Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán ống trụ composite chịu tác dụng của áp suất di động - Học viện Kỹ thuật quân sự, 2020

Vật liệu composite nhiều lớp được cấu tạo từ các lớp cốt sợi gia cường liên kết trong nền polymer. Cấu trúc xếp lớp cho phép tùy biến hướng sợi theo phương chịu lực chính. Tính năng cơ học của kết cấu được tối ưu hóa vượt bậc so với kim loại truyền thống. Trọng lượng kết cấu giảm đáng kể nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững cao. Khả năng chống mỏi và hấp thụ dao động của vật liệu dạng này rất tốt. Khi kết cấu chịu áp suất di động, các lớp composite giúp phân tán ứng suất cục bộ hiệu quả. Tuổi thọ làm việc của ống trụ tăng lên rõ rệt. Nhờ đó, vật liệu composite trở thành lựa chọn hàng đầu cho các đường ống áp lực cao và thân ống phóng khí tài.

Áp suất di động là dạng tải trọng biến thiên theo cả không gian và thời gian. Khi áp suất di chuyển dọc theo trục ống, kết cấu xuất hiện sóng ứng suất truyền dọc thân vỏ. Hiện tượng cộng hưởng động lực xảy ra khi vận tốc dịch chuyển đạt đến giá trị giới hạn. Vận tốc tới hạn phụ thuộc vào đặc tính hình học, vật liệu và điều kiện liên kết của ống. Ứng xử của kết cấu phức tạp hơn nhiều so với tải trọng tĩnh. Hiện tượng tập trung ứng suất và dao động uốn cục bộ có thể gây phá hủy ống. Việc đánh giá chính xác tác động của áp suất di động là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế động lực học.

Nghiên cứu về vỏ trụ composite ngày càng mở rộng sang vật liệu cơ tính biến thiên FGM. Vật liệu FGM có thành phần biến đổi liên tục theo chiều dày. Cấu trúc này triệt tiêu hiện tượng tách lớp thường gặp ở composite truyền thống. Ứng xử nhiệt cơ và khả năng chịu tải trọng di động của vỏ FGM được cải thiện rõ rệt. Các nghiên cứu hiện đại tập trung vào việc mô hình hóa chính xác hơn các hiệu ứng phi tuyến. Việc kết hợp giữa phân tích số và kiểm chứng thực nghiệm ngày càng được chuẩn hóa. Xu hướng này mang lại các giải pháp thiết kế an toàn, bền bỉ và tiết kiệm vật liệu cho ngành cơ khí chính xác.

Lý thuyết vỏ biến dạng trượt bậc nhất và lý thuyết vỏ bậc cao HSDT được ứng dụng để mô tả trường chuyển vị. Lý thuyết vỏ bậc cao HSDT cho phép biểu diễn phân bố ứng suất trượt ngang theo dạng parabol trên bề mặt tiết diện. Phương pháp loại bỏ hoàn toàn hệ số hiệu chỉnh trượt nhân tạo. Hiện tượng khóa trượt trong phần tử mỏng cũng được giải quyết triệt để. Độ võng và ứng suất tiếp tuyến được tính toán chính xác hơn tại các vùng chịu tải trọng cục bộ. Việc áp dụng HSDT đặc biệt hiệu quả đối với ống composite có chiều dày từ trung bình đến dày. Đây là công cụ đắc lực để phân tích ứng xử động học chính xác của vỏ trụ composite.

Phần tử vỏ cong được sử dụng để rời rạc hóa hình học ống trụ composite nhiều lớp. Quan hệ ứng suất và biến dạng được xây dựng theo định luật Hooke tổng quát cho vật liệu trực dị hướng. Các ma trận độ cứng kéo nén, uốn và trượt được tích phân chi tiết qua từng lớp vật liệu. Tác động của góc đặt cốt sợi và thứ tự xếp lớp được tích hợp trực tiếp vào quan hệ đàn hồi. Quan hệ phi tuyến hình học Von Kármán được đưa vào để xét đến các biến dạng lớn. Mô hình cho phép xác định chính xác trạng thái nội lực trong từng phân tố vỏ khi chịu áp suất di động bên trong lòng ống.

Mô hình hóa nền đàn hồi là yếu tố then chốt khi nghiên cứu ống trụ composite chôn ngầm hoặc đặt trên giá đỡ. Nền đàn hồi Winkler và Pasternak thường được ứng dụng để mô phỏng tương tác tiếp xúc. Nền Pasternak bổ sung thêm lớp cắt đàn hồi, giúp phản ánh tính liên tục của môi trường xung quanh. Phương trình vi phân dao động của phần tử vỏ bao gồm thêm phản lực từ nền đàn hồi. Tác động giảm xóc và độ cứng nền làm thay đổi đáng kể tần số dao động riêng của ống. Việc kết hợp tương tác nền giúp mô phỏng chân thực điều kiện làm việc thực tế của đường ống công nghiệp.

Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ chủ đạo để số hóa miền tính toán của ống trụ. Vỏ trụ composite được chia thành lưới các phần tử vỏ cong nhiều bậc tự do. Ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng tiếp tuyến được thiết lập cho từng phần tử. Hệ phương trình vi phân phi tuyến toàn cục được hình thành sau khi ghép nối các ma trận thành phần. Việc khử điều kiện biên ngàm, tựa hoặc gối cứng được thực hiện chặt chẽ. Phương pháp đảm bảo tính hội tụ nhanh và duy trì độ ổn định số cao trong suốt quá trình giải tích lặp.

