Đánh giá hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ composite đơn hướng nhận được bằng phương pháp quấn

Bài viết trình bày đánh giá hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ composite đơn hướng nhận được bằng phương pháp quấn. Nhằm tối ưu thiết kế, bài viết trình bày xác định ảnh hưởng của một số tham số kết cấu và vật liệu đến hiệu quả kết cấu của đáy vỏ bình áp lực composite đơn hướng dạng trụ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đánh giá hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ composite đơn hướng nhận được bằng phương pháp quấn Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Đánh giá hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ composite đơn hướng nhận được bằng phương pháp quấn Trần Ngọc Thanh*Viện Tên lửa/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.* Email: tntvtl@gmail.comNhận bài: 10/6/2023; Hoàn thiện: 15/8/2023; Chấp nhận đăng: 10/10/2023; Xuất bản: 25/10/2023.DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.90.2023.156-162 TÓM TẮT Theo xu thế, bình áp lực composite ngày càng được dùng rộng rãi để thay thế các bình áp lựckim loại. Một tiêu chí đánh giá bình áp lực composite là chỉ số hiệu quả kết cấu (F p), Fp =pb.V/W = pb.V/(.Vs), ở đó, pb, V, W,  và Vs lần lượt là áp suất phá hủy, thể tích bên trong, khốilượng bình, khối lượng riêng và thể tích vỏ composite. Như vậy, hiệu quả của bình áp lực phụthuộc vào các tham số vật liệu, chiều dày và phân bố chiều dày trên vỏ, cũng như các tham sốliên quan đến hình dạng vỏ và tọa độ lỗ cực. Trong khi, chiều dày và phân bố chiều dày vỏ lạiphụ thuộc vào cơ tính vật liệu và các tham số kết cấu-công nghệ quấn (trắc địa, phi trắc địahoặc phẳng). Nhằm tối ưu thiết kế, bài báo trọng tâm xác định ảnh hưởng của một số tham số kếtcấu và vật liệu đến hiệu quả kết cấu của đáy vỏ bình áp lực composite đơn hướng dạng trụ.Từ khoá: Hiệu quả kết cấu; Vỏ trụ composite; Bình áp lực composite; Quấn sợi. 1. MỞ ĐẦU Phát triển các kết cấu composite chịu áp lực trong nhận được bằng phương pháp quấn là mộtxu thế, trong đó, có kết cấu dạng trụ có đáy như các bình áp lực chứa khí nén, chất lỏng áp suấtcao hoặc vỏ động cơ tên lửa,... Về mặt thiết kế, một hướng tiếp cận đơn giản nhưng khá hiệu quảlà giả thiết vật liệu composite đơn hướng, khi chịu áp, nền chỉ đóng vai trò liên kết, sợi đóng vaitrò hấp thụ tải hoàn toàn giống như dạng dây mềm để cân bằng lực của toàn kết cấu. Cách tiếpcận này gọi là lý thuyết lưới. Theo kỹ thuật rải sợi, có 3 kiểu quấn cơ bản: - Quấn trắc địa là kiểu rải sợi lên bề mặt vỏ mà dưới tác dụng của lực căng sợi, không cóthành phần lực ngang tác động lên sợi, tức là sợi không có xu hướng trượt; - Quấn phi trắc địa là trường hợp tổng quát chung của các kỹ thuật quấn, ở đó, sợi luôn có xuhướng trượt khi quấn dưới tác động của lực căng sợi; - Quấn phẳng là trường hợp đặc biệt của quấn phi trắc địa, ở đó, sợi được rải theo quỹ đạonằm trong mặt phẳng. Do quỹ đạo sợi bị ràng buộc, nên sợi luôn nằm ở trạng thái không cânbằng, tức là, luôn có xu hướng trượt. Trên thế giới, việc nghiên cứu phát triển các vỏ trụ có đáy dựa trên lý thuyết lưới đã đượcphát triển qua nhiều năm và đã được tổng kết tương đối đa dạng trong tài liệu [1]. Ở Việt Nam,cũng đã có một số nghiên cứu về thiết kế và chế tạo bình áp lực dạng trụ có đáy, điển hình nhưcác công trình [2-5], đã đạt được một số thành tựu về lý thuyết như xây dựng được mô hình toánxác định biên dạng vỏ, chiều dày lớp composite,... và xác định các thông số công nghệ quấn. Để đánh giá một bình áp lực, có nhiều tiêu chí khác nhau, song một tiêu chí phổ dụng là chỉsố hiệu quả kết cấu: p .V Fp = b (1) Wở đó, pb, V và W là áp suất phá hủy, thể tích bên trong và khối lượng của vỏ. Như vậy, một bình áp lực được tối ưu theo chỉ số hiệu quả kết cấu là bình có khả năng chịu áptốt nhất, thể tích chứa lớn nhất, nhưng khối lượng là nhỏ nhất. Tuy nhiên, các nghiên cứu mang156 Trần Ngọc Thanh, “Đánh giá hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ … bằng phương pháp quấn.”Nghiên cứu khoa học công nghệtính phổ quát để phân tích và đánh giá mức độ hiệu quả kết cấu của bình áp lực được quấn sợitheo các kỹ thuật nêu trên còn chưa đầy đủ, nhất là ở Việt Nam còn chưa được nghiên cứu. Kế thừa các thành tựu trước đó, trong khuôn khổ bài báo, nhóm tác giả trọng tâm phân tích vàđánh giá chỉ số hiệu quả kết cấu của đáy vỏ trụ composite đơn hướng theo 3 kỹ thuật quấn đã nêuđể làm cơ sở tối ưu thiết kế bình áp lực. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1. Các tham số đặc trưng liên quan của đáy vỏ trụ composite a) b) Hình 1. Đặc trưng hình học của đáy vỏ trụ composite: a) Quấn xoắn; b) Quấn phẳng. Xét một đáy vỏ trụ composite (đáy bình áp lực) được quấn xoắn (trắc địa và phi trắc địa) vàquấn phẳng nằm trong hệ tọa độ cực (r, z, ) như hình 1. Một số tham số đặc trưng chính gồm: - R và rp là bán kính xích đạo và bán kính lỗ cực của vỏ; -  là góc quấn (góc tạo bởi tiếp tuyến của sợi và kinh tuyến của đáy vỏ); - e và  là khoảng cách lệch tâm và góc quấn ban đầu trên phần trụ (hình 1b); - p và q là áp lực bên trong vỏ và lực phân bố đường tại lỗ cực, q = p.rp/2 với vỏ có lỗ cựcđóng kín bằng nắp và q = 0 cho vỏ có lỗ cực hở.2.2. Phương trình biên dạng đáy vỏ trụ composite Biên dạng đáy vỏ trụ composite được thiết kế dựa trên điều kiện hình dạng cân bằng và điềukiện không trượt của sợi. Cho 3 trường hợp của kỹ thuật rải sợi, phương trình mô tả biên dạngđáy vỏ được xây dựng theo lý thuyết lưới như sau: - Quấn trắc địa [6]:  rp2 2.r 2  (1 + r 2 ) r =  2 −  r − rp2 r 2 − C p .rp2  . (2)  r  ...