Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm kết hợp uốn thuần túy và uốn buckling

NGUYỄN VĂN HIẾU

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

NGUYỄN VĂN HIẾU

CHUYÊN NGÀNH:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KẾT
HỢP UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHỐ 2018-2019

Hà Nội – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN VĂN HIẾU

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KẾT HỢP
UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ XUÂN TRƯỜNG

Hà Nội – Năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cơ Viện cơ khí động lực,
đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật hàng không và Vũ trụ đã truyền đạt vốn
kiến thức quý báu cho chúng em trong thời gian học tập tại trường.
Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy Lê Xuân Trường, người đã trực tiếp hướng dẫn,
giúp đỡ và góp ý kiến cho em hồn thành đồ án thạc sỹ này. Em xin gửi lời cám
ơn đến anh Phạm Hoàng Nam, người đã đưa cho em nhưng lời khuyên trong
suốt quá trình thiết kế bản vẽ và chế tạo. Em xin cám ơn tập thể cán bộ trong
Công ty cổ phần cơ giới và xây lắp số 12.6 đã hỗ trợ và giúp đỡ em rất nhiều
trong quá trình chế tạo bộ thí nghiệm này.
Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã ở bên động viên, giúp em
có thêm động lực để tiếp tục học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, em xin kính chúc các thầy cơ có sức khỏe dồi dào và thành cơng
trong con đường sự nghiệp cao quý. Xin chúc các bạn hồn thành tốt đồ án thạc
sỹ của mình và gặt hái được nhiều thành quả trên con đường sắp tới.
Em xin chân thành cảm ơn!


TĨM TẮT NỘI DUNG
Trong nghiên cứu này, một bộ thí nghiệm được thiết kế và sản xuất với hai chức
năng chính đó là thí nghiệm uốn thuần túyvà uốn buckling. Bộ được thiết kế cho

các phịng thí nghiệm, nhằm giúp đỡ các cán bộ giảng viên và các bạn sinh viên
trong quá trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại các trường đại học.
Mục đích của thí nghiệm uốn thuần túy và uốnbuckling là để chỉ ra các hiện tượng
mất ổn định và để xác định tải uốn thuần túy và uốn buckling tới hạn của các thanh
thí nghiệm.Thí nghiệm này có thể tìm ra độ cứng uốn của các thanh thí nghiệm. Các
thanh thí nghiệm cho thí nghiệm uốn thuần túy và uốnbuckling được làm từ hợp
kim nhôm, sắt với mặt cắt 2 mm × 20 mm và độ dài khác nhau: 300mm, 350mm,
400mm, 450mm và 500mm.Tải uốn thuần túy và uốn buckling tối đa được thiết kế
lên đến 500 N. Các thanh thí nghiệm thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling
được làm từ hợp kim nhôm và thép thơng thường với mặt cắt 3 mm × 20 mm và
chiều dài 600 mm. Tải uốn thuần túy và uốn buckling tối đa được thiết kế lên đến
13 N ở giữa của thanh thí nghiệm.
Việc thiết kế bộ thí nghiệm được phát triển theo 3 giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên của
quá trình hệ thống là xác định các đặc điểm kỹ thuật dựa trên yêu cầu và mục đích.
Giai đoạn thứ hai là thiết kế khái niệm. Nó bao gồm việc đánh giá các chức năng để
tìm ra ưu và nhược điểm của các thành phần dựa trên các yêu cầu thiết kế đã được
thiết lập trước đó và so sánh các khái niệm thiết kế đối với một số bộ hiện có đã
được thực hiện.Dựa trên đánh giá này, chúng ta có thể tìm ra thiết kế phù hợp nhất.
Giai đoạn ba, tiến hành sản xuất bộ tại xưởng cơ khí với chi tiết khung và tấm thí
nghiệm. Đây là các chi tiết chính trong bộ thí nghiệm này.


LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN
Tôi – Nguyễn Văn Hiếu – Cam kết Luận văn Thạc sĩ khoa học là cơng trình
nghiên cứu của bản thân tơi dưới sự hướng dẫn của TS.Lê Xuân Trường.
Các kết quả nêu trong Luận vănThạc sĩ là trung thực, khơng phải là sao chép
tồn văn của bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả

Nguyễn Văn Hiếu

XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
..............................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.........................................................................................................................
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

TS. Lê Xuân Trường


MỤC LỤC
TÓM TẮT NỘI DUNG ........................................................................................1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài. ...........................................................................................1
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ..................................................1
2.1. Mục tiêu ......................................................................................................................... 1
2.2. Đối tượng ....................................................................................................................... 1
2.3. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................................ 1

3. Bố cục .............................................................................................................2
4. Đặt vấn đề .......................................................................................................3
5. Định hướng giải quyết vấn đề.........................................................................4
CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................5

1.1. Thuyết uốn buckling ....................................................................................5
1.2. Thuyết uốn thuần túy ...................................................................................8
1.3. Các giai đoạn thiết kế .................................................................................9
1.3.1. Giai đoạn thiết kế khái niệm ....................................................................................... 9
1.3.2. Giai đoạn thiết kế chi tiết.......................................................................................... 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN ...................11
2.1. Danh sách các yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật ............................................11
2.2. Giai đoạn thiết kế ý tưởng .......................................................................14
2.3. Giai đoạn thiết kế chi tiết. ..........................................................................21
2.3.1. Lựa chọn vật liệu ....................................................................................................... 21
2.3.2. Thiết kế bộ thí nghiệm. ............................................................................................. 21
2.3.3. Phân tích kiểm bền.................................................................................................... 23

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO Bộ THÍ NGHIỆM ........................................................26
3.1. Khung thí nghiệm ......................................................................................26
3.2. Tấm thí nghiệm ..........................................................................................26
3.3. Đồ gá thí nghiệm uốn buckling .................................................................27
3.4. Đồ gá thí nghiệm uốn thuần túy ................................................................28
3.5. Chi tiết ghép nối giữa đồ gá và khung thí nghiệm.....................................29


CHƯƠNG 4:THỬ NGHIỆM UỐN THUẦN TÚY VÀ UỐN BUCKLING .......30
4.1. Dụng cụ ......................................................................................................30
4.2. Quy trình thí nghiệm ..................................................................................30
4.2.1 Quy trình thí nghiệm uốn thuần túy .......................................................................... 30
4.2.2. Q trình thí nghiệm uốn buckling ........................................................................... 31

4.3. Kết quả thí nghiệm.....................................................................................32
4.3.1. Kết quả thí nghiệm uốn thuần túy ............................................................................ 32

4.3.2. Kết quả thí nghiệm uốn buckling .............................................................................. 34

4.4. Các vấn đề đã đươc giải quyêt ...................................................................38
5.5. Các vấn đề còn tồn tại ................................................................................38
4.6. Hướng phát triển ........................................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................39
BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ BẢN VẼ LẮP ...............................................................40
1. Bản vẽ chi tiết khung ....................................................................................40
2. Bản vẽ chi tiết tấm thí nghiệm ......................................................................40
3. Bản vẽ chi tiết đồ gá cho thí nghiệm uốn buckling ......................................41
4. Bản vẽ chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn thuần túy ............................................44
5. Bản vẽ lắp các chi tiết đồ gá thí nghiệm uốn buckling .................................46
6. Bản vẽ lắp đồ gá thí nghiệm uốn thuần túy ..................................................47
7. Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn thuần túy ............................................................48
8. Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling ...................................................................49


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1: Bộ thí nghiệm uốn buckling [8] ..............................................................................3
Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp luận. ..........................................................................................4
Hình 1.1: Thanh dày và mỏng dưới tác dụng của lực nén [8] .......................................5
Hình 1.2: Trường hợp uốn buckling Euler [8] .....................................................................6
Hình 1.3: Biểu đồ thí nghiệm uốn buckling [8]....................................................................7
Hình 1.4: Dầm đỡ đơn giản [9] ...................................................................................................8
Hình 1.5: Dầm cơngxơn [9] ...........................................................................................................8
Hình 2.1: Thiết kế ý tưởng D1 .................................................................................................. 16
Hình 2.2: Thiết kế ý tưởng D2 .................................................................................................. 16
Hình 2.3:Thiết kế ý tưởng D3 ................................................................................................... 17
Hình 2.4: Thiết kế ý tưởng D4 .................................................................................................. 17
Hình 2.5: Tấm thí nghiệm........................................................................................................... 22

