LUẬN VĂN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỒN CHỨA LPG BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE , thuyết minh, động học, kết cấu máy, nguyên lý máy, cấu tạo máy, quy trình sản xuất
Mục lục
Tóm tắt luận văn....................................................................... i
Mục lục..................................................................................... ii
1. Dẫn Nhập.............................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................... 1
1.2 Mục đích đề tài............................................................. 1
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu.................................................... 1
1.4 Giới hạn đề tài.............................................................. 2
1.5 Điểm mới luận văn và giá trị thực tiễn......................... 2
2. Tìm hiểu vật liệu composite.................................................. 3
2.1 Khái niệm vật liệu composite........................................ 3
2.2 Chức năng của cốt sợi và nền....................................... 3
2.3 Ưu-khuyết điểm vật liệu composite.............................. 3
2.4 Phương pháp chế tạo vật liệu composite...................... 3
2.4.1 Khái niệm............................................................. 3
2.4.2 Ưu nhược điểm của công nghệ quấn................... 4
2.4.3 Giới thiệu các kiểu quấn...................................... 4
2.5 Các dạng cốt sợi và nền................................................ 4
2.6 Quan hệ giữa ứng suất-biến dạng lớp vật liệu trực hướng trường hợp tổng quát 4
2.7 Tiêu chuẩn bền vật liệu composite................................ 5
3. Lý thuyết tính toán vỏ composite......................................... 6
3.1 Vỏ mỏng tròn xoay tính theo lý thuyết mômen............ 6
3.2 Lý thuyết tổng quát vỏ trụ............................................ 9
4. Phân tích ứng suất bồn áp lực composite............................ 12
4.1 Phân tích ứng suất-biến dạng theo lý thuyết momen.. 12
4.1.1 Hình bán cầu đầu bồn........................................... 12
4.1.2 Thân bồn hình vỏ trụ............................................. 14
4.1.3 Xác định các thành phần lực, mômen, ứng suất-biến dạng tại vị trí bất kỳ theo phương x 16
4.1.4 Xác định ứng suất-biến dạng trong vật liệu composite 17
4.1.5 Thiết kế bồn composite ở dạng nhiều lớp lamina. 18
4.1.6 Giới hạn áp suất.................................................... 19
4.1.7 Ứng suất nhiệt trong vỏ trụ................................... 19
4.2 Ứng suất-biến dạng bồn composite nhiều lớp trong hệ tọa độ cực 20
5. Kết quả số
5.1 Thông số thiết kế bồn và vật liệu.......................................................................................................................................... 22
5.2 Mô phỏng sự ảnh hưởng góc độ sợi đền ứng suất-biến dạng theo chiều dài bồn, chiều dày bằng đồ thị ....................... .22
5.2.1 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của góc độ sợi đến chiều dày ................................................................................ 22
5.2.2 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của góc độ sới đến ứng suất........................................................................................... 24
5.2.3 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của góc độ sợi đến biến dạng ............................................................................... 26
5.2.4 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng nhiệt độ, góc quấn đến biến dạng, ứng suất trong hệ tọa độ ........................................27
5.3 Giao diện chương trình........................................................................................................................................................ 29
6. Kết luận và kiến nghị........................................................... 30
6.1 Kết luận.......................................................................... 30
6.2 Kiến nghị........................................................................ 30
CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.
- Gas ( LPG) có mặt ở khắp 64 tỉnh thành trong cả nước, phục vụ nhiều lĩnh vực sản xuất như trong công nghiệp, thương mại và tiêu dùng của xã hội. Gas được cung cấp cho các xí nghiệp nhà máy công nghiệp, các khách sạn nhà hàng và hộ tiêu dùng. Ngoài ra LPG còn sử dụng trong giao thông vận tải và một số lĩnh vực khác như sản xuất vật liệu xây dựng, sơn sấy kim loại, chế biến dược phẩm y tế. Muốn đáp ứng những nhu cầu nêu trên thì phải đầu tư cơ sở hạ tầng và trang thiết bị hiện đại, nghĩa là phải có kho cảng tiếp nhận và chứa LPG có trữ lượng lớn.
