Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp kết cấu - Công nghệ quấn vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
TRẦN THỊ THANH VÂN 
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ 
QUẤN VỎ COMPOSITE TRÒN XOAY CHỊU ÁP LỰC 
TRONG 
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực 
 Mã số: 9520116 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
 HÀ NỘI - 2021 
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ 
QUỐC PHÒNG 
 Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS.TS Trần Ngọc Thanh 
2. PGS.TS Phạm Tiến Đạt 
Phản biện 1: GS.TS Hoàng Xuân Lượng 
Phản biện 2: PGS.TS Vũ Ngọc Pi 
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Trang Minh 
Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp 
tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ phút, 
ngày tháng năm 2021. 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
- Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
1. Trần Ngọc Thanh, Trần Thị Thanh Vân: “Thiết kế máy quấn tự động 4 
bậc trục dùng chế tạo bình trụ có hai đáy từ vật liệu composite”. Tạp 
chí Cơ khí Việt Nam. Số 1+2 năm 2016. 
2. Tran Thi Thanh Van, Tran Ngoc Thanh, Pham Ngoc Vương, Nguyen 
Duong Nam: “Calculation of cylindrical products made of composite 
meterials using wrap technology”. Journal of Mechanical Engineering 
Research and Developments; Volume 42(2), 2019, pp. 76 – 78. 
3. Tran Ngoc Thanh, Pham Tien Dat, Tran Thi Thanh Van, Nguyen Duong 
Nam:“Research using composite meterials in manufacturing 
pressureresistant circular details with the two spherical bottom by 
winding technology”. Journal of Mechanical Engineering Research and 
Developments; Volume 42(5), 2019, pp. 74 - 78 . 
4. Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh:“Nghiên cứu xây dựng mô hình 
và tính toán các thông số công nghệ chế tạo bình dưỡng khí hình trụ 
cho thiết bị thoát hiểm khẩn cấp trên tàu làm bằng vật liệu composite 
với công nghệ quấn ”.Tạp chí Giao thông vận tải số 7 năm 2020. 
5. Trần Thị Thanh Vân1, Lê Văn Hào2, Trần Ngọc Thanh2: “Thiết kế máy 
quấn phẳng tự động dùng chế tạo bình cao áp hình trụ từ vật liệu 
composite”. Tạp chí cơ khí số 4 năm 2020. 
6. Trần Thị Thanh Vân, Trần Ngọc Thanh, Đinh Văn Hiến: “Xây dựng mô 
hình tính toán cho thiết kế biên dạng bình composite được quấn theo 
đường phi trắc địa”. Tạp chí khoa học và công nghệ Hàng Hải số 8 năm 
2020. 
7. Dinh Van Hien, Tran Ngoc Thanh, Vu Tung Lam, Tran Thi Thanh Van, 
Le Van Hao: “Design of planar wound composite vessel based on 
preventing slippage tendency of fibers”, Journal of Composite 
Structures, pp 1-14. 
8. Đinh Văn Hiến, Trần Ngọc Thanh, Vũ Tùng Lâm, Lê Văn Hào, Trần Thị 
Thanh Vân : ” Biên dạng đáy vỏ compozit dạng trụ lỗ cực hở nhận được 
bằng phương pháp quấn phẳng”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, 
Số đặc san-kỷ niệm 60 năm thành lập Viện Khoa học và Công nghệ quân 
sự, 10-2020, pp.274-281. 
1 
MỞ ĐẦU 
Tính cấp thiết của đề tài 
Nghiên cứu phát triển các kết cấu chịu lực nói chung và kết cấu vỏ tròn xoay 
nói riêng từ vật liệu composite cốt sợi độ bền cao bằng phương pháp quấn đang 
là xu thế phát triển trên thế giới. Vật liệu compozit cốt sợi độ bền cao với ưu 
việt nổi trội là chúng có độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao hơn hẳn vật 
liệu kết cấu truyền thống, nhờ đó, các kết cấu composite bền hơn, cứng vững 
hơn, nhẹ và an toàn hơn. 
Một đặc trưng của các kết cấu được chế tạo từ composite là quá trình hình 
thành kết cấu đồng thời cũng là quá trình tạo ra vật liệu theo một công nghệ xác 
định. Nói cách khác mối quan hệ giữa “ Vật liệu – Kết cấu – Công nghệ ” cho 
một sản phẩm là không thể tách rời. 
 Trên thế giới, nghiên cứu thiết kế các kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong 
từ vật liệu composite bằng công nghệ quấn khá đa dạng và phong phú, song do 
đặc thù quan hệ “Vật liệu-Kết cấu-Công nghệ” của vật liệu composite nên việc 
nghiên cứu thiết lập các giải pháp kết cấu và công nghệ chế tạo các kết cấu kiểu 
này vẫn tiếp tục thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm và cần thiết phải đặt ra 
trong giai đoạn hiện nay, nhất là khi việc ngiên cứu làm chủ thiết kế và công 
nghệ chế tạo các kết cấu composite tròn xoay ở Việt Nam mới ở giai đoạn đầu. 
