Vỏ bình chịu áp lực được sử dụng rộng rãi trong kết cấu tên lửa, kỹ thuật hàng không, vũ trụ và trong nhiều lĩnh vực dân dụng khác. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vật liệu cho phép chúng ta nhận được thế hệ vỏ bình compozit chịu áp lực có nhiều ưu điểm nổi trội so với các bình được chế tạo từ kim loại, hợp kim.
Bài toán thiết kế, chế tạo bình compozit chịu áp lực cao là bài toán phức tạp liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học - công nghệ. Ở các nước có nền khoa học công nghệ phát triển, lịch sử giải quyết bài toán đó bắt đầu từ việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, hoàn thiện đưa vào sử dụng các bình compozit chịu áp suất cao trong tàu vũ trụ, các vỏ động cơ tên lửa nhiên liệu rắn, đến triển khai mở rộng ứng dụng cho bình compozit chứa khí nén trong công nghiệp, trong thiết bị dưỡng khí, các bình chứa khí ga trong dân dụng, và đặc biệt ứng dụng rất rộng rãi chế tạo các vỏ bình được sử dụng trong hệ thống lọc nước sạch. Trên thế giới hiện nay, thiết kế chế tạo các kết cấu tròn xoay, chịu áp lực cao, từ vật liệu compozit là một trong các công nghệ lưỡng dụng điển hình, ứng dụng rất rộng rãi trong quốc phòng và dân dụng.
Trước nhu cầu sử dụng vật liệu compozit để giảm khối lượng thân vỏ động cơ phản lực, các bình cao áp nhằm cải tiến, tăng tầm một số loại vũ khí, thiết bị bay trong quốc phòng, cũng như nhu cầu chế tạo các sản phẩm từ compozit trong dân dụng đang phải nhập khẩu tại Việt Nam (vỏ bình lọc nước, bình ga, vỏ bình chứa khí nén...), công trình này đã được thực hiện. Vấn đề quan trọng của công trình này là cần phải giải quyết một cách hệ thống từ vật liệu, phương pháp thiết kế, đến công nghệ chế tạo và thử nghiệm kết cấu từ vật liệu compozit. Đây là vấn đề nền tảng, rất quan trọng trong phát triển một lĩnh vực công nghệ lưỡng dụng, cần thiết phục vụ rộng rãi cho quốc phòng và dân dụng của Việt Nam.
Trong khuôn khổ nội dung của công trình, chủ nhiệm công trình cùng các cộng sự đã tiến hành phân tích tổng quan vỏ bình compozit được chế tạo theo công nghệ quấn; thực hiện các nghiên cứu công nghệ vật liệu compozit dùng chế tạo vỏ bình áp lực theo công nghệ quấn ướt; nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán các thông số kết cấu – công nghệ quấn vỏ bình compozit hình trụ có hai đáy; nghiên cứu thiết kế chế tạo máy quấn MQC-01CT có bốn bậc tự do được điều khiển tự động; nghiên cứu công nghệ chế tạo và thử nghiệm bình áp lực compozit dùng trong thiết bị lọc nước sạch dân dụng.
1. Tính mới và ý nghĩa thực tiễn trong các sản phẩm chính của công trình
Trong công trình này này, nghiên cứu vật liệu compozit cốt sợi đơn hướng và công nghệ quấn ướt để chế tạo các bình hình trụ kín có hai đáy dùng làm các bình chịu áp lực lần đầu tiên đã được thực hiện một cách đầy đủ và có hệ thống ở Việt Nam.
Về mặt vật liệu: Công trình đã nghiên cứu xác định được được tỉ lệ thành phần nhựa nền: DER324/MTHPA/DMP30 hợp lý, rất phù hợp cho công nghệ quấn ướt vật liệu compozit cốt sợi thủy tinh đơn hướng trong điều kiện tại Việt Nam.
