Thạc Sĩ Nghiên cứu dao động của kết cấu tấm và vỏ Composite có tính đến tương tác với chất lỏng

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN I
LỜI CẢM ƠN . II
MỤC LỤC III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . VI
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ . VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG . XII
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN . 4
1.1. DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA TẤM KIM LOẠI VÀ TẤM COMPOSITE LỚP TƯƠNG TÁC
VỚI CHẤT LỎNG . 5
1.2. DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA TẤM COMPOSITE LỚP ĐẶT TRÊN NỀN ĐÀN HỒI 7
1.3. DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA VỎ TRỤ COMPOSITE LỚP TƯƠNG TÁC VỚI CHẤT LỎNG 8
1.4. DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA VỎ NÓN CỤT COMPOSITE LỚP TƯƠNG TÁC CHẤT LỎNG 9
1.5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊ NH TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ DO KẾT CẤU
TẤM VỎ COMPOSITE LỚP . 9
1.6. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ LIÊN TỤC (PTLT) VÀ ỨNG DỤNG 10
1.6.1. Lý thuyết chung c ủa phương pháp PTLT . 10
1.6.2. Các bước giải bài toán b ằng phương pháp Phần tử liên t ục . 12
1.7. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TẠI VI ỆT NAM 14
1.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 . 15
CHƯƠNG 2: DAO ĐỘNG CỦA TẤM COMPOSITE LỚP TƯƠNG TÁC VỚI CHẤT
LỎNG VÀ TẤM ĐẶT TRÊN NỀN ĐÀN HỒI 16
2.1. TẤM COMPOSITE LỚP TƯƠNG TÁC VỚI CHẤT LỎNG 16
2.1.1. Cơ sở lý thuyết và xây dựng thuật toán . 16
2.1.1.1. Ứng xử động học của tấm . 16
2.1.1.2. Phương trình chuyển động của tấm Composite lớp tương tác với chất lỏng 21
2.1.1.3. Phương trình chuyển động chất lỏng [60] 21
2.1.1.4. Phân tích dao động của tấm Composite lớp sử dụng phương pháp PTLT . 25
2.1.1.5. Xây dựng ma trận độ cứng động lực
m
K ) ( 
. 29
IV
2.1.1.6. Ghép các ma trận độ cứng động 30
2.1.1.7. Đường cong đáp ứng và cách xác định tần số dao động tự do 31
2.1.2. Kết qu ả s ố . 32
2.1.2.1. Dao động tự do của tấm kim loại ngập trong nước 33
2.1.2.2. Dao động tự do của tấm Composite lớp đặt trong không khí 35
2.1.2.3. Dao động tự do của tấm Composite ngâm trong nước 41
2.1.3. Nhận xét 46
2.2. TẤM COMPOSITE LỚP ĐẶT TRÊN NỀN ĐÀN HỒI . 46
2.2.1. Cơ sở lý thuy ết và thu ật toán . 46
2.2.1.1. Phương trình chuyển động của tấm đặt trên nền đàn hồi 47
2.2.1.2. Phân tích dao động của tấm Composite lớp đặt trên nên đàn hồi bằng
phương pháp PTLT . 48
2.2.1.3. Xây dựng ma trận độ cứng động
 
m
 K
51
2.2.1.4. Ghép nối các ma trận độ cứng động 51
2.2.2. Kết qu ả s ố . 52
2.2.2.1.Dao động tự do của tấm Composite lớp không đặt trên nền đàn hồi . 53
2.2.2.2. Dao động tự do của tấm Composite lớp đặt trên nền đàn hồi 53
2.2.2.3. Dao động tự do của tấm Composite lớp trên nền đàn hồi không thuần nhất 57
2.2.3. Nhận xét 62
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 . 62
CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG CỦA VỎ TRỤ TRÒN COMPOSITE CHỨA CHẤT LỎNG 64
3.1. 1. Phương trình chuyể n động của vỏ tr ụ tròn Composite ch ứa nước . 64
3.1.2. Phương trình chuyển động của chất l ỏng 65
3.1.3. Phân tích dao động của vỏ tr ụ tròn Composite lớp 67
3.2. KẾT QUẢ SỐ 70
3.2.1. Dao động tự do của vỏ tr ụ tròn Composite lớp khi mức nước H/L= 0 (vỏ tr ụ khô) 70
3.2.2. Dao động tự do của vỏ tr ụ tròn Composite lớp chứa nước 74
3.3. KẾT LUẬN CHUƠNG 3 . 82