Do đó, thực hiện đề tài ”Nghiên cứu giải pháp kết cấu – công nghệ quấn vỏ tròn 
xoay chịu áp lực trong từ composite” là một nhiệm vụ cần thiết. 
Mục tiêu nghiên cứu 
Xây dựng được cơ sở khoa học và công nghệ cho quá trình thiết kế, chế tạo 
vỏ trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng theo sơ đồ 
quấn phẳng. 
Nội dung nghiên cứu 
1. Nghiên cứu kết cấu, vật liệu và công nghệ chế tạo vỏ composite tròn xoay 
bằng phương pháp quấn. 
2. Mô hình toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận được bằng phương 
pháp quấn. 
3. Xây dựng mô hình toán thiết kế vỏ vỏ composite dạng trụ có đáy được 
quấn phẳng 
4. Thực nghiệm chế tạo bình áp lực composite dạng trụ có đáy bằng phương 
pháp quấn phẳng. 
2 
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu: Mối quan hệ của các tham số kết cấu và công nghệ 
của vỏ tròn xoay dạng trụ chịu áp lực trong từ vật liệu composite với công 
nghệ quấn phẳng. 
Phạm vi nghiên cứu: Vỏ trụ có hai đáy với lỗ cực được đóng kín theo sơ 
đồ quấn phẳng. Các mẫu bình, thiết bị quấn phẳng được thiết kế chế tạo ở 
quy mô phòng thí nghiệm. 
Phương pháp nghiên cứu 
Trên cơ sở mô hình hình học và vật lý, xây dựng mô hình toán mô tả quan 
hệ giữa các tham số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ composite có đáy được 
quấn phẳng và thử nghiệm kiểm chứng. 
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 
Ý nghĩa khoa học: Bổ sung cơ sở lý luận cho tính toán thiết kế kết cấu vỏ 
trụ có hai đáy chịu áp lực trong từ vật liệu composite đơn hướng bằng công 
nghệ quấn phẳng. 
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của đề tài có thể sử dụng trong nghiên cứu, 
thiết kế, chế tạo và phát triển tính toán thiết kết cấu cho các vỏ trụ chịu áp 
lực trong bằng vật liệu composite được chế tạo bằng công nghệ quấn sử dụng 
trong mục đích dân dụng và quân sự. 
Bố cục của luận án 
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung cơ bản của luận án được 
trình bày trong 4 chương và danh mục tài liệu tham khảo. 
CHƯƠNG 1.KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VỎ 
COMPOSITE TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN 
1.1. Kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong 
1.1.1. Giới thiệu chung về kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong 
Các kết cấu tròn xoay chịu lực được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và 
quốc phòng, trong đó, kiểu kết cấu tròn xoay chịu áp lực trong là một nhóm 
kết cấu khá phổ biến như các vỏ trụ có đáy, vỏ dạng cầu hoặc dạng xuyến, 
điển hình như bình cao áp trong hệ khí tài dưỡng khí của thợ lặn, vỏ chịu lực 
của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hoặc lỏng, Đối với các kết cấu kiểu này, 
trước đây, thường được chế tạo từ vật liệu kết cấu kim loại như thép độ bền 
cao, hợp kim titan, Tuy vậy, nhược điểm sống còn của các vật liệu này là 
độ bền riêng không cao, làm cho các kết cấu nặng mà trong một số kết cấu 
đặc thù như bình cao áp trong hệ thống khí tài dưỡng khí hoặc vỏ chịu lực 
3 
của vật thể bay thì khối lượng nhẹ là một yêu cầu ưu tiên. Cùng với sự ra đời 
của sợi độ bền cao và tỷ trọng thấp như sợi thủy tinh, sợi hữu cơ, sợi 
cacbon,, nên các kết cấu composite chịu lực nói chung, nhất là kết cấu 
composite tròn xoay chế tạo bằng phương pháp quấn đã và đang dần thay thế 
cho các kết cấu vỏ từ vật liệu kim loại. 
1.1.2. Kết cấu chung của vỏ trụ composite tròn xoay chịu áp lực trong 
Kết cấu chung gồm: 1- vỏ chịu lực bằng composite cốt sợi/nền polyme được 
tạo thành bằng phương pháp quấn; 2- vỏ làm kín được làm bằng polyme nhiệt 
dẻo hoặc kim loại như hợp kim nhôm, thép không gỉ, ; 3- các bích chức năng 
gồm bích nối van nạp nhiên liệu hoặc bích đế (Hình 1.4 đến Hình 1.6). 
Hình 1.4. Kết cấu bình chịu áp hình trụ 
có hai đáy. 
Hình 1.5. Kết cấu bình chịu áp dạng 
cầu. 