Về mặt thiết kế và công nghệ chế tạo kết cấu từ compozit: Công trình đã đưa ra được mô tả toán học kiểu bình hai lớp chịu áp suất cao hình trụ có hai đáy, với lớp ngoài là vật liệu compozit được chế tạo theo phương pháp quấn đoản trình. Xây dựng được trình tự tính toán thiết kế các thông số kết cấu-công nghệ đối với kiểu bình này. Đây là các cơ sở khoa học còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Trên cơ sở này có thể cho phép thiết kế và lập qui trình công nghệ chế tạo loạt sản phẩm dạng sản phẩm bình chịu áp lực hình trụ có hai đáy, có ứng dụng rộng trong quốc phòng và dân dụng.
Về mặt trang thiết bị công nghệ vật liệu: Đây là lần đầu tiên trên thị trường Việt Nam đã chế tạo thành công máy quấn vật liệu compozit đơn hướng, có bốn trục với bốn bậc tự do được điều khiển tự động (xem hình 1a). Giá thành máy quấn theo tính toán sơ bộ giảm nhiều lần, so với sản phẩm cùng loại trên thế giới.
Sản phẩm cụ thể từ vật liệu compozit là vỏ bình BCN-22-10A dùng trong thiết bị lọc nước sạch lần đầu tiên được thiết kế chế tạo theo công nghệ quấn đoản trình từ compozit ở Việt Nam (xem hình 1.b). Sản phẩm đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm (độ thôi nhiễm của vỏ bình), các yêu cầu về độ bền áp lực, yêu cầu về lắp ráp tương thích với các phụ kiện trên thị trường. Giá thành của sản phẩm chỉ bằng khoảng 68% so với sản phẩm cùng loại khi được sản xuất loạt.
Với thiết bị máy quấn vật liệu compozit, có bốn trục được điều khiển tự động, tính sáng tạo của đề tài chính là việc vận dụng, triển khai thực tế mô hình toán học của quĩ đạo phân bố các sợi cốt có tẩm nhựa nền trên khuôn quấn vào mô hình kết cấu cơ khí và chương trình điều khiển cụ thể các chuyển động của máy quấn. Việc thiết kế chế tạo thành công máy quấn tự động 04 trục MQC-01CT trước hết giúp nhóm đề tài tự mình tạo ra một thiết bị ở qui mô bán công nghiệp. Thiết bị này đáp ứng hoàn toàn cho nhu cầu nghiên cứu, sản xuất loạt nhỏ đối các dạng sản phẩm bình chịu áp lực hình trụ có hai đáy, ứng dụng trong quốc phòng và dân dụng.
Với nguồn kinh phí được cấp khá hạn chế, công trình đã thành công trong việc lựa chọn các đối tượng nghiên cứu, đã phối hợp và triển khai nhịp nhàng các cán bộ nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực (từ vật liệu, trang thiết bị công nghệ, phương pháp tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo và kiểm tra thử nghiệm) để tạo ra một lớp sản phẩm mới là các bình chịu áp lực hình trụ từ vật liệu compozit, có nhiều ứng dụng trong thực tiễn ở Việt Nam.
2. Ứng dụng các của sản phẩm trong quốc phòng và dân dụng
Sản phẩm vỏ bình lọc nước sạch BCN-22-10A của đề tài lắp ráp đồng bộ với tất cả các hệ thống lọc nước sạch hiện có trên thị trường. Với các thông số kỹ thuật hiện có và giá thành bằng khoảng 68% giá thành sản phẩm cùng loại trên thị trường, sản phẩm này sẽ có thể được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường khi được sản xuất hàng loạt.
Phương pháp tính toán thiết kế, giải pháp kết cấu hai lớp của kết cấu trụ kín có hai đáy được quấn từ vật liệu compozit do đề tài nghiên cứu đã được ứng dụng trực tiếp vào việc cải tiến các bình cao áp trên tên lửa 905. Kết quả cụ thể đã chỉ ra rằng, sử dụng vật liệu compozit và công nghệ quấn cho phép giảm 31,5% khối lượng bình cao áp trên tên lửa 905 (tương đương với giảm 15,12 kg cho 6 bình). Vẫn ứng dụng kết quả phương pháp tính toán thiết kế, thiết bị và công nghệ của đề tài đã cho phép vào việc giảm khối lượng của một loại động cơ tên lửa nhiên liệu rắn còn 45,7% so với động cơ sử dụng thép độ bền cao. Đây là các kết quả rất quan trọng trong quá trình cải tiến, tăng tầm tên lửa và thiết bị bay của Việt Nam.