CHƯƠNG 4: DAO ĐỘNG CỦA VỎ NÓN CỤT COMPOSITE LỚP CHỨA CHẤT LỎNG 83
4.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 83
4.1.1. Phương trình chuyển động của vỏ nón cụt Composite l ớp chứa chất l ỏng . 83
4.1.2. Phân tích dao động của vỏ nó cụt Composite đúng tr ục ch ứa chất l ỏng 85
4.2. KẾT QUẢ SỐ 87
V
4.2.1. Dao động tự do của vỏ nón cụt Composite lớp khi tỉ số H/L= 0 (vỏ nón cụt khô) 88
4.2.2. Dao động tự do của vỏ nón cụt Composite lớp chứa các mức chất lỏng khác nhau 91
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 . 94
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG 96
5.1. CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM . 96
5.1.1. Vật li ệu chế tạo mẫu thí nghiệm và cơ tính 96
5.1.2. Các lo ại m ẫu thí nghiệm . 96
5.2. ĐỒ GÁ 99
5.3. THIẾT BỊ ĐO, GHI DỮ LIỆU . 100
5.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TẦN SỐ FFT (Fast Fourier Transform) . 100
5.5. QUY TRÌNH THỰC HIỆN 101
5.6. KẾT QUẢ ĐO TẦN SỐ DAO ĐỘNG RIÊNG . 103
5.6.1. Kết qu ả đo tần số dao động riêng của vỏ tr ụ Composite chứa nước . 103
5.6.2. Kết qu ả đo tần số dao động riêng của nón cụt Composite ch ứa chất lỏng . 110
5.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 115
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ . 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121
PHỤ LỤC . 129
VI
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
[] A
Ma trận độ cứng màng
[] B
Ma trận độ cứng tương tác màng-uốn
[] C
Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật
liệu dị hướng
[] D
Ma trận độ cứng vật liệu
a, b Kích thước tấm
i

Góc phương sợi lớp vật liệu thứ i của tấm Composite
ij

Hệ số Poisson của vật liệu theo phương ij
[] ij
Q
Ma trận độ cứng thu gọn
'
ij
[] Q
Ma trận độ cứng thu gọn trong hệ tọa độ (x,y,z)
i
E
Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i
ij
G
Mô đun đàn hồi trượt
, , , ,
xo yo xyo yo xo     
Các thành phần biến dạng tại mặt trung bình của tấm trong
hệ tọa độ x,y,z
, , , ,
x y xy xz yz
    
Các thành phần biến dạng trong hệ tọa độ x,y,z
,
xy 
Các thành phần góc xoay của pháp tuyến với mặt phẳng
trung bình của tấm quanh các trục y và x tương ứng
,, x y xy
N N N
Các thành phần lực màng của tấm
,, ss N N N

Các thành phần lực màng của vỏ nón cụt
,, xx N N N

Các thành phần lực màng của vỏ trụ
,, ss M M M

Các thành phần momen uốn và xoắn của nón cụt
,, x y xy M M M
Các thành phần momen uốn và xoắn của tấm
,, xx M M M

Các thành phần momen uốn và xoắn của vỏ trụ
, , , ,
x y xy xz yz
    
Các thành phần ứng suất trong hệ tọa độ x,y,z
 Tần số dao động tự do không thứ nguyên

(k)
Trọng lượng riêng của lớp thứ k
(x,y,z) Hệ tọa độ đề các
(x,z,) Hệ tọa độ trụ
{F}m Véc tơ lực kích thích đơn vị
{y}m Véc tơ biến trạng thái
f Hế số hiệu chỉnh cắt
f Tần số dao đông riêng (Hz)
H Chiều cao mức nước trong vỏ trụ tròn và vỏ nón cụt
VII
h Chiều dày tấm, vỏ
h
1
,h
2 Mức nước phía trên và phía dưới tấm
h
k
Chiều dày lớp vật liệu thứ k của tấm
k Số thứ tự lớp
K(ω) Ma trận độ cứng động
k
1
, k
2 Hệ số nền đàn hồi
K- Biên khớp
N- Biên ngàm
TD- Biên tự do
L Chiều dài đường sinh của vỏ trụ, vỏ nón cụt
P Áp suất chất lỏng tác dụng vào tấm, vỏ
PP PTLT (PTLT) Phương pháp phần tử liên tục
PP PTHH (PTHH) Phương pháp phần tử hữu hạn
,
xy QQ
Các thành phần lực cắt của tấm
,
s
QQ
Các thành phần lực cắt của vỏ nón cụt
,
x
QQ
Các thành phần lực cắt của vỏ trụ
R Bán kính trụ tròn
R1, R
2
Bán kính đáy nhỏ, đáy lớn của nón cụt
r1,
r