Hình 1.6. Kết cấu bình chịu áp dạng xuyến từ composite: 
 Trong nhóm kết cấu vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong, kết cấu vỏ 
dạng trụ có đáy là dạng kết cấu được dùng phổ biến nhất do bởi sự đơn giản 
về công nghệ chế tạo của các hợp phần và tính đa dạng trong ứng dụng. Theo 
chức năng làm việc, vỏ composite dạng trụ có đáy được phân thành 2 nhóm: 
(1)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực đóng kín được gọi là các bình áp lực 
composite có lỗ cực đóng kín, chúng thường dùng để chứa khí nén áp suất 
4 
cao; (2)- vỏ composite dạng trụ có lỗ cực hở (còn gọi là bình áp lực composite 
có lỗ cực hở), dạng điển hình có kết cấu kiểu này là vỏ chịu lực của động cơ 
tên lửa. 
1.1.3.Vật liệu composite cốt sợi liên tục chế tạo vỏ composite tròn xoay 
- Vật liệu chế tạo vỏ chịu lực: Do đặc thù hình dạng và yêu cầu chịu lực, 
vật liệu composite cốt sợi độ bền cao như sợi thủy tinh, sợi hữu cơ và sợi 
cacbon với nền liên kết là polyme (thường là epoxy) được dùng để chế tạo 
các vỏ tròn xoay có đáy chịu áp trong bằng công nghệ quấn. Tính chất cơ 
học của một số loại composite cốt sợi độ bền cao được so sánh với vật liệu 
kết cấu kim loại dùng làm bình áp lực được chỉ ra ở Bảng 1.3. 
Bảng 1.3.So sánh tính chất cơ học của composite cốt sợi với kim loại [35]. 
Vật liệu 
Tỷ trọng, 
 (g/cm3) 
Mô đun 
đàn hồi, E 
(GPa) 
Độ bền kéo 
đứt, Rm 
(MPa) 
Mô đun đàn 
hồi riêng, E/ 
(106 Nm/kg) 
Độ bền 
riêng, 
Rm/ (103 
Nm/kg) 
Hợp kim nhôm 6061-T6 2,7 68,9 310 25,7 115 
Thép cán nguội SAE 1010 7,87 207 365 26,3 46,4 
Hợp kim titan Ti-6Al-4V 4,43 110 1171 25,3 264 
Composite sợi cacbon/epoxy 
độ bền cao 
1,55 138 1150 88,9 1000 
Composite sợi thủy tinh 
E/epoxy 
1,85 39,3 965 21,2 522 
Composite sợi armid/epoxy 1,38 75,8 1378 54,9 999 
Composite sợi cacbon/epoxy 
đẳng hướng 
1,55 45,5 579 29,3 374 
- Vật liệu vỏ làm kín: Đối với các vỏ tròn xoay chịu áp lực trong, để đảm 
bảo khả năng chịu áp mà không rò rỉ,, cần sử dụng vỏ làm kín. Vật liệu 
chế tạo vỏ làm kín phổ biến là kim loại như hợp kim nhôm, thép không gỉ, 
hoặc polyme như nhựa HDPE, cao su, 
1.2. Công nghệ quấn 
1.2.1. Khái niệm và phân loại 
Công nghệ quấn là công nghệ tạo hình các kết cấu vỏ mỏng bằng cách 
quấn căng đều các sợi cốt được tẩm nhựa nền trên khuôn quấn theo quỹ đạo 
5 
đã được định trước để tạo thành lớp vỏ composite. Nhựa nền sau khi đóng 
rắn tự nhiên hoặc dưới tác động của nhiệt sẽ tạo thành lớp vỏ composite hoàn 
thiện. Căn cứ vào trạng thái nền và cốt trong băng quấn là chất lỏng hay dạng 
dẻo nhớt người ta chia thành hai phương pháp quấn: quấn ướt và quấn khô. 
1.2.2. Các sơ đồ công nghệ quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay 
 Có nhiều loại sơ đồ quấn khác nhau phục vụ cho các thiết kế và công nghệ 
quấn khác nhau. Đối với kết cấu dạng trụ có đáy, trong thực tế, thường dùng 
các sơ đồ quấn cơ bản là quấn ngang, quấn xoắn và quấn phẳng (Hình 1.22). 
a- quấn ngang b- quấn xoắn c- quấn phẳng 
Hình 1.22. Các sơ đồ quấn cơ bản chế tạo vỏ composite dạng trụ: 
 Một kiểu phân loại khác về quá trình quấn sợi là dựa vào mô tả toán học 
của quỹ đạo sợi, người ta chia làm 2 kiểu quấn là: 
Quấn trắc địa: Là quá trình rải sợi lên bề mặt khuôn quấn mà sợi ở trạng 
thái cân bằng không có xu hướng trượt. 
Quấn phi trắc địa: Là quá trình rải sợi lên bề mặt khuôn quấn mà sợi 
không ở trạng thái cân bằng và có xu hướng trượt. 
1.2.3.Thiết bị quấn chế tạo kết cấu vỏ tròn xoay 
 Có nhiều kiểu thiết bị quấn sợi dùng chế tạo các kết cấu composite tròn 
xoay khác nhau, nhưng dạng đa dụng nhất là máy quấn kiểu máy tiện cho 
phép quấn kết hợp quấn xoắn và quấn ngang. Một kiểu thiết bị quấn đơn giản 
khác là thiết bị quấn phẳng cũng được sử dụng có sơ đồ quấn như biểu diễn 
trên Hình 1.22c. 