Hình 2.6: Khung thí nghiệm ...................................................................................................... 22
Hình 2.8: Các lực tác dụng lên khung bộ thí nghiệm ...................................................... 23
Hình 2.9: Mơ phỏng chuyển vị theo phương x .................................................................. 24
Hình 2.10: Kết quả mơ phỏng chuyển vị tổng ................................................................... 24
Hình 3.11: Mơ phỏng ứng suất ................................................................................................. 25
Hình 3.1: Khung thí nghiệm ...................................................................................................... 26
Hình 3.2: Tấm thí nghiệm........................................................................................................... 27
Hình 3.3:Cố định tấm trên khung ........................................................................................... 27
Hình 3.4: Đồ gá uốn buckling .................................................................................................... 28
Hình 3.5: Đồ gá của thí nghiệm uốn thuần túy ................................................................. 28
Hình 3.6: Đồ gá con lăn của thí nghiệm uốn thuần túy ................................................. 29
Hình 3.7: Chi tiết ghép nối giữa đồ gá và khung thí nghiệm ....................................... 29
Hình 4.1: Thiết lập thí nghiệm uốn thuần túy ................................................................... 31
Hình 4.2: Thiết lập thí nghiệm uốn buckling ..................................................................... 32


Hình 4.3: Mặt cắt ngang của mẫu vật uốn thuần túy ...................................................... 32
Hình 4.4: Tải uốn ở vị trí bất kỳ ............................................................................................... 33
Hình 4.5: Mặt cắt của mẫu vật uốn buckling. ..................................................................... 34
Hình 4.6: Biểu đồ giá trị lực & chuyển vị của mẫu 500 mm. ....................................... 34
Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện giá trị chuyển vị và lực của mẫu 400 mm .................... 35
Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện giá trị chuyển vị và lực của mẫu 300 mm. ................... 36
Hình 1: Bản vẽ chi tiết khung thí nghiệm ............................................................................ 40
Hình 2: Bản vẽ chi tiết tấm thí nghiệm. ................................................................................ 40
Hình 3: Bản vẽ chi tiết vít lực thí nghiệm uốn buckling................................................ 41
Hình 4: Bản vẽ chi tiết bộ vít lực thí nghiệm uốn buckling ......................................... 41
Hình 5: Bản vẽ chi tiết thanh trượt trên vít lực thí nghiệm uốn buckling ............ 42
Hình 6: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell .................................................................................... 42
Hình 7: Bản vẽ chi tiết thanh liên kết giữa đồ gá và tấm thí nghiệm ...................... 43
Hình 8: Bản vẽ chi tiết đồ gá loadcell .................................................................................... 43

Hình 9: Bản vẽ chi tiết đồ gá con lăn trượt và xoay ........................................................ 44
Hình 10: Bản vẽ chi tiết đồ gá con lăn xoay 1 .................................................................... 44
Hình 11: Bản vẽ chi tiết đồ gá con lăn xoay 2 .................................................................... 45
Hình 12: Bản vẽ chi tiết đồ gá con lăn trượt ...................................................................... 45
Hình 13: Bản vẽ lắp loadcell và đồ gá loadcell thí nghiệm uốn buckling .............. 46
Hình 14: Bản vẽ lắp bộ vít lực thí nghiệm uốn buckling .............................................. 46
Hình 15: Bản vẽ lắp con lăn trượt thí nghiệm uốn thuần túy .................................... 47
Hình 16: Bản vẽ lắp con lăn xoay thí nghiệm uốnthuần túy ....................................... 47
Hình 17: Bản vẽ lắp bộ thí nghiệm uốn thuần túy........................................................... 48
Hình 18: Bản vẽ thí nghiệm uốn thuần túy......................................................................... 48
Hình 19: Bản vẽ lắp thí nghiệm uốn buckling ................................................................... 49
Hình 20: Bản vẽ thí nghiệm uốn buckling. .......................................................................... 49


Danh mục bảng
Bảng 1.1: Các công thứ của dầm đỡ đơn giản [9] ...............................................................9
Bảng 1.2: Các công thức của dầm Cơngxơn [9] ....................................................................9
Bảng 2.1: Bảng u cầu của bộ thí nghiệm ........................................................................ 12
Bảng 2.2: Bảng chức năng của bộ thí nghiệm................................................................... 12
Bảng 2.3: Bảng đánh giá các tiêu chí ..................................................................................... 14
Bảng 2.4: Giải pháp cho các bộ phận ..................................................................................... 15
Bảng 2.5: Bảng đánh giá các tiêu chí của bộ thí nghiệm ............................................... 20
Bảng 2.6: Thông số vật liệu được lựa chọn ........................................................................ 21
Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm uốnthuần túy ...................................................................... 33
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm uốn buckling của mẫu 500 mm. ................................. 35
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm uốn buclking của mẫu 400 mm .................................. 36
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm uốn buckling của mẫu 300 mm .................................. 37