2 Hệ số nền không thứ nguyên
T(ω) Ma trận truyền
u,v,w Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z
u
o
,v
o
,wo
Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z tại mặt
phẳng trung bình của tấm
α Góc nghiêng của nón cụt
ρ
n
Khối lượng riêng của nước
Φ Hàm thế vận tốc
VplateF Chương trình tính tần số dao động riêng của tấm Composite
lớp ngập trong chất lỏng
VplateEF Chương trình tính tần số dao động riêng của tấm Composite
lớp đặt trên nền đàn hồi
VcylF Chương trình tính tần số dao động riêng của vỏ trụ tròn xoay
Composite lớp chứa chất lỏng
VconF Chương trình tính tần số dao động riêng của vỏ nón cụt
Composite lớp chứa chất lỏng
VIII
DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sản phẩm bể nuôi tảo composite của UNINSHIP. . 4
Hình 1.2. Bể nuôi thủy sản bằng composite của UNINSHIP. 4
Hình 1.4. Bể chứa hoá chất chuyên dụng bằng composite của công ty Crown. 5
Hình 2.1. Mô hình tấm Composite. . 16
Hình 2.2. Mô hình chất lỏng có mặt thoáng. . 23
Hình 2.3. Mô hình chất lỏng tiếp xúc với tường cứng. 23
Hình 2.4. Mô hình tấm ngập trong chất lỏng. . 24
Hình 2.5. Mô hình ghép 2 phần tử của tấm. 31
Hình 2.6. Cách đặt tải trọng đơn vị trên tấm. 31
Hình 2.7. Đường cong đáp ứng của kết cấu. . 32
Hình 2.8. Mô hình tấm tương tác chất lỏng. . 32
Hình 2.9. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm kim loại ngập trong các mức nước
khác nhau tính theo PTLT và Hashemi [60]. . 34
Hình 2.10. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm kim loại biến thiên theo tỉ số h
1
/a. 35
Hình 2.11. Đường cong đáp ứng của tấm Composite lớp, cấu hình [0
0
/90
0
/90
0
/0
0
], biên
TD-K-TD-K vẽ bằng PTLT và PTHH với các lưới chia khác nhau. . 36
Hình 2.12. Đường cong đáp ứng của tấm Composite lớp, cấu hình [0
0
/45
0
/0
0
/45
0
], biên
TD-K-TD-K vẽ bằng PTLT và PTHH với các lưới chia khác nhau. . 36
Hình 2.13. Đồ thị so sánh các tần số dao động không thứ nguyên của tấm Composite tính
bằng PTLT, PTHH và Reddy [103]. 38
Hình 2.14. Ảnh hưởng của tỉ số kích thước (h/a) đến tần số dao động không thứ nguyên
của tấm vuông Composite có số lớp vật liệu khác nhau, biên khớp bốn cạnh . 40
Hình 2.15. Ảnh hưởng của tính dị hướng của vật liệu (E
1/E
2
) đến tần số dao động không
thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp, cấu hình [θ
0
,- θ
0
]
4
, liên kết khớp bốn cạnh . 40
Hình 2.16. Ảnh hưởng của số lớp đến tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông
Composite lớp, góc sợi [θ
0
,- θ
0
]
n
, liên kết khớp bốn cạnh. . 41
Hình 2.17a. Ảnh hưởng của mức nước h
1
/a đối với tần số dao động không thứ nguyên của
tấm vuông Composite, cấu hình [0
0
/90
0
/0
0
/90
0
], liên kết khớp bốn cạnh. . 43
IX
Hình 2.17 b. Ảnh hưởng của mức nước h
1
/a đối với tần số dao động không thứ nguyên của
tấm vuông Composite, cấu hình [45
0
/-45
0
/45
0
/-45
0
], liên kết khớp bốn cạnh. 43
Hình 2.18. Ảnh hưởng của tỉ số h/a đến tần số dao động riêng của tấm vuông Composite
lớp cấu hình đối xứng, đúng trục và lệch trục, ngập trong nước (h
1
=h2
=2m). 44
Hình 2.19. Ảnh hưởng của số lớp vật liệu đến tần số dao động riêng của tấm vuông
Composite phản xứng, đúng trục, vật liệu Carbon/epoxy và Graphite/epoxy, ngập
trong nước (h
1
=h2
=2m), liên kết khớp bốn cạnh. 45
Hình 2.20. Mô hình tấm trên nền đàn hồi Pasternak. . 47
Hình 2.21. Ghép nối hai phần tử liên tục của tấm trên nền đàn hồi Pasternak. 51
Hình 2.22. Tấm trên nền không thuần nhất. 51