Thuật toán Newmark kết hợp phương pháp lặp Newton-Raphson được sử dụng để giải phương trình dao động từng bước thời gian. Tại mỗi bước thời gian, vị trí của áp suất di động được cập nhật liên tục dọc trục ống. Lực nút tương đương được nội suy chính xác từ hàm tải trọng di động. Quá trình lặp kiểm tra sai số dư lực và chuyển vị để đảm bảo điều kiện cân bằng động phi tuyến. Thuật toán xử lý hiệu quả hiện tượng suy giảm độ cứng và thay đổi hình học kết cấu. Kết quả thu được bao gồm biểu đồ lịch sử thời gian của độ võng, mô men uốn và ứng suất cục bộ.

Vận tốc tới hạn là thông số then chốt quyết định ngưỡng an toàn động lực của vỏ trụ composite. Khi vận tốc di chuyển của áp suất tiệm cận vận tốc tới hạn, biên độ dao động của ống tăng vọt. Hiện tượng cộng hưởng động lực học xuất hiện, gây nguy cơ phá hủy kết cấu tức thời. Giá trị vận tốc tới hạn phụ thuộc mật thiết vào điều kiện biên của hai đầu ống. Ống liên kết ngàm hai đầu có vận tốc tới hạn lớn hơn so với ống tựa khớp đơn thuần. Nghiên cứu xác định chính xác miền vận tốc nguy hiểm giúp đưa ra các khuyến cáo vận hành an toàn cho hệ thống ống dẫn.

Góc đặt cốt sợi đóng vai trò quyết định đến độ cứng dọc trục và độ cứng chu vi của ống trụ. Cấu trúc góc xếp lớp [0/90/0] hoặc đối xứng [±45] cho các phản ứng biến dạng rất khác nhau. Khi góc đặt sợi hướng theo phương chu vi, khả năng chịu áp suất nổ bên trong tăng cao. Ngược lại, góc sợi theo phương trục giúp hạn chế tối đa độ võng uốn dọc thân ống. Việc tăng số lớp trong vật liệu composite nhiều lớp giúp phân bố ứng suất đồng đều hơn. Sự chênh lệch ứng suất giữa các bề mặt tiếp giáp giảm xuống, triệt tiêu nguy cơ bong tách lớp khi chịu tải rung động.

Độ cứng của nền đàn hồi và số lượng gối tựa trung gian làm thay đổi trực tiếp phổ tần số riêng của kết cấu. Khi tăng hệ số nền Winkler hoặc Pasternak, tần số dao động tự nhiên của ống tăng lên rõ rệt. Nền đàn hồi đóng vai trò như một lớp đệm hấp thụ năng lượng dao động, làm giảm biên độ chuyển vị đỉnh. Việc bổ sung các gối đỡ cứng dọc thân ống giúp chia nhỏ nhịp uốn của vỏ trụ composite. Hiện tượng uốn cục bộ giảm mạnh, nâng cao đáng kể ngưỡng tải trọng phá hủy. Kết quả khảo sát giúp tối ưu hóa khoảng cách đặt gối tựa trong các công trình đường ống thực tế.

Vận tốc di chuyển của áp suất tạo ra hiệu ứng xung kích động lực học mạnh mẽ lên thành ống. Khi vận tốc tải trọng tăng từ dải thấp đến gần vận tốc tới hạn, hệ số động lực tăng theo hàm mũ. Độ võng cực đại dịch chuyển dần về phía cuối hành trình di chuyển của tải trọng. Biên độ áp suất tỷ lệ thuận với mức độ tập trung ứng suất tại mặt trong vỏ trụ. Ở dải vận tốc siêu tới hạn, đáp ứng dao động xuất hiện các sóng phản xạ ngược chiều. Việc kiểm soát vận tốc di chuyển của dòng áp suất là yếu tố quyết định để bảo vệ an toàn công trình ống dẫn.

Mô hình thử nghiệm bao gồm mẫu vỏ trụ composite nhiều lớp được chế tạo bằng công nghệ quấn sợi chính xác. Thiết bị gây tải sử dụng cơ cấu đẩy pít-tông khí nén hoặc con trượt áp lực cao. Thiết bị cho phép điều chỉnh linh hoạt vận tốc chuyển động và áp suất tác dụng trong lòng ống. Hệ thống gá đỡ mô phỏng sát thực tế các điều kiện biên ngàm, tựa khớp và nền lò xo đàn hồi. Các mẫu thử được kiểm tra nghiêm ngặt về cơ tính vật liệu trước khi lắp ráp vào hệ thống thử tải. Quy trình thử nghiệm tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn đo lường cơ học thực nghiệm quốc tế.

Hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh ghi nhận đồng thời tín hiệu từ nhiều đầu đo lắp đặt dọc thân ống. Các cảm biến gia tốc siêu nhỏ được gắn tại các điểm xung yếu để bắt trọn phổ dao động động học. Đầu đo biến dạng strain gauge dán trên bề mặt ngoài của vỏ trụ composite đo lường trực tiếp biến dạng dọc trục và biến dạng vòng. Tín hiệu điện áp được khuếch đại, lọc nhiễu số và chuyển đổi thành dạng đồ thị thời gian thực. Dữ liệu thực nghiệm phản ánh trung thực quá trình truyền sóng ứng suất khi áp suất di động quét qua vị trí cảm biến.

Kết quả đo đạc thực nghiệm được so sánh trực tiếp với lời giải từ phương pháp phần tử hữu hạn. Độ sai lệch về tần số dao động riêng và biên độ chuyển vị cực đại duy trì ở mức dưới 8%. Dạng sóng dao động và thời điểm xuất hiện đỉnh ứng suất trên đồ thị thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp với mô phỏng. Sự tương đồng này chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết vỏ bậc cao HSDT và thuật toán số đã xây dựng. Nghiên cứu thực nghiệm hoàn thiện bức tranh toàn diện về tính toán ứng xử động học của ống composite chịu áp suất di động.