- Hiện nay các doanh nghiệp kinh doanh gas đều xây dựng các trạm chứa như công ty TNHH Công Nghiệp có trạm chứa 1.000 tấn ở Gò Dầu – Đồng Nai. Tất cả các loại bồn chứa này đều làm từ vật liệu thép SPV355 và các loại xe bồn chở gas đều thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ASME, ASTM. Các loại vật liệu làm bồn đều nhập từ nước ngoài như Hàn Quốc, Đài Loan , Nhật. Quá trình chế tạo bồn áp lực bằng kim loại trải qua nhiều công đoạn như cắt, uốn, dập, hàn…đồng thời nguồn tài nguyên kim loại ngày càng khan hiếm.Vì thế ta phải tìm vật liệu mới để thay thế vật liệu kim loại trong công tác chế tạo bồn áp lực, vật liệu mới này có thể là vật liệu composite.
- Bồn áp lực được chế tạo từ vật liệu composite có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, trong công nghiệp chẳng hạn như dụng cụ hô hấp, bình oxy của lính cứu hỏa, thiết bị cá nhân của thợ lặn, cánh vịt trong tàu thủy... Bồn áp lực composite được chế tạo bằng công nghệ quấn sợi thì có độ bền và modul đàn hồi cao, có ý nghĩa về hệ số tỷ trọng vật liệu, dẫn đến trọng lượng giảm hơn bồn áp lực làm bằng kim loại, chứa được gas và chất lỏng có áp suất cao. Để đánh giá ưu nhược điểm của bồn áp lực bằng composite so với bồn áp lực bằng kim loại ta dựa vào hệ số kết cấu.
- Hệ số kết cấu của bồn áp lực được định nghĩa như sau :
: áp xuất phá hủy
V : thể tích chứa
W: trọng lượng bồn
Hệ số kết cấu của tất cả bồn áp lực kim loại thường nằm trong khoảng 7.6*106 đến 15.2*106 mm, trong khi đó bồn áp lực composite có hiệu xuất từ 20.3*106 đến 30.5*106.
Từ những lý do đã trình bày ở trên tôi quyết định chọn đề tài: “TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỒN CHỨA LPG BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE”.
Qua đó tìm hiểu sâu hơn về vật liệu mới này và có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực như trong xây dựng, chế tạo cánh máy bay, vỏ tàu thủy…
- MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu sự thay đổi, hướng sắp xếp của cốt sợi ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu composite để từ đó thiết kế, tính toán được chiều dày cần thiết cho bồn, độ bền của bồn và thể hiện sự thay đổi góc độ sợi theo chiều dài bồn ở dạng đồ thị. Ngoài ra còn hướng tới việc thay thế vật liệu làm bồn cũ bằng vật liệu mới.
- NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU.
Để đạt được mục tiêu đề ra thì trong đề tài cần thực hiện một số nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu, nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vật liệu composite và các phương pháp tính toán:
+ Tìm hiểu các công nghệ chế tạo vật liệu composite .
+ Tìm hiểu nghiên cứu các đặc tính cơ học của vật liệu compsite .
+ Tìm hiểu nghiên cứu các tiêu chuẩn phá hủy .
- Tìm hiểu, nghiên cứu về lý thuyết vỏ .
- Thiết kế, tính toán lớp lamina cho bồn áp lực .
+ Xây dựng mối quan hệ giữa góc độ sợi và chiều dày bồn .
+ Xây dựng mối quan hệ giữa góc độ sợi và độ bền – độ biến dạng .
- Tính toán cho bồn chứa 5 tấn gas.