Hình 2.23. Tấm Composite đặt trên nền không thuần nhất g ồm 3 đoạn nền. . 52
Hình 2.24. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp, đặt trên nền
Winkler tính bằng PTLT và theo Malekzadeh [87]. . 54
Hình 2.25. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp, đặt trên nền
Pasternak tính bằng PTLT và theo Malekzadeh [87]. . 54
Hình 2.27. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp, liên kết khớp
bốn cạnh, đặt trên nền Pasternak tính bằng PTLT, Hui-Shen Shen [61] và Akavci [31]. . 56
Hình 2.28. Ảnh hưởng của tỉ số h/a đến tần số dao động không thứ nguyên thứ nhất của
tấm vuông Composite lớp [0
o
/90
o
/0
o
] đặt trên nền đàn hồi. 56
Hình 2.29. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm composite lớp phản xứng, lệch trục
đặt trên nền đàn hồi khi số lớp vật liệu thay đổi. . 57
Hình 2.30. Tấm Composite trên nền đàn hồi không thuần nhất. . 57
Hình 2.32. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm Composite lớp, cấu hình lệch trục,
đặt trên nền đàn hồi gồm nhiều đoạn nền có hệ số nền như nhau, tính bằng PTLT và PTHH. . 60
Hình 3.1. Mô hình vỏ trụ tròn xoay chứa chất lỏng 64
Hình 3.2. Đặt tải trọng đơn vị trên vỏ trụ . 70
Hình 3.3. Đường cong đáp ứng của vỏ trụ tròn xoay Composite lớp đối xứng, đúng trục
[0
o
/90
o
/90
o
/0
o
], biên ngàm - tự do, vẽ bằng PTLT và PTHH. 71
Hình 3.4. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ trụ tròn xoay Comopsite lớp đối xứng,
đúng trục, liên kết khớp - khớp. 72
X
Hình 3.5. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ trụ tròn xoay Comopsite lớp, cấu hình
đối xứng, đúng trục, liên kết ngàm - tự do. . 73
Hình 3.6. Đường cong đáp ứng của vỏ trụ tròn xoay Composite, đối xứng, đúng trục, chứa
đầy nước (H/L=1), biên ngàm tự do vẽ bằng PTLT và PTHH . 74
Hình 3.7. Tần số dao động riêng của vỏ trụ Composite lớp, đối xứng, đúng trục, biên ngàm
- tự do với các mức nước khác nhau, (với n=1-5 và m=1). 77
Hình 3.8. Ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động riêng của vỏ trụ tròn
Composite lớp, đối xứng, đúng trục, biên ngàm - tự do và biên ngàm - ngàm. 78
Hình 3.10. Ảnh hưởng của số lớp vật liệu đến tần số dao động riêng của vỏ trụ tròn
Composite lớp, đối xứng, đúng trục, chứa nước, liên kết ngàm - tự do. . 81
Hình 4.2. Hệ trục tọa độ trong bài toán nón cụt. . 83
Hình 4.3. Đặt tải trọng đơn vị trên vỏ nón cụt. . 87
Hình 4.4. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ nón cụt Composite lớp phản xứng,
đúng trục, biên khớp – khớp tính theo các lý thuyết tính khác nhau. . 89
Hình 4.5. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ nón cụt Composite lớp phản xứng,
đúng trục, liên kết ngàm - ngàm theo các lý thuyết khác nhau. . 89
Hình 4.6. Ảnh hưởng của góc nghiêng của nón đến tần số dao động không thứ nguyên của
vỏ nón cụt Composite [0
o
/90
o
], liên kết khớp – khớp. 91
Hình 4.7. Ảnh hưởng của mức nước đến tần số dao động riêng của vỏ nón cụt Composite
lớp [0
o
/90
o
/0
o
/90
o
] chứa nước, đáy lớn ngàm, đáy nhỏ tự do. 93
Hình 4.8. Ảnh hưởng của góc nghiêng nón cụt đến tần số dao động riêng của nón cụt
Composite lớp phản xứng, đúng trục, chứa nước, biên ngàm - tự do. . 94
Hình 5.1. Mẫu thí nghiệm hình trụ. . 97
Hình 5.2. Mẫu thí nghiệm hình nón cụt. 97
Hình 5.5. Dán vải sợi lên khuôn. Hình 5.6. Tẩm keo. . 98
Hình 5.7. Mẫu trụ sau khi tháo khuôn. Hình 5.8. Chế tạo phần đáy trụ và nón cụt 98
Hình 5.9.Mẫu hoàn thiện phần đáy. Hình 5.10. Các mẫu hoàn thiện tại xưởng. 98