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hiện nay, trên thị trường, một số bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling đã
được một vài công ty chế tạo. Tuy nhiên, giá cho mỗi bộ tương đối cao, thậm chí
lên tới 2000$, một chi phí q lớn trong khi nó chỉ thực hiện được một tính năng
đơn là thí nghiệm uốn thuần túy hoặc uốn buckling. Vậy tại sao chúng ta khơng
thiết kế, sản xuất những bộ thí nghiệm này tại các trường đại học nhằm giảm bớt chi
phí cho việc đầu tư trang thiết bị thí nghiệm? Đây cũng chính là động lực để tác giả
đồ án này đi tìm giải pháp để tích hợp hai thí nghiệm trên cùng một bộ.
Với mục tiêu này, đề tài “Tính tốn, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm uốn thuần
túy và uốn buckling” đã được triển khai dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Xuân
Trường.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
2.1. Mục tiêu
• Tìm hiểu, thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn
buckling
• Tiến hành phân tích PTHH để chứng minh khả năng hoạt động của
bộ.
• Thiết kế bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp ghép cho bộ thí nghiệm.
• Tiến hành chế tạo bộ thí nghiệm tại xưởng cơ khí.
• Thực nghiệm, tiến hành so sánh kết quả giữa tính tốn lý thuyết và kết
quả thực nghiệm thu được.
2.2. Đối tượng
• Bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling dùng cho các phịng thí
nghiệm.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
• Do thời gian và kĩ năng còn hạn hẹp nên đồ án tốt nghiệp này đã triển

khai được các nội dung sau: tìm ra thiết kế phù hợp, đánh giá và phân tích

Trang1


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

PTHH để đánh giá khả năng hoạt động của bộ, thiết kế bản vẽ chi tiết,
bản vẽ lắp ghép cho từng bộ phận, tiến hành sản xuất tại xưởng cơ khí và
tiến hành thực nghiệm so sánh đối chiếu với kết quả tính tốn lý thuyết.
3. Bố cục
Chương 1: Tổng quan về lý thuyết
Chương này cho biết định nghĩa về thuyết uốn thuần túy và uốn buckling. Ngoài
ra, cũng sẽ đưa ra những phương pháp thiết kế, đặc biệt là về phương pháp hệ
thống.
Chương 2: Thiết kế và phân tích
Chương này sẽ trình bày phương pháp thiết kế bộ: thiết kế danh sách các yêu cầu,
thiết kế ý tưởng và thiết kế chi tiết. Sau đó, tiến hành phân tích PTHH để chứng
minh khả năng vận hành ổn định của bộ. Cuối cùng đánh giá những phân tích, đưa
ra những nhận xét và tìm ra thiết kế phù hợp để tiến hành chế tạo.
Chương 3: Chế tạo bộ thí nghiệm
Chương này sẽ giới thiệu về phương pháp chế tạo từng bộ phận, chi tiết và các
dụng cụ đồ gá để thực hiện thí nghiệm.
Chương 4: Thí nghiệm uốn thuần túy và uốn bukling
Chương này sẽ giới thiệu phương pháp chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm cũng như
cách tiến hành xử lý số liệu. Đưa ra kết luận cho những mục tiêu đã đạt được, đề
xuất một vài hướng nghiên cứu tiềm năng cho luận án trong tương lai.