- Thể hiện sự thay đổi ứng suất, biến dạng theo chiều dài bồn ứng với các góc quấn khác nhau bằng đồ thị, viết giao diện chương trình bằng ngôn ngữ lập trình malab.
- GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .
Trong đề tài chỉ nghiên cứu vật liệu composite có tính chất trực hướng đối xứng (vật liệu trực hướng là vật liệu có ba mặt đối xứng), biến dạng của vật liệu là đàn hồi tuyến tính. Phương pháp xây dựng công thức đều dựa trên cơ sở lý thuyết, tính bồn ở trạng thái tĩnh và không chịu tải va đập.
- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .
Dựa trên cơ sở lý thuyết về vật liệu composite, các phương pháp thiết kế bồn Gas theo tiêu chuẩn ASME, lý thuyết đàn hồi, lý thuyết vỏ.
- ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN .
Sử dụng lý thuyết vỏ để thiết lập các công thức tính ứng suất, biến dạng cho vật liệu không đẳng hướng để từ đó xác định chiều dày lớp lamina cần thiết cho bồn theo ứng suất lớn nhất. Thể hiện sự ảnh hưởng góc độ sợi đến ứng suất, biến dạng theo chiều dài bồn, chiều dày theo độ bền kéo, nén theo phương song song và vuông góc với sợi bằng đồ thị và có xét đến sự ảnh hưởng nhiệt .
Về thực tiễn, sẽ có ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo bồn bằng vật liệu composite, đặc biệt có giá trị khi bồn chứa cần trọng lượng nhẹ và độ bền cao.
- GIỚI THIỆU NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG TRONG ĐỀ TÀI.
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Tìm hiểu về vật liệu composite qua đó hiểu được các tính chất vật lý, phương pháp chế tạo và chọn được vật liệu phù hợp cho công tác thiết kế bồn áp lực .
Chương 3: Tìm hiểu lý thuyết đàn hồi, đặc biệt lý thuyết vỏ từ đó có thể xây dựng được các phương trình vi phân cho các dạng hình học khác nhau ứng với vật liệu composite. Chương 4: Giải phương trình vi phân đã xây dựng ở chương 3 dựa vào điều kiện biên, xây dựng được các hàm ứng suất, biến dạng thông qua sự thay đổi góc độ sợi, xác định chiều dày cần thiết của bồn theo tiêu chuẩn ứng suất lớn nhất .
Chương 5: Tính toán bồn chứa 5 tấn gas và thể hiện sự thay đổi góc độ sợi đến ứng suất, biến dạng theo chiều dài bồn bằng đồ thị, viết giao diện chương trình bằng ngôn ngữ lập trình matlab.
CHƯƠNG 2TIỀM HIỂU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
2.1 KHÁI NIỆM VẬT LIỆU COMPOSITE.
Vật liệu composite là loại vật liệu gồm hai hay nhiều vật liệu thành phần khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại vật liệu thành phần được phối hợp với nhau, tạo nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ thì không có vật liệu thành phần nào có thể đáp ứng được.
Khái niệm composite không phải do con người phát minh mà nó được tìm thấy trong tự nhiên.Ví dụ thân cây gỗ có cấu trúc composite gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng liclin, kết quả của sự liên kết là làm cho thân cây vừa bền vừa dẻo. Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ông trộn với đất, đá,cát sỏi làm vật liệu xây nhà. Ở Việt Nam lấy bùn trộn với rơm để trát vách nhà. Ở đây ta chỉ quan tâm đến vật liệu composite cốt sợi và nền nhựa. Sợi có thể là sợi dài, ngắn hay liên tục. Vật liệu gia cường có thể là sợi hay hạt. Vật liệu nền có thể là kim loại, chất dẻo hoặc gốm. Tùy theo mục đích sử dụng mà ta thiết kế tỷ lệ sợi và nền cho phù hợp.
2.2 CHỨC NĂNG CỦA CỐT SỢI VÀ NỀN.
Vật liệu composite có hai thành phần chính là vật liệu cốt và vật liệu nền.
