BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----------

Vũ Quốc Hiến

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY
CHỨA CHẤT LỎNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----------

Vũ Quốc Hiến

NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY
CHỨA CHẤT LỎNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62510101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

học Xây dựng, Đại học Kiến trúc, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học
thủy lợi, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên, Đại học Công nghiệp Việt trì…đã đóng
góp nhiều ý kiến quý báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Thủy sản
Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Vật liệu Composite – Đại học Bách khoa
Hà nội đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể các cán bộ, giảng viên Viện Cơ học Việt Nam, Phòng
thí nghiệm kiểm soát rung và ồn – Viện Cơ học Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt
quá trình đo đạc thí nghiệm.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp Việt trì và tập
thể các cán bộ, giảng viện Khoa Cơ khí đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật
chất, tinh thần để hoàn thành nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình
học tập và nghiên cứu luận án.

NCS. Vũ Quốc Hiến


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 5
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 5
1.1. Dao động tự do của vỏ trụ, vỏ trụ bậc composite không và có chứa chất lỏng .............. 8
1.1.1. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ không và có chứa chất lỏng ................. 8
1.1.2. Các nghiên cứu về dao động của vỏ trụ bậc không và có chứa chất lỏng ......... 10

2.5. Phương trình chuyển động của vỏ trụ Composite chứa chất lỏng ................................ 26
2.6. Phương trình chất lỏng ................................................................................................. 27
2.7. Ma trận độ cứng động lực của vỏ trụ Composite chứa chất lỏng ................................. 29
2.8. Tính toán tần số dao động của vỏ trụ bậc Composite chứa và không chứa chất lỏng.. 34
2.8.1. Mô hình vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng................................................... 34
2.8.2. Điều kiện liên tục của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ............................. 35
2.8.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ................ 35
2.8.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 40
2.8.4.1. Kiểm tra độ tin cậy của kết quả ................................................................... 41
2.8.4.2. Kết quả tính tần số dao động của vỏ trụ bậc composite chứa chất lỏng ..... 48
2.9. Kết luận chương 2 ........................................................................................................ 55
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 57
NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA KẾT CẤU VỎ TRÒN XOAY NÓN–TRỤ,
NÓN-TRỤ-NÓN VÀ NÓN-NÓN-NÓN COMPOSITE CHỨA VÀ KHÔNG CHỨA CHẤT
LỎNG .................................................................................................................................. 57
3.1. Mô hình tính dao động tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ...................... 57
3.2. Mô hình vỏ nón composite chứa chất lỏng................................................................... 58
3.3. Quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và nội lực ............................................................... 58
3.3.1. Quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị (với R(x)=R1+x.sin): .......................... 58
3.3.2. Quan hệ giữa nội lực và chuyển vị .................................................................... 59
3.4. Phương trình chuyển động của vỏ nón chứa chất lỏng................................................. 59
3.5. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón Composite chứa chất lỏng ............................... 60
3.6. Tính toán tần số dao động của vỏ nón-trụ Composite chứa chất lỏng ......................... 66
3.6.1. Mô hình vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng .................................................. 66
3.6.2. Điều kiện liên tục của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ............................ 66
ii


3.6.3. Ma trận độ cứng động lực của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng ............... 67
3.6.4. Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 69


4.5.1.1. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ composite mẫu CT-27............ 111
4.5.1.2. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ composite mẫu CT-14............ 114
4.5.2. Kết quả đo dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón composite ............................. 117
4.6. Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 119
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 125
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 134

iv


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
[A]:

Ma trận độ cứng màng

[B]:

Ma trận độ cứng tương tác màng–uốn-xoắn

[C]:

Ma trận độ cứng trong quan hệ ứng suất–biến dạng của vật liệu dị
hướng

C:

Biên ngàm


Chiều cao mức chất lỏng trong vỏ

h:

Chiều dày vỏ

hk:

Chiều dày lớp vật liệu thứ k

kx, k, kx:

Các thành phần biến dạng uốn và xoắn của vỏ trong hệ tọa độ trụ

[K()]:

Ma trận độ cứng động lực

L:

Chiều dài đường sinh vỏ

Mx, M, Mx:

Các thành phần mô men uốn và xoắn của vỏ

N x , N , N x :

Các thành phần lực màng của vỏ


Biên tựa
v


[T()]:

Ma trận truyền

u, v, w:

Các thành phần chuyển vị theo các phương x,y,z

u0, v0, w0;

Các thành phần chuyển vị tại mặt trung bình của vỏ

{U}:

Véc tơ chuyển vị

{y}m:

Véc tơ trạng thái

(x,z,θ):

Hệ tọa độ trụ

(x,y,z):


ij:

Hệ số poisson của vật liệu theo phương ij

x, :

Các thành phần góc xoay quanh trục θ và trục x

:

Hàm thế vận tốc

:

Tần số dao động tự do

:

Tần số dao động tự do không thứ nguyên

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Các kết cấu vỏ composite chứa hóa chất của nhà máy hóa chất Việt Trì.. .......... 5
Hình 1. 2. Các kết cấu vỏ ghép nối nón-trụ composite, trụ bậc composite của nhà máy sản
xuất Amon Nitrat Thái Bình.. ................................................................................................ 6
Hình 1. 3. Các kết cấu vỏ ghép nối composite được ứng dụng trong hằng không và đóng
tàu.. ........................................................................................................................................ 7