Trang2


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

4. Đặt vấn đề
Là một kỹ sư cơ khí, chúng ta cần có những sự hiểu biết chung về các những sự cố
khi thiết kế khung hoặc các chi tiết, đặc biệt là những hiện tượng uốn thuần túy và
uốn buckling. Nó gây ra sự mất ổn định trong kết cấu, thường xảy ra một cách đột
ngột và hậu quả mà nó để lại rất nghiệm trọng. Chính vì vậy, hiện nay việc nghiên
cứu về những hiện tượng này đã đóng một vai trị hết sức quan trọng trong hầu hết
các lĩnh vực xây dựng, thiết kế cũng như những ngành cơng nghiệp chế tạo. Ví dụ
như:
- Cột chống đỡ dầm trong lĩnh vực xây dựng.
- Thanh dừng cho van dẫn động và thanh kết nối trong chế tạo động cơ.
- Cần Piston dùng cho xi lanh thủy lực.
Trên thị trường hiện nay, đã có một số cơng ty, xưởng sản xuất đã thiết kế chế tạo
những bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling. Dưới đây là một số bộ hiện
nay đang được sử dụng.

Hình 1.1: Bộ thí nghiệm uốn buckling [8]
Tuy nhiên, hiện tại với chi phí mua bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling
trên thị trường là rất đắt (khoảng 2000 USD). Hơn nữa, nó khơng thể thực hiện
đồng thời cả hai thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling. Đứng trước thực trạng

Trang3

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

này, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Lê Xuân Trường, em hy vọng có thể tính tốn
thiết kế bộ thí nghiệm kết hợp uốn và uốn buckling với chi phí thấp hơn.
5. Định hướng giải quyết vấn đề
Một số quy trình được thực hiện trong nghiên cứu này để đạt được tất cả các mục
tiêu đã đề cập. Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu, tiến hành tìm hiểu, xem xét tài
liệu sẵn có về bộ thí nghiệm uốn thuần túy và uốn buckling có sẵn hiện nay. Phương
pháp thiết kế này được phát triển qua ba giai đoạn: thiết lập danh sách các yêu cầu,
thiết kế ý tưởng, thiết kế chi tiết. Sau đó, sẽ tiến hành phân tích PTHH để chứng
minh khả năng vận hành của bộ. Cuối cùng là đánh giá sơ bộ về thiết kế để tiến
hành đưa vào sản xuất.

Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp luận.

Trang4


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Thuyết uốn buckling
Nếu một thanh chịu các lực theo phương dọc trục (như hình minh họa) có thể bị
biến dạng theo hai hướng. Thứ nhất, nó có thể bị làm cho mềm dẻo và bị dát mỏng
nếu lực nén tới hạn bị vượt qua. Thứ hai nó có thể đột ngột chuyển vị qua một bên
và bị làm cong đi trước khi đạt tới lực nén tới hạn. Hiện tượng này được gọi là uốn

buckling. Trong đó,hình dạng của thanh là yếu tố quyết định đến sự biến dạng như
trong hai trường hợp bên dưới.

Hình 1.1: Thanh dày và mỏng dưới tác dụng của lực nén [8]
Hiện tượng uốn buckling thường xảy ra đột ngột và khơng có cảnh báo khi một tải
trọng giới hạn nhất định đạt tới. Do đó, nó là một loại lỗi cực kỳ nguy hiểm, mà
phải tránh bằng mọi cách. Ngay sau khi một thanh bắt đầu bị uốn cong, nó sẽ bị
biến dạng đến mức phá hủy. Đây là trạng thái khơng ổn định điển hình. Uốn
buckling là một vấn đề về tính ổn định, trong đó tải uốn buckling tới hạn Pcr phụ
thuộc vào cả kích thước của của thanh, nghĩa là ảnh hưởng của chiều dài và đường
kính và vật liệu được sử dụng.
Dưới đây là cơng thức uốn buckling Euler:

Trang5


Luận văn thạc sĩ

𝑃𝑐𝑟 =

𝜋2
𝐿𝑒 2

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

𝐸𝐼(1.1)

Trong đó:
Pcr: Tải uốn buckling tới hạn.
E: Mơ đun Young.

I: Lực qn tính.
Le: Chiều dài có ích.
𝐿e = 𝑛𝐿

(1.2)

Với
n = 1: Trường hợp Pined- Pined
n = 2: Trường hợpFixed-fixed
n = 0.7: Trường hợpPined-fixed

Hình 1.2: Trường hợp uốn buckling Euler [8]
Mục tiêu của thí nghiệm uốn buckling là để xác định tải uốn buckling tới hạn cho
thanh chống và kiểm tra lý thuyếtuốn buckling Euler. Hiện tượng uốn buckling có
hai trạng thái, uốn buckling hồn tồn và uốn buckling khơng hồn tồn.