1.3. Một số thành tựu lý thuyết về thiết kế vỏ composite dạng trụ kín 
1.3.1.Nghiên cứu thế giới 
 Để trọng tâm, phần này chỉ tập trung vào tổng kết và phân tích một số 
6 
thành tựu nghiên cứu chính về thiết kế vỏ composite dạng trụ có đáy. 
Qua tổng kết, bài toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy quy về 3 bài toán 
chính: (1)- Bài toán xác định biên dạng đáy; (2)- Bài toán xác định chiều dày 
thỏa mãn điều kiện bền; (3)- Bài toán xác định các tham số hình học theo 
điều kiện thể tích cho trước. Trong đó, bài toán xác định biên dạng đáy là bài 
toán chủ yếu, cũng là bài toán khó khăn nhất. 
Để giải quyết các bài toán trên, có 2 hướng dựa theo 2 lý thuyết: 
Lý thuyết lưới: Theo hướng này, vật liệu composite khi này được giải 
thiết là vật liệu đơn hướng và tiêu chuẩn bền là tiêu chuẩn ứng suất chính lớn 
nhất (ứng suất dọc trục sợi) nhỏ hơn giới hạn bền đứt của vật liệu. Trải qua 
nhiều năm, các nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực trong 
được quấn theo đường trắc địa và phi trắc địa đã khá hoàn chỉnh. 
Ở khía cạnh vỏ trụ composite được quấn phẳng cũng đã có một vài nghiên 
cứu quan tâm, nhưng tóm lại vẫn còn tồn tại một số điểm sau: 
- Mô hình toán xây dựng đường cong biên dạng đáy vỏ trụ còn chưa hoàn 
chỉnh khi chưa đề xuất đầy đủ được giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên 
dạng đáy do sự uống cong của đường cong biên dạng cơ sở; 
- Chưa đưa ra được phạm vi giới hạn của các tham số hình học. 
Lý thuyết cơ học vật liệu compozit: Theo hướng này vật liệu composite 
cốt sợi nền polyme được thay thế bằng vật liệu có các tính chất dị hướng. 
Việc nghiên cứu thiết kế vỏ trụ composite được quấn trắc địa và phi trắc địa 
dựa trên lý thuyết cũng đã được tiến hành. Có thể nói lý thuyết là chính xác 
hơn so với lý thuyết lưới do vật liệu và tính chất của nó đưa vào tính toán 
phản ánh tương đối đúng với ứng xử thực của vật liệu composite. Nhưng nó 
có nhược điểm: các tính chất cơ học của vật liệu composite như mô đun đàn 
hồi và hệ số Poison theo hướng dọc và ngang trục sợi cần được xác định 
trước; mô hình toán học phức tạp hơn lý thuyết lưới. 
Đối với các vật liệu composite mà mô đun đàn hồi của chúng theo phương 
ngang thấp hơn đáng kể so với mô đun đàn hồi theo phươc dọc trục sợi kết quả 
tính toán biên dạng đáy bình và chiều dày vật liệu theo lý thuyết lưới và lý thuyết 
7 
liên tục là gần tương tự nhau. 
1.3.2. Nghiên cứu trong nước 
Nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ composite tròn xoay chịu áp lực trong ở 
trong nước cũng đã được quan tâm song các kết quả còn khá khiên tốn. Được 
biết, một nhóm nghiên cứu của Viện Tên lửa đã tiến hành nghiên cứu thiết 
kế chế tạo bình cao áp từ vật liệu composte được quấn theo đường trắc địa. 
Các nghiên cứu về quấn phi trắc địa, quấn phẳng chưa được thực hiện. 
1.4. Kết luận và định hướng nghiên cứu 
Từ tổng quan tình hình nghiên cứu, Luận án định hướng trọng tâm nghiên 
cứu giải quyết bài toán thiết kế vỏ trụ composite có đáy được quấn phẳng 
dựa trên nền tảng của lý thuyết lưới, xác lập được phạm vi thông số hình học 
của vỏ trụ composite cho quấn phẳng theo điều kiện chống trượt với mục 
tiêu như đã đề cập. Để làm việc đó, Luận án xác định các nội dung nghiên 
cứu tiếp theo như đã nêu ở phần mở đầu của bản tóm tắt này. 
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN THIẾT KẾ VỎ TRỤ COMPOSITE 
CÓ ĐÁY NHẬN ĐƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN ... r 
- , 
1
)()0(
curve
fz và )( fz . 
Hình 2.15. Sự không khớp nhau giữa 
kinh tuyến đáy vỏ trụ kín được tính 
toán với thực tế và mô tả hình học liên 
quan. 
Tuy nhiên, đối với vỏ trụ có lỗ cực hở, giải pháp này là không thể thực 
hiện do phương trình xác định biên dạng của đường cong 1 và đường cong 2 
12 
là giống nhau, nên chúng gây ra điểm uốn tương tự nhau. Để giải quyết, tác 
giả đề xuất giải pháp hiệu chỉnh bằng một cung tròn có bán kính cong kinh 
tuyến là R1f (Hình 2.15), có phương trình như sau: 
  
fzz
f
fffffff
r
RrRrzRz
2/12
2
1
2
1
2
1
)1(arccos
cos.sin.