Hình 5.12. Tấm thép đỡ cùng đai thép. Hình 5.13. Trụ C1 được ngàm chặt vào giá đỡ. . 99
Hình 5.14. Ngàm cứng một đầu mẫu, mô hình mẫu một đầu ngàm một đầu tự do. 99
Hình 5.15. Sơ đồ minh họa các thiết bị đo và các điểm đo. . 101
XI
Hình 5.16. Vị trí đầu đo để xác định tần số dao động của mẫu N1 và C2. . 102
Hình 5.17. Đồ thị tín hiệu rung động trong miền thời gian. . 102
Hình 5.18. Đồ thị tín hiệu rung động trong miền tần số. 102
Hình 5.19. Ảnh hưởng của mức nước đến tần số dao động riêng của mẫu trụ tròn
Composite C1, theo kết quả thực nghiệm và kết quả tính bằng PTLT. . 106
Hình 5.20. Ảnh hưởng của mức nước đến tần số dao động riêng của mẫu trụ tròn
Composite C2, theo kết quả thực nghiệm và kết quả tính bằng PTLT. . 106
Hình 5.22. Đường cong đáp ứng của trụ C1 với mức nước H/L=0.5. 107
Hình 5.23. Đường cong đáp ứng của trụ C2 chứa đầy nước. . 108
Hình 5.24. Ảnh hưởng của mức nước đến tần số dao động riêng của các mẫu trụ Composite
chứa nước theo kết quả thí nghiệm. . 109
Hình 5.25. Ảnh hưởng của chiều dài trụ đến tần số dao động của vỏ trụ chứa nước . 110
Hình 5.26. Biểu đồ so sánh tần số dao động riêng tính bằng PTLT và kết quả thí nghiệm
của mẫu vỏ nón cụt N1 với các mức nước khác nhau . 113
Hình 5.27. Biểu đồ so sánh tần số dao động riêng tính bằng PTLT và kết quả thí nghiệm
của mẫu nón cụt N2 với các mức nước khác nhau 113
Hình 5.28. Biểu đồ so sánh tần số dao động riêng tính bằng PTLT và kết quả thí nghiệm
của mẫu trụ N3 với các mức nước khác nhau. . 113
Hình 5.29. Biểu đồ xét hưởng của mức nước (H/L) đến tần số dao động riêng của vỏ nón
cụt Composite chứa nước. . 114
Hình 5.30. Ảnh hưởng của chiều dài nón cụt đến tần số dao động riêng của mẫu nón cụt
Composite chứa các mức nước khác nhau. 115
XII
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Tần số dao động không thứ nguyên  của tấm đẳng hướng, liên kết kh ớp bốn cạnh,
ngập trong nước với các m ức nước khác nhau. 33
Bảng 2.2. Thời gian tính toán c ủa máy tính khi tính tần số dao động riêng của tấ m vuông
Composite lớp cấu hình [0
0
/45
0
/0
0
/45
0
], biên T D-K-TD- K. 36
Bảng 2.3. Tầ n số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp, biên khớp trên
bốn cạ nh đặt trong không khí. . 37
Bảng 2.4. Tầ n số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp phản xứng lệch
tr ục, biên N-K-N- K. 38
Bảng 2.5. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp phản xứng lệch
tr ục, h/a=0.1, với các đi ều kiện biên khác nhau 39
Bảng 2.6. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm chữ nhậ t Composite, biên kh ớp, với t ỉ lệ
các kích thước a/b, h/a và góc phương s ợi khác nhau [θ
o
, - θ
o
, θ
o
, - θ
o
] 39
Bảng 2.7. Tần số dao động không thứ nguyên của tấ m vuông Composite lớp, liên kết kh ớp bốn
cạnh với các m ức ng ập trong nước khác nhau. 42
Bả ng 2.8. Tầ n s ố dao đ ộ ng riêng (Hz) c ủ a t ấ m vuông Composite lớ p liên k ế t kh ớ p, ng ậ p trong nư ớc,
với t ỉ s ố h/a thay đổi 44
Bảng 2.9. Tần số dao động riêng (Hz) của tấ m vuông Composite lớp ngâm trong
nước(h
1
=h2
=2m), số lớp vậ t li ệu thay đổi. . 45
Bảng 2.10. Tần số dao động riêng (Hz) của tấm Compsite lớp ngập trong nước (h
1
=
h
2
= 2m), biên khác nhau. 45
Bảng 2.11. Tần số dao động không thứ nguyên của tấ m Composite lớp không đặ t trên n ền đàn
hồi v ới các đi ề u kiện biên khác nhau. 53
Bảng 2.12. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp [ 0
0
/90
0
/90
0
/0
0
],