Trang6


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

𝛿

Tải P

PcrTản uốn buckling tới hạn
Uốn buckling hồn tồn

Uốn bucklingkhơng hồn
tồn tồn

Độ chuyển vị, 𝛿
Hình 1.3: Biểu đồ thí nghiệm uốn buckling [8]
Trong thí nghiệm, thực hiện uốn buckling khơng hồn tồn. Đối với tình trạng uốn
buckling khơng hồn tồn, tải trọng uốn buckling tới hạn có thể được tìm thấy bằng
cách tìm tải nén tối đa từ biểu đồ thí nghiệm.
Đầu tiên, tải trọng tối đa có thể được xem là tải trọng tới hạn. Tải trọng này có thể
được xác định bằng cách vẽ các phản lực chuyển vị và lấy giá trị lớn nhất được chỉ
ra trong đồ thị.

Trang7


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

1.2. Thuyết uốn thuần túy
Uốn thuần túy là hiện tượng cấu trúc mảnh phải chịu một tải bên ngồi vng góc
với trục dọc của phần tử.Có hai loại chế độ dầm đó là dầm đỡ đơn giản và dầm
cơngxơn. Dầm đỡ đơn giản được sử dụng cho kết cấu cầu. Đồ gá của dầm đỡ đơn
giản là con lăn và chốt bản lề. Dầm côngxôn được sử dụng cho kết cấu mái. Các
điều kiện gối tựa của dầm côngxôn là một đầu cố định, một đầu tự do.

Hình 1.4: Dầm đỡ đơn giản [9]

Hình 1.5: Dầm cơngxơn [9]
Mục tiêu của thí nghiệm uốn thuần túy là để kiểm tra độ võng của dầm. Có hai

điều kiện để thí nghiệm độ uốn thuần túy của dầm đó là dầm đơn giản và dầm
cơngxơn. Các cơng thức độ võng của dầm có thể được nhìn thấy trong bảng phía
dưới.

Trang8


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Bảng 1.1: Các công thứ của dầm đỡ đơn giản [9]

Bảng 1.2: Các công thức của dầm Côngxôn [9]
1.3. Các giai đoạn thiết kế
Những cơng việc chính cần thiết trong giai đoạn này là tìm kiếm, phân tích và
thiết lập một danh sách các yêu cầu cần thiết. Các yêu cầu được dưa trên nhiều yếu
tố như chi phí sản xuất tối thiểu, chi phí bảo dưỡng, chi phí vận hành, khối lượng và
kích thước tối thiểu.
1.3.1. Giai đoạn thiết kế khái niệm
Bước đầu tiên của giai đoạn này là tìm ý tưởng thiết kế cho các thành phần quan
trọng của bộ thí nghiệm để đáp ứng những yêu cầu trên. Có hai thiết kế khung có
thể xem xét đó là: khung dọc và bàn. Vấn đề quan trọng nhất đối với việc lựa chọn
các thiết kế khung đó là khả năng quan sát của sinh viên khi tiến hành thí nghiệm.
Đối với đồ gá của vật mẫu là sự linh hoạt trong việc thay đổi giữa việc thiết lập hai

Trang9


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

thí nghiệm. Để đo được tải trọng thí nghiệm uốn buckling, ta sử dụng cảm biến tải
trọng (loadcell) và bộ hiển thị đi kèm.
Chúng ta sẽ đưa ra một số giải pháp thiết kế ý tưởng và kết quả của giai đoạn này
là có thể được tìm thấy dựa trên sự kết hợp của các giải pháp của tất cả các thành
phần. Sau đó, việc đánh giá các chức năng để tìm ưu điểm và nhược điểm của các
thành phần dựa trên các yêu cầu thiết kế thiết lập trước đó. Bước cuối cùng của giai
đoạn này là để tìm thấy những thiết kế khái niệm tốt nhất, kết quả cuối cùng của
bước thiết kế ý tưởng, dựa trên những đánh giá trên các thành phần. Những kết quả
và đánh giá các thành phần này sẽ được trình bày trong Chương II.
1.3.2. Giai đoạn thiết kế chi tiết
Sau khi tìm kiếm được thiết kế khái niệm tốt nhất, giai đoạn tiếp theo là thiết kế
bố trí chi tiết của bộ. Bước đầu tiên của giai đoạn này là chia bộ thành các phần
nhỏ. Sau đó sẽ thiết kế từng bộ phận. Bước tiếp theo là việc bố trí các bộ phận. Sau
bước này, bố trí sơ bộ được hồn thiện. Bước cuối cùng là hồn thành bố trí tổng
thể. Kết quả này sẽ được thể hiện trong chương II.