 (2.52) 
2.2. Bài toán xác định các kích thước hình học theo điều kiện thể tích 
cho trước 
Bán kính phần trụ của vỏ sẽ được xác định theo công thức: 
3 2)2(
0
2)1(
0
3
)()(.
21
 zdrzdrL
V
VV
V
R
ff zz
dc
 (2.55) 
ở đó, L là chiều dài phần trụ; 1pr và 2pr là các bán kính lỗ cực của các đáy 
trong hệ tọa độ không thứ nguyên. 
Từ L lựa chọn, sẽ tìm được một giá trị R. Tiếp sau, sẽ xác định được 
chiều dài phần trụ và các biên dạng đáy trong hệ tọa độ thực đủ để thiết kế 
hình học của vỏ trụ composite. 
2.3. Bài toán xác định chiều dày lớp vỏ composite 
 Chỉ xét cho trường hợp vỏ trụ có lỗ cực đóng kín. 
a. Chiều dày của lớp vật liệu composite trên đáy 
 Trong hệ tọa độ không thứ nguyên: 
- Chiều dày tại phần xích đạo: 
  eqc
beq
eq
p
R
h
h
 2cos..2
 (2.58) 
- Phân bố chiều dày trên đáy: 
eq
eq
r
h
R
h
h


cos.
cos
 (2.63) 
b. Chiều dày của lớp quấn ngang trên phần trụ 
 
 c
eqeqcb
c
hp
h

 2sin.. 
 (2.67) 
13 
2.4. Kết luận chương 2 
Trên nền tảng của lý thuyết lưới, luận án đã tổng hợp và hệ thống hóa 
được lý thuyết chung về thiết kế vỏ trụ composite có đáy, trong đó: 
1. Đã đưa ra được mô hình toán chung cho thiết kế biên dạng đáy và khảo 
sát tính toán cho các trường hợp cụ thể là quấn trắc địa và quấn phi trắc địa 
với hệ số trượt phân bố theo quy luật mong muốn nhất định. Đồng thời cũng 
đã đề xuất giải pháp hiệu chỉnh đường cong biên dạng đáy do sự uốn cong 
của biên dạng đáy cơ sở. 
2. Đã thiết lập được công thức xác định chiều dày các lớp quấn (quấn 
xoắn, quấn ngang) trên phần hình trụ và phần đáy vỏ trụ phụ thuộc vào góc 
quấn, áp suất phá hủy và độ bền vật liệu composite. 
3. Đã đưa ra phương pháp xác định kích thước hình học của vỏ trụ 
composite có đáy đủ điều kiện để xây dựng biên dạng hình học của vỏ trụ 
theo điều kiện thể tích cho trước. 
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THẾT KẾ VỎ 
COMPOSITE DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY ĐƯỢC QUẤN PHẲNG 
3.1. Mô hình toán đáy vỏ trụ theo sơ đồ quấn phẳng 
Hình 3.1. Các tham số hình học của vỏ trụ composite được quấn phẳng. 
14 
 Quan hệ giữa góc quấn  với các tham số hình học của đáy vỏ trụ được 
quấn phẳng (trong hệ tọa độ không thứ nguyên): 
 222 tan..'1
tan.'.tan.
tan
ezrr
ezrr


 (3.9) 
 Thay (3.9) vào phương trình thứ nhất của (2.35) sẽ nhận được phương 
trình mô tả biên dạng đáy trong trường hợp chung. Đối với trường hợp vỏ 
trụ có lỗ cực đóng kín, ta có phương trình biên dạng đáy như sau: 
 r
r
etgzrr
etgzrtgr
r
2
2
222
'1
2
..'1
.'..
''


 (3.11) 
Để giải phương trình (3.11), các tham số ban đầu e và  cần được cho 
trước với điều kiện biên là: 0)0( z , 1)0( r , 0)0(' r . 
Đối với quấn phẳng, bán kính lỗ cực pr không thể được cho trước do cần 
phải thỏa mãn quan hệ hình học sau: 
ezr pp tan. (3.13) 
3.2. Ràng buộc của các thông số hình học 
a. Các ràng buộc của các tham số, e và  
Do kinh tuyến của đáy thu được từ phương trình (3.11) và góc quấn  xác 
định thông qua phương trình (3.9) chỉ phụ thuộc vào tham số e và , vì vậy, 
từ phương trình (2.27), thấy rằng, hệ số trượt, sẽ chỉ phụ thuộc và hai thông 
số ban đầu e và . Nhưng do điều kiện không trượt của sợi (2.30), nên chỉ 
có một phạm vi giới hạn của các tham số e và  thỏa mãn. 
b. Các ràng buộc của bán kính cực, pr 
Bán kính cực pr vừa cần thỏa mãn phương trình hiệu chỉnh (2.52) và quan 
hệ hình học (3.13), do đó, nó sẽ là nghiệm của phương trình sau: 
fzz
f
ffffpfff
p
r
RrRrzR
er
2/12
2
1
2
1
2
1
)1(arccos
cos.sin.
tan
 (3.14) 
15 
c. Giới hạn của chiều dài trụ, L 
Quan hệ giữa L với e và : 
 tan
.2
tan.