liên k ế t kh ớp bốn cạnh, đặ t trên n ền đàn hồi Winkler và Pasternak. . 54
Bảng 2.13. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp đặt trên nền
đàn hồi, với t ỉ số h/a thay đổi. 55
Bảng 2.14. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite có số l ớp vậ t li ệu
khác nhau, liên kế t kh ớp bốn cạnh, đặ t trên n ền đàn hồi Winkler và Pasternak. 57
XIII
Bảng 2.15. Tần số dao động không thứ nguyên của tấm vuông Composite lớp đúng trục biên
TD-K-TD-K, đặ t trên n ền đàn hồi g ồm nhiều đoạ n nề n hệ số nền giống nhau. 58
Bảng 2.16. Tầ n số dao động không thứ nguyên của tấm Composite lớp, lệch trục, biên TD- KTD-K, đặ t trên n ền đàn hồi g ồm nhiều đoạn nền có hệ số nề n như nhau. 59
Bảng 2.17. Tần số dao động không thứ nguyên của tấ m Composite lớp, đúng trục và lệch trục,
biên khớp trên bốn cạnh. 60
Bảng 2.18. Tầ n số dao động không thứ nguyên của tấm Composite lớp, đúng trục và lệch trục
với các đi ều kiện biên khác nhau . 61
Bảng 3.1. Tần số dao động riêng (Hz) của vỏ tr ụ tròn Composite [0
o
/90
o
/90
o
/0
o
], biên ngàm - t ự
do, h=0.0254m, R/h=20, L/R=2. . 71
Bảng 3.2. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ tr ụ tròn xoay Composite l ớp cấu hình
đúng trục, liên kế t kh ớp – khớp. . 72
Bảng 3.3. Tần số dao động không thứ nguyên đầu tiên của vỏ tr ụ tròn xoay Composite lớp liên
kết ngàm - tự do. 73
Bảng 3.4. Thời gian tính toán c ủa máy tính khi tính tầ n số dao động riêng của vỏ tr ụ Composite
lớp [0°/90°]s , ch ứa đầy nước, biên ngàm - tự do. . 75
Bảng 3.5. Tần số dao động riêng (Hz) của vỏ tr ụ tròn Composite l ớp đối x ứng đúng trục chứa
chất l ỏng, biên ngàm - tự do. 75
Bảng 3.6. Tần số dao động riêng của vỏ tr ụ tròn Composite l ớp đối xứng, đúng trục, chứa các
mức nư ớc khác nhau. 78
Bảng 3.7. Tần số dao động riêng (Hz) của vỏ tr ụ tròn Composite lớp đối x ứng đúng trục biên
ngàm - t ự do chứa nước, bề dày trụ R/h thay đổi 79
Bảng 3.8. Tần số dao động riêng (Hz) của vỏ tr ụ tròn Composite lớp đối x ứng đúng trục biên
ngàm - t ự do chứa nước khi số lớp vậ t li ệ u thay đổi. 80
Bảng 4.1. Tần số dao động không thứ nguyên  của nón cụt Composite l ớp phản xứng, đúng
tr ục, biên khớp – khớp. . 88
Bảng 4.2. Tần số dao động không thứ nguyên  của nón cụt Composite l ớp phản xứng, đúng
tr ục, biên ngàm - ngàm. 89
Bảng 4.3. Tầ n số dao động riêng (Hz) của vỏ nón cụt Composite l ớp đối xứng, đúng trục, biên
ngàm- ngàm và khớp- khớp. 90
XIV
Bảng 4.4. Tần số dao động không thứ nguyên của vỏ nón cụt Composite [0
o
/90
o
] khô, v ới t ỉ lệ
h/R
2
thay đ ổi và góc nghiêng c ủa nón cụt khác nhau. 90
Bảng 4.5. Tầ n số dao động riêng (Hz) của vỏ nón cụt Composite lớp [0
o
/90
o
/0
o
/90
o
] chứa
nước, biên ngàm - t ự do, góc nghiêng α=60
o
. . 92
Bảng 4.6. Tần số dao động riêng (Hz) c ủa vỏ nón cụt Composite l ớp [0
o
/90
o
/0
o
/90
o
] chứa nước,
biên ngàm – tự do, góc nghiêng α=30
o
. . 92
Bảng 4.7. Tần số dao động riêng (Hz) của vỏ nón cụt Composite lớp phản xứng, đúng trục,
chứa nư ớc, liên kế t ngàm – tự do, góc nghiêng của nón thay đổi. . 93
Bảng 5.1. Thông số hình học các mẫ u thí nghiệm . 99
Bảng 5.2. Tần số dao động riêng (Hz) của mẫu trụ Composite C1 biên ngàm- tự do với các
mức nư ớc khác nhau. 103
Bảng 5.3. Tần số dao động riêng (Hz) của mẫu trụ Composite C2 biên ngàm - tự do với các
mức nư ớc khác nhau. 104
Bảng 5.4. Tần số dao động riêng (Hz) của mẫu trụ Composite C3 biên ngàm - tự do với các
mức nư ớc khác nhau. 105