Trang10


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN
2.1. Danh sách các yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật
Yêu cầu chính của thiết kế là khả năng thực hiệncả hai thí nghiệm uốn thuần túy
và uốn buckling trên cùng một bộ. Một yêu cầu quan trọng nữa đó là tăng khả năng

quan sát cho người làm thí nghiệm trên bộ. Bên cạnh đó, bộ phải dễ dàng để cài đặt,
vận hành và dễ dàng để thay đổi giữa hai thí nghiệm. Ngồi ra, đồ gá thí nghiệm
uốn thuần túy và uốn buckling có thể thay đổi được giữa cố định và tự do. Trong
khi đối với các thí nghiệm uốn thuần túy, đồ gá tương tự sẽ được sử dụng với sự hỗ
trợ bằng việc sử dụng con lăn. Yêu cầu tiếp theo của thiết kế này là dễ dàng để sản
xuất và bảo trì, vậy nên chi phí của bộ sẽ thấp. Cuối cùng là thu gọn kích thước cho
bộ thí nghiệm.
Mẫu vật thí uốn buckling được làm từ thép và nhơm với kích thước 2 × 20 × 300,
350, 400, 450, 500 mm. Mẫu thí uốn thuần túy được làm từ thép và nhơm với kích
thước 3 × 20 × 600 mm.Thay đổi hệ thống tải bằng cách sử dụng hệ thống vít, cảm
biến tải trọngkỹ thuật số với thang đo cao nhất là 1000 N.
Chức năng
Thực hiện được thí nghiệm uốn

Bắt buộc

Thực hiện được thí nghiệm uốn buckling

Bắt buộc

Dễ dàng để quan sát thí nghiệm uốn

Mong muốn

Dễ dàng để quan sát thí nghiệm uốn buckling

Mong muốn

Dễ dàng để thay đổi giữa hai thí nghiệm

Mong muốn

Dễ dàng cài đặt và vận hành

Mong muốn

Vật liệu
Mẫu thí nghiệm uốn được làm từ nhơm, thép
Mẫu thí nghiệm uốn buckling được làm từ nhôm,
thép

Bắt buộc
Bắt buộc

Trang11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Hình dạng
Kích thước hình học mẫu thí nghiệm n buckling
Mặt cắt ngang hình chữ nhật 2 mm x 20 mm

Bắt buộc

Chiều dài 300, 350, 400, 450, 500 mm
Kích thước hình học của mẫu thí nghiệm uốn
Mặt cắt ngang hình chữ nhật 3 mm x 20 mm

Bắt buộc

Chiều dài: 600 mm
Kích thước bộ nhỏ

Mong muốn
Chi phí

Chi phí vật liệu thấp

Mong muốn

Chi phí sản xuất thấp

Mong muốn

Chi phí bảo dưỡng thấp

Mong muốn

Bảng 2.1: Bảng yêu cầu của bộ thí nghiệm
Từ bảng yêu cầu trên, ta đưa ra bảng chức năng yêu cầu cho bộ.
Chức năng của bộ thí nghiệm
Thực hiện được thí

Thực hiện được thí nghiệm Dễ dàng để quan sát

nghiệm uốn

uốn buckling

Dễ dàng để quan sát thí

Dễ dàng để thay đổi giữa Dễ dàng để cài đặt

nghiệm uốn buckling

hai thí nghiệm

Bộ có kích thước nhỏ
gọn

Chi phí vật liệu thấp

thí nghiệm uốn

và vận hành
Chi phí sản xuất
thấp

Chi phí bảo dưỡng thấp
Bảng 2.2: Bảng chức năng của bộ thí nghiệm
Bước tiếp theo ta tiến hành đánh giá cho từng yêu cầu trên. Bảng này sẽ được sử
dụng để đánh giá các giải pháp yêu cầu.