Hình 3. 7. Mô hình vỏ trụ-nón Composite. .......................................................................... 71
Hình 3. 8. Ảnh hưởng của vật liệu vỏ, kết cấu vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ trụ, nón,
nón-trụ composite chứa chất lỏng. ...................................................................................... 79
Hình 3. 9. Ảnh hưởng của điều kiện biên, khối lượng riêng chất lỏng đến tần số dao động
tự do của vỏ nón-trụ composite chứa chất lỏng. ................................................................. 81
Hình 3. 10. Thông số hình học của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất lỏng. ................. 83
Hình 3. 11. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ nón-trụ-nón composite chứa chất
lỏng. ..................................................................................................................................... 84
Hình 3. 12. Phương pháp thu nhận đường cong đáp ứng cho vỏ nón-trụ-nón composite
chứa chất lỏng. .................................................................................................................... 85
Hình 3. 13. Đường cong đáp ứng cho vỏ nón-trụ-nón composite chứa đầy chất lỏng. ...... 87
Hình 3. 14. Ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón
composite chứa chất lỏng (α=90). ....................................................................................... 87
Hình 3. 15. Ảnh hưởng của nón phân kì và hội tụ đến tần số dao động tự do của vỏ nóntrụ-nón composite chứa chất lỏng. ...................................................................................... 89
Hình 3. 16. Ảnh hưởng của kích thước vỏ đến tần số dao động tự do của vỏ nón-trụ-nón
composite chứa chất lỏng (α=90). ....................................................................................... 91
Hình 3. 17. Thông số hình học của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất lỏng. ................ 93
Hình 3. 18. Mô hình ghép nối ma trận động lực của vỏ nón-nón-nón composite chứa chất
lỏng. ..................................................................................................................................... 94
Hình 3. 19. Đường cong đáp ứng cho vỏ nón-nón-nón composite chứa đầy chất lỏng. ..... 98
Hình 3. 20. Ảnh hưởng của mức chất lỏng đến tần số dao động tự do của vỏ nón-nón-nón
composite chứa chất lỏng. ................................................................................................. 100
Hình 3. 21. Ảnh hưởng của góc nón α1, α2, α3 đến tần số dao động tự do của vỏ nón-nónnón composite chứa chất lỏng. .......................................................................................... 101
Hình 4. 1. Thông số kích thước các mẫu thí nghiệm hình nón-trụ, nón-trụ-nón composite.
........................................................................................................................................... 105
Hình 4. 2. Mẫu thí nghiệm hình nón-trụ, nón-trụ-nón composite. .................................... 106
Hình 4. 3. Sơ đồ minh họa các thiết bị đo và các điểm đặt đầu đo trên vỏ. ...................... 107

viii


Bảng 2. 4. So sánh tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với điều kiện
biên ngàm–ngàm, mode n=1. .............................................................................................. 45
Bảng 2. 5. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện
biên ngàm–tự do, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] 2 ....................................................... 49
Bảng 2. 6. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện
biên ngàm–tự do, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] s . ...................................................... 50
Bảng 2. 7. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện
biên ngàm–ngàm, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] 2 . ..................................................... 51
Bảng 2. 8. Tần số dao động tự do (Hz) của vỏ trụ bốn bậc composite, với các điều kiện
biên ngàm–ngàm, n=1 và 2, cấu hình [00/900/00/900] s . ..................................................... 52



 

Bảng 3. 1. So sánh tần số   R2  1   2 / E

1/ 2

của vỏ nón-trụ kim loại. ..................... 69

Bảng 3. 2. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11 

1/ 2

và số mode dao động

vòng (m) tương ứng của vỏ trụ-nón Composite trực hướng (với =00). ............................ 72
Bảng 3. 3. So sánh tần số dao động nhỏ nhất 1  R1 h / A11 


và số mode dao động

vòng (m) tương ứng của vỏ nón-nón Composite trực hướng. ............................................. 95
Bảng 3. 13. So sánh tần số dao động (Hz) và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ
nón-nón-nón Composite trực hướng chứa chất lỏng (n=1, α1=600, α2=450, α3=300, biên
ngàm–tự do). ........................................................................................................................ 97
Bảng 3. 14. So sánh tần số dao động (Hz) và số mode dao động vòng (m) tương ứng của vỏ
nón-nón-nón Composite trực hướng chứa chất lỏng (n=1, α1=450, α2=300, α3=150, biên
ngàm–tự do). ........................................................................................................................ 99
Bảng 4. 1. Thông số kỹ thuật của các mẫu vật liệu Composite sợi thủy tinh/nền polyester,
cấu hình [00/900/00/900]. ................................................................................................... 105
Bảng 4. 2. Danh mục thiết bị và phần mềm đo thí nghiệm................................................ 108
Bảng 4. 3. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ Composite trực hướng (CT27) chứa các mức chất lỏng khác nhau ............................................................................. 111
Bảng 4. 4. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ Composite trực hướng (CT14) chứa các mức chất lỏng khác nhau ............................................................................. 114
Bảng 4. 5. So sánh tần số dao động (Hz) của mẫu vỏ nón-trụ-nón Composite trực hướng
(CTC-9) chứa các mức chất lỏng khác nhau. .................................................................... 117

xi


MỞ ĐẦU
Các kết cấu dạng vỏ tròn xoay bằng vật liệu composite lớp cốt sợi/nền nhựa hữu cơ
như vỏ trụ composite, vỏ nón composite, vỏ trụ nối với vỏ nón hoặc vỏ nón nối với vỏ trụ,
vỏ nón nối với vỏ trụ rồi lại nối với vỏ nón composite v.v 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, hóa
chất v.v.
Ở Việt Nam, bằng vật liệu composite cốt sợi/nền nhựa hữu cơ, chúng ta đã chế tao và đưa
vào sử dụng nhiều vòm che máy bay cỡ nhỏ, nhiều tàu du lịch, tàu hai thân, các tháp chứa
nước, bồn chứa hóa chất, bồn chứa dầu, bể nuôi trồng thủy sản, ống dẫn nước đường kính