Bảng 5.5. Ảnh hưởng của mức nư ớc đến tần số dao động riêng c ủa các mẫu trụ Composite theo
kết qu ả thí nghi ệm. 109
Bảng 5.6. Tầ n số dao động riêng (Hz) của mẫu nón cụt Composite N1 biên ngàm - tự do với
các mức nước khác nhau. . 110
Bảng 5.7. Tần số dao động riêng (Hz) của mẫ u nón cụt Composite N2 biên ngàm - tự do với
các mức nước khác nhau. . 111
Bảng 5.8. Tần số dao động riêng (Hz) c ủa mẫ u nón cụt Composite N3 biên ngàm - tự do với
các mức nước khác nhau. . 112
Bảng 5.9. Ảnh hưởng của mức nước đến tần số dao động riêng của các mẫu nón cụt
Composite. . 114
1
MỞ ĐẦU
Các kết cấu tấm, vỏ trụ tròn và vỏ nón cụt bằng vật liệu Composite cốt sợi/ nền nhựa hữu cơ
ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại trên thế giới như: công
nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp tàu thủy, công nghiệp điện hạt nhân, công nghiệp xây
dựng, công nghiệp cơ khí, hoá chất v.v
Ở Việt Nam, bằng vật liệu Composite cốt sợi/nền nhựa, chúng ta đã chế tạo và đưa vào sử
dụng nhiều vòm che máy bay cỡ nhỏ, nhiều tàu du lịch, tàu hai thân, cửa cống chắn nước mặn,
cánh turbine gió, bàn đẩy tàu cánh ngầm, các bồn chứa nước, bồn chứa hóa chất, chứa dầu, bể
nuôi trồng thủy sản, các máng thải hóa chất, ống dẫn nước đường kính lớn đến 2m, v.v
Dao động của các kết cấu Composite nói trên trong môi trường chất lỏng bị thay đổi nhiều
so với điều kiện làm việc trong không khí. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu định lượng sự thay đổi của
tần số và dạng dao động riêng của các kết cấu tấm và vỏ Composite lớp tương tác với chất lỏng có
ý nghĩa khoa học và có vai trò quan trọng trong kỹ thuật, cụ thể là trong tính toán, thiết kế tối ưu
các kết cấu nhằm đảm bảo sự an toàn cao nhất cho công trình.
Bài toán dao động tự do và cưỡng bức của các kết cấu kim loại đẳng hướng dạng tấm,
vỏ trụ tròn và vỏ nón cụt tiếp xúc chất lỏng đã được nghiên cứu từ 80-90 năm nay bởi Lamb
[84], Lindlhom [85], Jain [62] nhờ các lý thuyết tấm, vỏ và các phương pháp tính khác nhau:
phương pháp giải tích, phương pháp số và phương pháp thực nghiệm. Bài toán dao động của
các kết cấu Composite dạng tấm, vỏ tròn xoay tiếp xúc với chất lỏng mới được nghiên cứu
gần đây bởi Xi và các cộng sự [118, 119], do tính dị hướng cao của các lớp vật liệu gây ra
các tương tác cơ học màng-uốn-xoắn trong kết cấu dao động, kéo theo những tương tác phức
tạp khác khi tiếp xúc với chất lỏng. Do đó việc nghiên cứu lựa chọn (hoặc xây dựng) được
một lý thuyết phù hợp với kết cấu Composite cần tính toán, thiết kế cùng với một phương
pháp số có độ tin cậy cao để tìm lời giải số cho bài toán dao động của các kết cấu tấm
Composite ngâm trong chất lỏng và các vỏ trụ và vỏ nón cụt chứa chất lỏng là rất quan trọng
và cần thiết cho các nhà khoa học và các kỹ sư.
Xuất phát từ thực tế ứng dụng vật liệu Composite cốt sợi/ nền polyme ở Việt Nam và từ
phân tích các kết quả nghiên cứu hiện có về lĩnh vực dao động, luận án đã đặt vấn đề:
“Nghiên cứu dao động của kết cấu tấm và vỏ composite có tính đến tương tác với
chất lỏng”
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
+ Xây dựng thuật toán bằng phương pháp Phần tử liên tục (PTLT) hay còn gọi là
phương pháp Độ cứng động dựa trên lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất để giải quyết bài toán
dao động tự do của tấm Composite lớp ngâm trong chất lỏng, tấm Composite đặt trên nền đàn
hồi và vỏ Composite tròn xoay chứa một phần hoặc đầy chất lỏng.