.2 e
R
e
R
L
L 
 (3.15) 
d. Giới hạn của bán kính hình trụ, R 
 Bán kính phần trụ được xác định như sau: 
3
2 dc VV
V
R
 (3.17) 
trong đó cV và dV là thể tích không thứ nguyên phần trụ và đáy của vỏ. 
3.3. Các kết quả tính toán 
3.3.1.Biên dạng đáy và phân bố hệ số trượt 
Hình 3.2. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
Hình 3.3. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0,1 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
Hình 3.4. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0,2 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
Hình 3.5. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0,3 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
16 
Hình 3.6. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0,4 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
Hình 3.7. Kinh tuyến đáy với �̅� = 0,5 và các 
giá trị góc  khác nhau. 
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của hệ số trượt trên 
tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0. 
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của hệ số trượt trên 
tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,1. 
Hình 3.10. Sự phụ thuộc của hệ số trượt 
trên tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,2. 
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của hệ số trượt 
trên tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,3. 
17 
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số trượt 
vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,4. 
Hình 3.13. Sự phụ thuộc của hệ số trượt 
vào tọa độ trục z̅ với độ lệch e̅ = 0,5. 
 Nhận xét: Khi cả �̅� và  lớn, xu hướng trượt của sợi sẽ càng cao; khi góc 
 là nhỏ, xu hướng trượt của sợi tại các điểm gần xích đạo sẽ cao hơn; nếu 
góc  là lớn, xu hướng trượt của sợi tại các điểm gần lỗ cực sẽ lớn hơn. 
3.3.2. Phạm vi giới hạn của các thông số hình học của vỏ trụ composite 
được quấn phẳng dựa trên điều kiện không trượt của sợi 
Quan hệ giữa 
max
 với �̅� và  như Hình 3.15. 
Hình 3.15. Biểu đồ đường đồng 
mức biểu diễn sự phụ thuộc của 
giá trị vào các tham số 
và . 
Các Hình 3.16 đến 3.19 cho phép chọn ra các cặp (�̅�, ) thích hợp đáp ứng 
điều kiện không trượt của sợi. Quan hệ chiều dài phần trụ L với 
max
 như 
Hình 3.20, nhận thấy: 
- Nếu 
max
 = 0,1, L phải nhỏ hơn 2, với mọi,  45o; 
- Nếu 
max
 = 0,2, L có thể đạt 3,8, với mọi,  30o; 
- Và nếu 
max
 = 0.4, L có thể đạt 7,5, với mọi,  18o. 
max
 e
18 
Hình 3.16. Phạm vi giới hạn của e và  
với   = 0,1. 
Hình 3.17. Phạm vi giới hạn của e và  
với   = 0,2. 
Hình 3.18. Phạm vi giới hạn của e và  
với   = 0,3. 
Hình 3.19. Phạm vi giới hạn của e và  
với   = 0,4. 
Hình 3.20. Quan hệ của chiều dài phần trụ vớ hệ số trượt
max
 . 
19 
3.4. Kết luận chương 3 
Đã đưa ra mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy được quấn 
phẳng, từ đó, chỉ ra được phạm vi giới hạn của các tham số hình học theo 
điều kiện không trượt của sợi. Các kết quả chính: 
- Quấn phẳng chỉ phù hợp với các trường hợp có khoảng cách lệch tâm �̅�, 
chiều dài phần trụ �̅� và góc quấn ban đầu trên phần trụ  là nhỏ; 
- Khi khoảng cách lệch tâm �̅� và góc ban đầu trên phần trụ  là lớn, khuynh 
hướng trượt của sợi là cao hơn cả ở phần xích đạo và gần lỗ cực; 
- Đối với trường hợp quấn ướt ([] 0,2), các giá trị �̅�, �̅� và  tương ứng 
có thể đạt 0,21, 3,8 và 380; 
- Đối với trường hợp quấn khô ([] 0,4), các giá trị �̅�, �̅� và  tương ứng 
có thể đạt 0,38, 7,5 và 450. 
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÌNH ÁP LỰC COMPOSITE 
DẠNG TRỤ CÓ ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUẤN PHẲNG 
4.1. Yêu cầu chung về kết cấu và vật liệu chế tạo vỏ trụ composite. 
a. Nhiệm vụ thiết kế 
- Thể tích bên trong: V = 1,0 lít; 
- Áp suất bền: 100 at (10 MPa). 
b. Các tham số thiết kế 
Hình 4.1. Kết cấu vỏ trụ composite có đáy chịu áp lực trong. 
- Các tham số hình học ban đầu: e, . 
- Công nghệ sử dụng: Quấn ướt ( = 0,2). 