Chức năng quan trọng của cốt sợi :
- Chịu tải trọng khoảng (70%-90%).
- Đảm bảo được độ cứng, độ bền, ổn định nhiệt và tính dẫn điện.
Chức năng quan trọng của nền :
- Tạo sự liên kết tốt giữa các thành phần cốt.
- Bảo vệ cốt sợi chống lại sự ăn mòn hóa học.
- Tạo được độ bóng bề mặt cần thiết.
2.3 ƯU – KHUYẾT ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU COMPSITE.
2.3.1 Ưu điểm .
- Là vật liệu nhiều pha, các pha không hòa tan vào nhau và phân cách bằng ranh giới pha, trong đó nền là pha liên tục còn cốt là pha gián đoạn .
- Trong composite tỷ lệ hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của nền và cốt theo qui luật đã thiết kế trước.
- Vật liệu composite nhẹ, chắc, bền, không gỉ, chịu hóa chất, chịu thời tiết và có độ cứng cao hơn thép nhưng trọng lượng chỉ bằng 1/5 lần thép.
- Vật liệu composite có khả năng chống mài mòn cao hơn thép và nhôm, chống va đập.
2.3.2 Khuyết điểm.
- Vật liệu composite có giá thành cao hơn thép và nhôm .
- Khả năng chịu nhiệt của vật liệu composite một phần phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu nền .
- Chống ăn mòn hóa học, hòa tan, chịu ứng suất phá hủy của môi trường phụ thuộc vào thuộc tính chất của vật liệu nền .
- Hút ẩm.
...........................................................................................................
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỎ COMPOSITE
- KHÁI NIỆM VỀ VỎ .
- Khái niệm về vỏ mỏng.
Vỏ mỏng là vật thể có hai mặt cong giới hạn mà khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ so với kích thước khác, khoảng cách đó gọi là bề dày của vỏ ký hiệu là h và r là bán kính của vỏ .
- thì vỏ thuộc màng mỏng .
- thì gọi là vỏ mỏng .
- thì thuộc loại vỏ dày .
Gọi mặt chia đôi chiều dày của vỏ là mặt trung bình. Nếu biết hình dáng của mặt trung bình và chiều dày tại từng điểm thì ta có thể xác định vỏ về mặt hình học.
- Quan hệ giữa các thành phần nội lực và ứng suất.
Để nghiên cứu biến dạng và ứng suất của vỏ ta dùng các ký hiệu như lý thuyết tấm. Để phân tích nội lực trong vỏ ta tách một phân tố vô cùng bé bởi hai cặp mặt phẳng rất gần nhau vuông góc với mặt trung bình của vỏ (là mặt chia đôi chiều dày của vỏ) và chứa các độ cong chính của vỏ. Chọn hệ trục tọa độ trên mặt không gian z là pháp tuyến của mặt trung bình tại điểm khảo sát, chiều dương hướng vào trong vỏ. Trục x,y tiếp tuyến với đường cong chính
..................................................................................................
- KHÁI NIỆM VỀ VỎ MỎNG TRÒN XOAY.
Mặt tròn xoay được tạo nên khi có một đường cong phẳng quay quanh một trục nằm trong mặt phẳng của đường cong ấy. Gọi đường cong này là kinh tuyến và mặt phẳng của nó là mặt phẳng kinh tuyến.
Ta gọi vỏ mỏng tròn xoay đối xứng trục là khi mặt trung gian của vỏ có một trục đối xứng. Vì h nhỏ nên có thể xem ứng suất pháp phân bố đều dọc theo chiều dày của vỏ nghĩa là đã bỏ qua ảnh hưởng của thành phần momen uốn. Nếu tính toán theo giả thiết này được gọi là lý thuyết phi momen. Ở những vùng vỏ chịu tác dụng của lực tập trung hoặc có vành đai tăng cường, vùng biên chịu ngàm hay có sự thay đổi đột ngột về độ cong, ứng suất do momen uốn gây nên là rất đáng kế. Nếu tính toán dựa theo lý thuyết này được gọi là lý thuyết momen.