+ Xây dựng chương trình tính trong môi trường Matlab để tìm lời giải số cho các bài
toán dao động tự do của tấm, vỏ Composite tròn xoay tương tác chất lỏng, tấm đặt trên
nền đàn hồi.
2
+ Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như mức chất lỏng, các tham số hình học của
kết cấu, tính dị hướng và cấu hình vật liệu, điều kiện biên đến tần số và dạng dao động tự do
của các kết cấu nói trên.
+ Thiết kế, chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm đo tần số dao động riêng của một số
mẫu Composite dạng vỏ tròn xoay chứa các mức nước khác nhau. Kết quả nghiên cứu thực
nghiệm được so sánh với kết quả tính toán số bằng chương trình tính đã lập.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu:
- Tấm Composite lớp chữ nhật ngâm trong chất lỏng và tấm Composite lớp chữ nhật
đặt trên nền đàn hồi không thuần nhất.
- Vỏ trụ tròn Composite lớp chứa chất lỏng.
- Vỏ nón cụt Composite lớp chứa chất lỏng.
- Các mẫu thí nghiệm dạng vỏ trụ tròn và vỏ nón cụt làm bằng Composite sợi thủy
tinh/nền polyester không no chứa nước.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu dao động riêng của các kết cấu tấm chữ nhật, vỏ trụ tròn, vỏ nón cụt
bằng vật liệu Composite lớp tương tác với chất lỏng. Các kết cấu trên làm việc trong giới hạn
đàn hồi tuyến tính, trực hướng và biến dạng bé.
- Sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Reissner-Mindlin.
- Chất lỏng được giả thiết là không nén được, không nhớt và không có chuyển động
xoáy. Khi dao động nước và kết cấu (tấm và vỏ) dao động cùng nhau.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Do có nhiều ưu điểm so với kim loại như độ bền riêng và môđun đàn hồi riêng cao,
chịu được môi trường hóa chất, không bị ôxy hóa, cách âm, cách nhiệt tốt nên vật liệu
Composite ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại và trong đời
sống trên thế giới cũng như ở nước ta. Để có thể thiết kế tối ưu và đảm bảo an toàn cao cho
các kết cấu Composite cốt sợi/nền nhựa hữu cơ, làm việc trong các môi trường chất lỏng, ta
cần tiến hành nghiên cứu giải các bài toán bền, ổn định và dao động của các kết cấu và phải
tính đến ảnh hưởng của chất lỏng đến ứng xử của các kết cấu này. Vì vậy, việc nghiên cứu về
dao động tự do của các kết cấu tấm, vỏ Composite lớp tương tác với chất lỏng có tính thời sự,
có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp lý thuyết: Áp dụng phương pháp Phần tử liên tục (hay còn gọi là phương
pháp Độ cứng động) dựa trên cơ sở lý thuyết tấm, vỏ bậc nhất của Reissner – Mindlin.
Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu, xây dựng qui trình thực nghiệm đo tần số dao
động riêng của vỏ tr ụ tròn và vỏ nón cụt Composite lớp chứa các mức nước khác nhau.
3
CẤU TRÚC LUẬN ÁN
Mở đầu
Chương 1: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về dao
động của kết cấu tấm Composite tương tác chất lỏng; tấm Composite đặt trên nền đàn hồi, vỏ
tròn xoay Composite lớp có chứa chất lỏng.
Chương 2: Nghiên cứu dao động tự do của tấm Composite lớp chữ nhật ngập trong
chất lỏng và tấm đặt trên nền đàn hồi không thuần nhất, bằng phương pháp phần tử liên tục.
Chương 3: Xây dựng thuật toán PTLT và viết chương trình tính trong môi trường
Matlab để nghiên cứu dao động tự do của vỏ trụ tròn Composite lớp chứa chất lỏng.
Chương 4: Xây dựng thuật toán PTLT và viết chương trình tính trong môi trường
Matlab nghiên cứu dao động tự do của vỏ nón cụt Composite lớp chứa chất lỏng.
Chương 5: Nghiên cứu tần số dao động riêng của mẫu trụ tròn, nón cụt Composite
sợi thủy tinh/nền polyester không no chứa nước bằng thực nghiệm.
Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của
luận án, hướng nghiên cứu phát triển của luận án.
Các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục: Kết quả thực nghiệm đo tần số dao động riêng của vỏ trụ và vỏ nón cụt
Composite sợi thủy tinh/polyester chứa các mức nước khác nhau