- Các tham số cần tính toán: Biên dạng đáy; bán kính lỗ cực và bích: rp, rb (rf); 
chiều dài và bán kính trụ: L, R; chiều dày các lớp vật liệu composite: heq ,hp, hc. 
20 
c. Lựa chọn vật liệu 
- Vật liệu composite: Sợi thủy tinh E (bề rộng: 5 mm, dày: 0,3 mm); nền epoxy 
biến tính ED-20/EDG-1/P-9-14/MPDA. 
- Vỏ kín: Nhựa HDPE, độ bền 34 MPa, độ giãn dài tương đối 35%. 
- Bích: Hợp kim nhôm 6061-T4; 
Cơ tính vật liệu composite xác định bằng kéo mẫu vòng như Bảng 4.3. 
Bảng 4.3. Tính chất vật liệu composite nghiên cứu chế tạo. 
Tính năng Đơn vị đo 
Mẫu 
Trung bình 
M1 M2 M3 
Độ bền kéo, [c] MPa 680 682 684 682 
Modul đàn hồi, Ec GPa 45,6 45,9 46,0 45,8 
Độ giãn dài % 2,6 2,6 2,8 2,7 
4.2. Tính toán các tham số kết cấu – công nghệ 
4.2.1. Trình tự tính toán xác định các tham số kết cấu – công nghệ 
Hình 4.8. Lưu đồ thứ hai tính toán thông số kết cấu-công nghệ vỏ trụ composite 
nhận được bằng sơ đồ quấn phẳng. 
21 
 Kết quả tính toán các thông số kết cấu và công nghệ của vỏ trụ composite 
có đáy được quấn phẳng trình bày ở Bảng 4.4. 
Bảng 4.4.Thông số kết cấu – công nghệ của vỏ theo sơ đồ quấn phẳng. 
STT Tên gọi Ký hiệu Đơn 
vị 
Giá trị 
1 Góc quấn ban đầu trên phần trụ 𝛾 - /20 
2 Khoảng cách lệch tâm không thứ nguyên �̅� - 0,2 
3 Chiều dài phần trụ không thứ nguyên �̅� - 2,51 
4 Bán kính bích không thứ nguyên �̅�𝑏 - 0,42 
5 Bán kính cực không thứ nguyên �̅�𝑝 - 0,3 
6 Bán kính phần trụ thực tế 𝑅 mm 45 
7 Chiều dài phần trụ thực tế 𝐿 mm 113 
8 Chiều dày lớp quấn phẳng trên đường xích đạo ℎ𝑝 mm 0,51 
9 Xác định chiều dày tính toán lớp quấn ngang ℎ𝑐 mm 0,90 
10 Xác định số lớp quấn phẳng thực tế 𝑛𝑝 2 
11 Xác định số lớp quấn ngang thực tế 𝑛𝑐 3 
12 Xác định số vòng quấn trong một lớp quấn phẳng 𝑖𝑝 57 
13 Xác định số vòng quấn trong một lớp ngang 𝑖𝑐 20 
Hình 4.9. Biên dạng kinh tuyến của đáy 
vỏ trụ compozit cho quấn phẳng với các 
thông số ban đầu �̅� = 0,2;  = /20. 
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của hệ 
số trượt  vào tọa độ trục 𝑧̅. 
a) b) 
Hình 4.11. Chiều dày của đáy theo 𝑧̅ (a) và theo biên dạng kinh tuyến (b). 
22 
4.3. Công nghệ chế tạo vỏ trụ có đáy theo sơ đồ quấn phẳng 
4.3.1. Máy quấn phẳng 
Hình 4.12. Kết cấu máy quấn 
phẳng: 
1- khối quấn phẳng; 2- bàn trượt 
; 3, 4- gá trục chính và khung 
thân; 5-khuôn quấn; 6 - bàn cấp 
sợi. 
4.3.3.Chế thử sản phẩm 
Hình 4.20. Mẫu vỏ trụ có hai đáy 
quấn phẳng từ vật liệu composite. 
 Kết quả: Không quan sát thấy hiện tượng trượt sợi; công nghệ quấn đơn 
giản, các lớp quấn đều; chiều dày phần trụ đảm bảo theo thiết kế. 
4.4.Thử nghiệm đánh giá khả năng làm việc của sản phẩm 
Bảng 4.6. Kết quả thử nghiệm các vỏ bình composite quấn phẳng. 
STT 
Số hiệu 
bình 
Chiều dày 
lớp 
composite 
tính toán 
mm 
Chiều dày 
lớp 
composite 
thực tế 
mm 
Áp suất 
phá 
hủy 
yêu cầu 
MPa 
Áp suất 
phá hủy 
lý thuyết 
MPa 
Áp suất 
phá hủy 
thực, 
MPa 
Sai 
số, 
% 
1 VTCP-N1 1,5 1,65 15 17,6 16,3 8,7 
2 VTCP-N2 1,5 1,67 15 17,6 15,9 6,0 
Kết quả: Phù hợp kết quả tính toán, sai số 10%. 