3. Hiệu quả trong các kết quả nghiên cứu của công trình
Đối với kinh tế - xã hội và môi trường: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo được bình compozit chịu áp lực đạt chất lượng là một bước tiến mới trong lĩnh vực thiết kế chế tạo từ vật liệu compozit các chi tiết dụng trong các lĩnh vực công nghiệp nói chung và công nghiệp quốc phòng nói riêng. Công nghệ quấn bình chịu áp lực từ vật liệu compozit sử dụng hệ thống lọc nước sạch đã mở ra và tiếp cận được một thị trường lớn về bình chịu áp suất cao ứng dụng trong công nghiệp dân dụng nói chung và kỹ thuật quân sự nói riêng.
Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan: Đề tài nghiên cứu là một bước tiếp cận với trình độ nước ngoài trong lĩnh vực thiết kế chế tạo các chi tiết từ vật liệu compozit theo công nghệ quấn tối ưu. Đề tài nghiên cứu một bước triển khai một công nghệ mới ở Việt Nam trong chế tạo bình chịu áp lực từ vật liệu compozit. Phát triển tiếp hướng nghiên cứu này là nghiên cứu thiết kế chế tạo các bình cao áp từ vật liệu compozit sử dụng trong công nghiệp nói chung như; bình nén nhiên liệu khí ga sử dụng trong ôtô, xe máy; các bồn chứa, xtec cỡ lớn. Riêng trong Quân sự là phát triển hướng học thuật: thiết kế chế tạo vật thể bay từ vật liệu compozit. Đặc biệt là nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ động cơ nhiên liệu rắn, các bình nén khí áp suất cao trong các tên lửa nhằm tăng tầm bắn – những vấn đề quan trọng, khó nhận được sự chuyển giao của nước ngoài.
Những luận cứ trong cách thức tiếp cận và kết quả giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là những nét quan trọng trong việc phát triển nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu từ vật liệu compozit. Thực hiện toàn bộ nội dung của đề tài đã đào tạo được nhóm cán bộ nghiên cứu, chủ yếu là cán bộ trẻ, trưởng thành về nhiều mặt trong thực tiễn tổ chức, phối hợp thực hiện của một vấn đề mang tính hệ thống của ngành công nghệ vật liệu.
Đối với cơ quan chủ trì: Nghiên cứu phát triển các công nghệ lưỡng dụng (dân dụng – quốc phòng) là cách thức quan trọng trong phát triển khoa học công nghệ nói chung, được nhiều quốc gia trên thế giới thực hiện. Sau khi thực hiện đề tài cho phép Viện Tên lửa - cơ quan chủ trì nâng cao khả năng giải quyết các vấn đề do thực tiễn đặt ra phục vụ cho các nhiệm vụ trong việc thiết kế chế tạo các sản phẩm phục vụ quốc phòng. Đặc biệt là các vấn đề thiết kế chế tạo mới, cải tiến và tăng tầm một số thiết bị bay trong quân sự. Bên cạnh đó, trình độ khoa học và thực tiễn cho đội ngũ cán bộ nghiên cứu, đặc biệt là nhóm các cán bộ nghiên cứu trẻ được tăng lên đáng kể.
Đối với cơ sở áp dụng quy trình: Sản phẩm của đề tài cho phép thay thế nhập ngoại, chủ động trong sản xuất kinh doành, đảm bảo chất lượng sản phẩm, tăng tính cạnh tranh do giảm mạnh giá thành của sản phẩm; giảm chi phí, tăng doanh thu, tăng hiệu quả kinh tế; tăng tính thân thiện với môi trường khi áp dụng quy trình.
|
|
|
|
| Chủ nhiệm Thiếu tá TS. Trần Ngọc Thanh |
Cộng sự Đại úy Ths. Vũ Tùng Lâm |
Thư ký
Đại úy KS. Trần Xuân Tiến |
