Mô phỏng, kiểm tra bền vỏ bình gas composite

Nội dung text: Mô phỏng, kiểm tra bền vỏ bình gas composite

1. MƠ PHỎNG, KIỂM TRA BỀN VỎ BÌNH GAS COMPOSITE SIMULATION, DURABILITY EXAMINATION OF COMPOSITE GAS CYLINDER Nguyễn Hồi Sơn Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Lê Minh Chính Đại học Trần Đại Nghĩa TĨM TẮT Vấn đề kiểm tra bền cho vỏ bình gas composite cơ bản được dựa trên thử nghiệm. Việc ứng dụng phần mềm phân tích ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền vỏ bình gas compsite đã mang lại hiệu quả kinh tế, giúp cho việc tính tốn, thiết kế, kiểm tra bền đơn giản hơn. Trong bài báo này tác giả dùng phần mềm Ansys 12 phân tích ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền vỏ bình gas composite, làm cơ sở để thiết kế, phát triển sản phẩm vỏ bình gas composite tại Việt Nam. SUMMARY It is fact that durability examination of composite gas cylinders is basically via eperiments. The software application for the analysis of stress, deformation, durability examination of composite gas cylinders effectively brings economic outcome. Based on software Ansys 12 for the analysis of stress deformation, durability examination of composite gas cylinders, in this article, the author longs to design, develop composite gas cylinders in Vietnam. 1. MƠ HÌNH HĨA VỎ BÌNH GAS COMPOSITE Vỏ bình gas dùng để mơ phỏng, kiểm tra bền làm từ vật liệu Composite – FRP (cốt là sợi thủy tinh trên nền nhựa Epoxy khơng no) được sản xuất bởi Cơng ty TTA Composite, cĩ các thơng số thiết kế [5], Hình 1.1: Mơ hình vỏ bình gas composite được mơ hình hĩa như sau: 2. TÍNH ỨNG SUẤT THÂN TRỤ CHỊU Bảng 1.1: Thơng số bình gas composite ÁP SUẤT TRONG [3]. Chiều cao vỏ bình H : 470 mm 2.1. Trường hợp vỏ trụ mỏng Đường kính vỏ bình D : 300 mm r Tỷ lệ giữa bán kính và chiều dày: 10 t Chiều dày vỏ bình  : 8 mm Áp suất chứa gas p : 7 bar Áp suất an tồn pat : 20 bar Áp suất thiết kế ptk : 30 bar Áp suất lớn nhất theo ptc : 60 bar Hình 2.1: Ứng suất trên ống trụ chịu áp tiêu chuẩn suất trong Áp suất thử nổ ptn : 120 bar Các cơng thức tính ứng suất:
2. pR Vỏ bình chứa LPG bằng vật liệu composite  (2-1) l 2t cĩ các số liệu như sau: pR r 150 mm ; p 3 MPa ; t 8 mm  t (2-2) t Các bước tính:  r 0 (2-3) - Kiểm tra tỷ lệ r/ t để áp dụng cơng thức tính ứng suất. r 150 2.2. Trường hợp vỏ trụ dày 10 => Vỏ trụ mỏng r t 8 Tỷ lệ giữa bán kính và chiều dày: 10 t - Áp dụng các cơng thức (2-1, 2-2, 2-3) pR3 x 150  28,125 MPa l 2tx 2 8 pR3 x 150  56,25 MPa  t t t 8  r 3. MƠ PHỎNG PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG, ỨNG SUẤT VỎ BÌNH GAS COMPOSITE Hình 2.2: Ứng suất phân bố trên vỏ trụ Ứng dụng mơi trường Static Structural dày trong ANSYS 12.0 [1] Các cơng thức tính ứng suất: -Thơng số đầu vào (bảng 3.1) [3] r 2 p 0 Bảng 3.1: Đặc tính vật liệu Composite  1 (2-4) t (mr22 1) Stt Đặc tính Giá trị ()rr (2-6) t i t, m ax 1. Mơđun đàn hồi X (Ex), MPa 34000 p  (2-7) 2. Mơđun đàn hồi Y (Ey), MPa 6530 l (m2 1) 3. Mơđun đàn hồi Z (Ez), MPa 6530 p r 2 0 4. Độ bền kéo, MPa 900  r 22 1 (2-8) (mr 1) 5. Độ bền nén, MPa 450 ()r r p (2-9) r i r, m ax i 6. Mơđun cắt XY (Gxy), MPa 2433 r Trong đĩ m 0 7. Mơđun cắt YZ (Gyz), MPa 1698 ri 8. Mơđun cắt ZX (Gzx), MPa 2433 =>Ứng suất của ống trụ chịu áp suất trong phụ thuộc vào tỷ lệ của bán kính bên 9. Hệ số Poisson XY (NUxy) 0,217 trong và bán kính ngồi (ro/ri) chứ khơng 10. Hệ số Poisson YZ (NUyz) 0,366 phụ thuộc vào kích thước của hình trụ. 11. Hệ số Poisson ZX (NUzx) 0,217 2.3. Áp dụng tính ứng suất thân trụ vỏ 3 bình gas composite chịu áp suất trong. 12. Khối lượng riêng kg/mm 2,6e-6 - Gán vật liệu:
3. Vật liệu chế tạo vỏ bình gas Composite – FRP cĩ cấu trúc cốt sợi thủy tinh, nền nhựa Epoxy, là vật liệu dị hướng, cĩ các thơng số khác nhau theo các hướng X, Y, Z. Ứng với các hướng cĩ các: Mơ đun đàn hồi Ex, Ey, Ez Hệ số poisson NUxy, NUyz, NUzx. Hình 3.4: Điều kiện biên tại mặt cắt song Mơ đun cắt Gxy, Gyz, Gzx song với trục z - Chia lưới phần tử cho mơ hình hình học của bài tốn (hình 3.1). Hình 3.5: Các điều kiện biên - Giải: Hình 3.1: Chia lưới Ta được kết quả phân tích ứng suất (hình - Đặt tải, ràng buộc và các điều kiện biên 3.6) và biến dạng (hình 3.7) của bài tốn: Vỏ bình gas chịu áp suất trong, tương đương với lực phân bố đều trên tồn bộ bề mặt trong của vỏ bình (hình 3.2) Hình 3.6: Ứng suất trên vỏ bình. Hình 3.2: Đặt tải Điều kiện biên đặt tại 2 vị trí mặt cắt vỏ bình (hình 3.3, 3.4) Hình 3.7: Biến dạng của vỏ bình. 4. KIỂM TRA BỀN CHO VỎ BÌNH GAS COMPOSITE – FRP Cơng thức tính ứng suất cho phép của vật liệu: SB Hình 3.3: Điều kiện biên tại mặt cắt song [] k (4-1) nB song với trục x Thay giá trị SB= 900 MPa và nB= 3, ta cĩ:
4. 900 KẾT LUẬN [ ]k 300MPa 3 Bảng 3.2: Kết quả phân tích ứng suất, biến Với giá trị ứng suất tính tốn và giá trị ứng dạng suất theo phân tích của vỏ bình gas E- Giá trị Biến Ứng Ứng Glass/Epoxy với áp suất thiết kế là 30 bar: áp dạng suất theo suất -Ứng suất theo tính tốn vỏ bình gas suất theo phân phân tích theo composite chịu áp suất trong 30 bar: (Bar) tích (MPa) tính (mm) tốn  tt 53,25 MPa (MPa) -Ứng suất theo phân tích vỏ bình gas 7 1,973 13,601 12,425 composite chịu áp suất trong 30 bar: 20 5,638 38,859 35,5  pt 58,289 MPa 30 8,457 58,289 53,25 So sánh: 60 16,915 116,58 106,5 So sánh kết quả ứng suất theo phân tích và 58,289 MPa <<[ ]k 300 MPa theo tính tốn ở các giá trị áp suất 7 bar, 20 Sản phẩm vỏ bình gas composite của cơng bar, 30 bar, 60 bar ta thấy sai lệch khơng ty TTA composite được thử áp suất theo đáng kể. tiêu chuẩn EN 12245 (hình 4.1), áp suất Căn cứ vào các kết quả tính tốn và mơ thử là 30 bar [4], [5]. phỏng phân tích ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền ta cĩ thể kết luận: Vỏ bình gas làm bằng vật liệu composite – FRP được sản xuất bởi cơng ty Thành Tài TTA Composite, với áp suất thiết kế là 30 bar bình gas composite – FRP đủ bền. Hình 4.1: Thử áp suất vỏ bình gas composite DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU SB : độ bền kéo của vật liệu ri : bán kính trong vỏ trụ nB : hệ số an tồn bền r0 : bán kính ngồi vỏ trụ r : bán kính trung bình vỏ trụ [] k : ứng suất kéo cho phép của vật liệu Ex : mơ đun đàn hồi theo hướng x  : ứng suất theo phân tích pt Ey : mơ đun đàn hồi theo hướng y  : ứng suất theo tính tốn tt Ez : mơ đun đàn hồi theo hướng z  r : ứng suất hướng kính pi : áp suất trong  t : ứng suất tiếp  l : ứng suất kéo theo chiều trục
5. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyêñ Văn Phái , Trương Tích Thiêṇ , Nguyêñ Tườ ng Long , Nguyêñ Điṇ h Giang , Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình Ansys, NXB Khoa hoc̣ và Kỹ thuâṭ [2]. Aziz Ưnder, First Failure Pressure of Composite Pressure Vessels, Dokuz Eylül University Graduate School of Natural and Applied Sciences, 2007. [3]. M.Venkatesan, D.Helmen Devaraj, design and analysis of composite leaf spring in light vehicle, Department of Mechanical Engineering, Sona College of Technology, Salem-5, India [4]. European standard EN 12245 [5]. Cơng ty TTA Composite Địa chỉ liên hệ: PGS.TS Nguyễn Hồi Sơn – Tel: 0903682514, Email: sonnh@hcmute.edu.vn Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.