3.2.1 Vỏ mỏng tròn xoay tính theo lý thuyết phi momen.
3.2.1.1 Khái niệm :
Khi tính toán vỏ theo lý thuyết phi mômen ta giả thiết rằng, ứng suất pháp và ứng suất tiếp không đổi dọc theo chiều dày của vỏ. Ta chỉ dùng lý thuyết phi mômen trong những trường hợp khi mômen uốn và xoắn, kéo theo lực cắt hoặc là bằng không hoặc là ứng suất gây ra chúng khá nhỏ. Để có thể tính theo lý thuyết phi mômen phải thỏa các điều kiện sau:
- Vỏ phải có dạng mặt thay đổi đều liên tục với độ dày không đổi hoặc thay đổi đều. Nếu thay đổi ( r,h ) đột ngột sẽ sinh ra biến dạng khác và gây ra uốn .
- Tải tác dụng lên vỏ phải liên tục và đều .
- Điều kiện gắn các vỏ như thế nào để cạnh có thể chuyển dịch tự do theo phương pháp tuyến .
- Các lực đặt tại cạnh biên của vỏ phải nằm trong các mặt phẳng tiếp tuyến .
- Phương trình cân bằng.
Dùng hai mặt phẳng kinh tuyến gần kề nhau và hai vòng tròn vĩ tuyến như hình (3.2) để tách một phân tố ra khỏi vỏ .
.............................................................................................
CHƯƠNG 4
PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT BỒN ÁP LỰC COMPOSITE
- KHÁI NIỆM BỒN ÁP LỰC.
Bồn, thùng thực hiện việc chứa và nhận chất lỏng. Bồn áp lực được định nghĩa như là một thùng chứa có áp suất khác nhau ở bên trong và bên ngoài, thông thường áp suất bên trong cao hơn bên ngoài (đôi khi có trường hợp ngược lại) tùy thuộc vào chất lỏng chứa trong bồn ví dụ như chất lỏng chứa bên trong bồn có thể thay đổi trạng thái như bồn hơi, chất lỏng có tham gia phản ứng hóa học như trong lò phản ứng hạt nhân. Nhưng giữa bồn áp lực và thùng có điểm khác nhau: thùng được giới hạn bởi áp suất khí quyển, còn bồn áp lực thường được giới hạn bởi áp xuất bên trong. Bồn áp lực dùng nhiều trong công nghiệp như trong công nghiệp lọc dầu, trong ngành gas.
Kích thước và hình dạng bồn áp lực rất đa dạng, bồn đặt ở nhiều nơi khác nhau chẳng hạn có loại bồn được chôn ở dưới đất và trong lòng đại dương. Ngày nay bồn áp lực dùng phổ biến thường có dạng hình cầu, hình trụ, thân hình trụ còn đầu bồn hình bán cầu hoặc thân hình trụ và đầu hình elip. Dạng bồn có thân hình trụ nối với bán cầu có ưu điểm hơn bồn có thân hình trụ nối với elip về mặt chiều dày, khả năng chịu lực khi có cùng áp suất, vì vậy tùy theo công dụng mà ta chọn bồn có hình dạng cho phù hợp .
- CẤU TẠO BỒN ÁP LỰC COMPOSITE.
Bồn áp lực composite có dạng hình trụ được cấu thành từ các lớp sau :
- 1 Lớp lót mỏng bằng kim loại nhôm.
- 2 Bề mặt nhẳn, trơ, chống mài mòn.
- 3 Lớp cách điện.
- 4 Thực hiện quấn sợi gia cường trong nền nhựa expoxy.
- 5 Độ bền sợi gia cường thủy tinh để bảo vệ lớp nhẳn gelcoat.