23 
4.5. Kết luận chương 4 
1. Đã thực nghiệm thiết kế chế tạo một loại vỏ trụ composite bằng công 
nghệ quấn phẳng có thể tích 1,0 lít, áp suất phá hủy đến 15MPa bằng vật liệu 
cốt sợi thủy tinh E, nền epoxy; 
2. Đã thiết kế và chế tạo 01 thiết bị quấn phẳng đơn giản đủ điều kiện tiến 
hành các thí nghiệm cho quấn phẳng; 
3. Đã thực hành quấn và khẳng định được thiết kế đưa ra là phù hợp, hiện 
tượng trượt sợi không xảy ra; 
4. Đã tiến hành thử áp lực đo áp suất phá hủy, nhận thấy, các kết quả tính 
toán phù hợp với thực tế trọng phạm vi sai số không quá 10%. 
KẾT LUẬN 
I. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
1. Kết cấu vỏ tròn xoay chịu áp lực trong từ vật liệu composite đã và đang 
được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và quốc 
phòng. Từ tổng quan tài liệu, Luận án đã định hướng nghiên cứu xây dựng 
mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy trong trường hợp chung, 
trong đó, trọng tâm vào thiết kế biên dạng đáy vỏ trụ được quấn phẳng và 
xác định phạm vi giới hạn của các tham số hình học theo điều kiện không 
trượt của sợi. 
 2.Trên nền tảng của lý thuyết lưới với giả thiết vật liệu composite là đơn 
hướng và kế thừa các thành tựu KHCN thế giới liên quan, Luận án đã tổng hợp 
và hệ thống hóa lý thuyết chung cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy, cụ thể: 
- Đã thiết lập được hệ phương trình toán mô tả biên dạng cơ sở của đáy, 
từ đó, tính toán cho các trường hợp cụ thể là quấn trắc địa và phi trắc địa với 
hệ số trượt phân bố theo một quy luật nhất định; 
- Đã đề xuất được giải pháp hiệu chỉnh biên dạng đáy do hiện tượng uốn 
cong của đường cong biên dạng cơ sở đáy; 
- Đã thiết lập được công thức xác định chiều dày các lớp quấn (quấn 
xoắn, quấn ngang) trên phần hình trụ và phần đáy bình phụ thuộc vào góc 
quấn, áp suất phá hủy và độ bền vật liệu composite. 
3. Từ lý thuyết chung, dựa trên các quan hệ hình học của quỹ đạo quấn 
phẳng, Luận án đã xây dựng được phương trình toán mô tả biên dạng đáy vỏ 
24 
trụ composite được quấn phẳng. Từ đó, đã khảo sát ảnh hưởng của các tham 
số ban đầu là độ lệch tâm e và góc quấn ban đầu  đến hình dạng đáy, nhất 
là đến quy luật phân bố hệ số trượt, từ đó, làm nền cho việc xác định phạm 
vi giới hạn của các thông số hình học ban đầu theo điều kiện không trượt. 
Kết quả đã chỉ ra rằng, với kỹ thuật quấn phẳng, các tham số: độ lệch tâm e, 
chiều dài phần trụ L và góc quấn ban đầu  phải nhỏ để đảm bảo sợi không 
trượt khi quấn, cụ thể: 
- Cho trường hợp quấn ướt ([] 0.2), e 0,21.R, L 3,8.R và  380. 
- Cho trường hợp quấn khô ([] 0.4), e 0,38.R, L 7,5.R và  450. 
4. Từ mô hình toán của vỏ trụ composite được quấn phẳng, Luận án đã 
đưa ra trình tự tính toán thiết kế và cụ thể hóa cho một loại vỏ trụ composite 
có thể tích ban đầu 1,0 lít, áp suất bền 10 MPa, được chế tạo từ composite 
cốt sợi thủy tinh/nền epoxy. Thiết kế và chế tạo thiết bị quấn phẳng phù hợp 
thiết bị đã có và thực hành công nghệ để minh chứng. Kết quả khẳng định, 
mô hình toán cho thiết kế vỏ trụ composite có đáy nhận được bằng sơ đồ 
quấn phẳng là tin cậy. 
II. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 
- Nghiên cứu hệ thống hóa được mô hình lý thuyết cho vỏ trụ chịu áp lực 
trong nhận được bằng phương pháp quấn từ composite cốt sợi. Từ đó, góp 
phần làm sáng tỏ và bổ sung cơ sở khoa học cho thiết kế các bình áp lực 
composite hình trụ có đáy mà hiện đang còn chưa đầy đủ ở Việt Nam. 
- Xây dựng được mô hình toán vỏ trụ có đáy chịu áp lực trong theo sơ đồ 
quấn phẳng, trong đó đã xác định được miền thông số hình học ban đầu là độ 
lệch e, chiều dài trụ L và góc lệch  theo điều kiện không trượt của sợi phục vụ 
trực tiếp cho quá trình thiết kế. 
- Đề xuất được trình tự tính toán thiết kế, sơ đồ công nghệ, thiết kế chế 
tạo được thiết bị quấn và chế thử sản phẩm đạt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. 
III. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, phát triển mô hình tính toán trong 
trường hợp có kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất xung và đường kính 
các lỗ cực khác nhau.