được rải trên đáy vỏ theo quỹ đạo phẳngđi qua mép lỗ cực của vỏ có bán kính rp; - Hình chiếu của quỹ đạo sợi lên mặt phẳng vuông góc tạo với trục z một góc  và cómột khoảng cách lệc tâm e; - Vỏ chịu áp lực trong p và không có lực phân bố tại lỗ cực do là lỗ cực hở mà khác vớivỏ có lỗ cực đóng kín, có lực phân bố đường do áp lực trong gây ra. Hình 2. Các tham số hình học của vỏ trụ được quấn phẳng. Tiếp theo, xét một điểm A nằm trên quỹ đạo sợi (hình 3), ta có: r.d r.(d / dz ) r.(d / dz ) tan     (1) dsm dsm ...