Trang12


Luận văn thạc sĩ

Tiêu chí

Thực hiện
được thí
nghiệm uốn
buckling

Thực hiện
được thí
nghiệm uốn
thuần túy

Rất kém

Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Kém

Khơng thể

Không thể

đáp ứng tất

đáp ứng tất

cả các loại

cả các loại

mẫu vật và

mẫu vật và

đồ gá; độ

đồ gá; độ

chính xác

chính xác

rất thấp

thấp

Không thể

Không thể

đáp ứng tất

đáp ứng tất

cả các loại

cả các loại

mẫu vật và

mẫu vật và

đồ gá; độ

đồ gá; độ

chính xác

chính xác

rất thấp

thấp

Dễ dàng để
quan sát

Rất khó để

Khó để

được thí

quan sát thí

quan sát thí

nghiệm uốn

nghiệm

nghiệm

buckilng
Dễ dàng để
quan sát

Rất khó để

Khó để

được thí

quan sát thí

quan sát thí

nghiệm uốn

nghiệm

nghiệm

thuần túy

Chấp nhận

Tốt

được
Có thể đáp
ứng tất cả
các loại mẫu
vật và đồ gá;
độ chính xác
trung bình
Có thể đáp
ứng tất cả
các loại mẫu
vật và đồ gá;
độ chính xác
trung bình

Có thể cho
sinh viên
nhóm nhỏ
quan sát

Có thể cho
sinh viên
nhóm nhỏ
quan sát

Rất tốt

Có thể đáp Có thể đáp
ứng tất cả

ứng tất cả

các loại

các loại

mẫu vật và mẫu vật và
đồ gá; độ

đồ gá; độ

chính xác

chính xác

cao

rất cao

Có thể đáp Có thể đáp
ứng tất cả

ứng tất cả

các loại

các loại

mẫu vật và mẫu vật và
đồ gá; độ

đồ gá; độ

chính xác

chính xác

cao

rất cao

Có thể cho
sinh viên
nhóm
trung bình
quan sát
Có thể cho
sinh viên
nhóm
trung bình
quan sát

Có thể cho
sinh viên
nhóm lớn
quan sát

Có thể cho
sinh viên
nhóm lớn
quan sát

Dễ dàng

Phải thay

Phải thay

phải thay đổi

Phải thay

Phải thay

thay đổi

đổi phần

đổi rất

vài chi tiết

đổi ít chi

đổi rất ít

giữa hai thí

lớn các chi

nhiều chi

trên bộ

tiết trên bộ chi tiết trên

Trang13


Luận văn thạc sĩ

nghiệm

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

tiết trên bộ

tiết trên bộ

bộ

Nhanh
Dễ dàng cài
đặt và vận
hành

Khó khăn

Chậm và

khó khăn để để lắp ráp

lắp ráp các

một số

thành phần

thành phần

Chậm để lắp
ráp rất nhiều
thành phần

Chậm để

chóng và dễ

lắp ráp

dàng để lắp

một thành

ráp tất cả

phần ít

các thành
phần

Kích thước

của bộ nhỏ

Dài<2 m
Rộng<2 m
Cao<2 m

Dài<1.5 m

Dài<1.25 m

Rộng<1.5

Rộng<1.25

m

m

Cao<1.5 m

Cao<1.25 m

Dài < 1 m
Rộng <
1m
Cao
<0.5m

Dài< 1m
Rộng<

0.5m
Cao< 0.5m

Bảng 2.3: Bảng đánh giá các tiêu chí
2.2. Giai đoạn thiết kế ý tưởng
Dựa trên các yêu cầu quy định trước đó, một số lựa chọn thiết kế khái niệm có thể
được đề xuất. Các giải pháp thiết kế khái niệm có thể được tìm thấy dựa trên sự kết
hợp các giải pháp khác nhau của tất cả các bộ phận của bộ thí nghiệm như: khung,
các loại đồ gá, hệ thống đo lực,...

Trang14


Luận văn thạc sĩ

Bộ phận

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Giải pháp

A1 Khung dọc

A2 Bàn

B11

B12

B21

B22

A
Khung

B1
Đồ gá

B2
đồ gá
B31

B3
Đồ gá
B41

B42

B4
Đồ gá

B51
B5
Đồ gá

Bảng 2.4: Giải pháp cho các bộ phận
Có bốn thiết kế khái niệm của bước này. Đầu tiên,thiết kế khái niệm 1, bộ có dạng
khung dọc như có thể thấy trong Hình 3.1. Nó dựa trên sự kết hợp của các bộ phận

Trang15