Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi lượn sóng chịu uốn bằng phương pháp đồng nhất hóa (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN VĂN SỸ

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE
LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU UỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ĐỒNG NHẤT HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN VĂN SỸ

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE
LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU UỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ĐỒNG NHẤT HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. DƯƠNG PHẠM TƯỜNG MINH

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái nguyên, tháng 9 năm 2016


1

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Văn Sỹ
Học viên lớp cao học khóa K16 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Nhà máy Z131/Tổng cục CNQP/BQP.
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh.
Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết
quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong
bất cứ công trình nào khác.

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2016
Người thực hiện

Trần Văn Sỹ


2

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học,
thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo trường

Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016
Người thực hiện

Trần Văn Sỹ


3

TÓM TẮT
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác
nhau. Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành
phần. Ngày nay tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô…) nhờ các
ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các môi trường khắc nghiệt. Do đó,
cần thiết phải mô hình hóa và dự đoán các ứng xử cơ học của loại vật liệu
này. Một tấm composite lõi lượn sóng có thể được coi như là một cấu trúc 3D
và được mô hình hóa (lớp vỏ và lõi lượn sóng) bởi các phần tử vỏ (shell),
nhưng việc mô hình hóa và mô phỏng số các tấm composite trực hướng kiểu
này rất khó khăn và tốn kém. Do đó, cần thiết phải sử dụng một mô hình đồng
nhất hóa để mô phỏng các cấu trúc của nó.
Trong luận văn này, một mô hình đồng nhất hóa giải tích cho tấm
composite lõi lượn sóng chịu uốn có kể đến ảnh hưởng của cắt ngang được đề
xuất. Theo mô hình này, một tấm composite lõi lượn sóng 3D được thay thế
bởi một tấm đồng nhất 2D tương đương. Thay vì sử dụng luật ứng xử cục bộ
(quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) tại mỗi điểm, phép đồng nhất hóa cung

cấp các độ cứng tổng thể (quan hệ giữa biến dạng tổng thể và hợp lực) cho một
tấm 2D đồng nhất tương đương. Việc so sánh các kết quả mô phỏng số sử dụng
phần tử hữu hạn cho mô hình Abaqus 3D, mô hình đồng nhất hóa 2D và kết
quả thí nghiệm của tấm lượn sóng chịu uốn chỉ ra rằng mô hình đồng nhất hóa
đề xuất rất chính xác và cực kỳ hiệu quả.


4

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. 2
TÓM TẮT ....................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 4
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ...................................................................... 8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9
0.1. Tính cấp thiết của đề tài. .......................................................................................... 9
0.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài. ........................................................ 11
0.3. Kết quả đạt được: ................................................................................................... 11
0.4. Cấu trúc của luận văn: ............................................................................................ 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU
VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP ............................................................... 12
1.1.

Vật liệu composite. ............................................................................................ 13

1.2. Tấm composite. ...................................................................................................... 19
1.3. Tấm composite lõi lượn sóng ................................................................................. 23

1.4. Carton lõi lượn sóng. .............................................................................................. 23
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA CHO TẤM CARTON LÕI
LƯỢN SÓNG ............................................................................................................... 27
2.1. Giới thiệu................................................................................................................ 27
2.2. Nhắc lại lý thuyết tấm của Mindlin ........................................................................ 27
2.3. Lý thuyết tấm nhiều lớp ......................................................................................... 30
2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán tấm Composite nhiều lớp chịu
uốn ................................................................................................................................. 32
2.6. Áp dụng lý thuyết tấm nhiều lớp vào carton lõi lượn sóng.................................... 34
2.4.1. Độ cứng kéo và uốn liên quan đến Nx, Mx, Ny, My. ............................................ 36


5
2.4.3. Độ cứng cắt ngang trên mặt CD liên quan đến Ty. ............................................. 39
2.4.4. Độ cứng cắt ngang trên mặt MD liên quan đến Tx ............................................. 42
CHƯƠNG 3

HỢP THỨC HOÁ BẰNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM

MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HOÁ ................................................................................ 44
3.1. Độ cứng kéo theo phương x liên quan đến Nx trên mặt MD. ................................ 45
3.2. Độ cứng kéo theo phương y liên quan đến Ny trên mặt CD. ................................. 47
3.3. Độ cứng uốn quanh trục y liên quan đến Mx trên mặt MD. ................................... 48
3.4. Độ cứng uốn quanh trục x liên quan đến My trên mặt CD..................................... 49
3.5. Độ cứng cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nxy trên mặt MD. ........................ 51
3.6. Độ cứng cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nyx trên mặt CD. ......................... 52
3.7. Hợp thức hóa bằng số và thực nghiệm cho mô hình đồng nhất hóa. ......................... 53
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 57

6

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiÖu
Tên các đại lượng
uq, vq, wq Các chuyển vị của một điểm q(x, y, z)
u, v, w Các chuyển vị của điểm p(x, y, 0)

x

Góc xoay của pháp tuyến z về x hoặc góc xoay quanh trục y

y

 

của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x
(Góc
x=xoay
y)
tơxđộ
(Véc
y=) cong

x, y

Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương

Nx , N y ,

Lực
ứng màng

Mx , M y ,

Mô men uốn, xoắn

Tx , Ty

Lực cắt ngang


7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Các thuộc tính vật liệu của các lớp thành phần của carton lượn
sóng ............................................................................................................. 45
Bảng 2. Độ cứng của tấm 2D tương đương ................................................ 45
Bảng 3. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho kéo MD ............ 47
Bảng 4. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho kéo CD ............. 48
Bảng 5. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho uốn MD ............ 49
Bảng 6. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho uốn CD ............. 50
Bảng 7. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho cắt MD ............. 52
Bảng 8. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho cắt trong mặt phẳng
MD............................................................................................................... 53


8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1: Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng ................................ 10
Hình 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn ............................................... 16
Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa ......................... 17
Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay ........................................................... 17
Hình 5. Ứng dụng trong công nghiệp ôtô ........................................................... 17
Hình 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy ................................................... 18
Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao........................................................... 18
Hình 8. Ứng dụng trong công nghiệp bao bì ...................................................... 18
Hình 9. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng .......................................................... 19
Hình 10: Các loại vật liệu composite ..................................................................... 20
Hình 11: Lớp vật liệu composite ........................................................................... 20
Hình 12: Mô hình cấu trúc của composite nhiều lớp .............................................. 21
Hình 13: Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung .............................. 22
Hình 14. Carton lượn sóng lõi đơn (trên) và lõi kép (dưới)................................ 24
Hình 15. Lực màng, mô men uốn-xoắn và lực cắt ngang ................................... 28
Hình 16. Cấu tạo tấm nhiều lớp. ......................................................................... 30
Hình 17. Hình dáng hình học của carton lõi lượn sóng ...................................... 35
Hình 18. Mô hình tương đương cho cắt lõi lượn sóng trong mặt phẳng xy. ...... 38
Hình 19. Mô hình tương đương cho cắt ngang Ty .............................................. 40
Hình 20. Cắt dọc carton lõi lượn sóng ................................................................ 42
Hình 21. Biến dạng của tấm carton (a) và biến dạng của lõi khi chịu H D, VD
và MD (b). ............................................................................................................ 43
Hình 22. Hình dáng hình học mặt CD của carton lượn sóng .............................. 44
Hình 23. Mô phỏng Abaqus 3D và Mô hình H-2D cho kéo MD ....................... 46
Hình 24. Mô phỏng Abaqus 3D và Mô hình H-2D cho kéo CD ........................ 47


9

Hình 25. Mô phỏng Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho uốn MD ....................... 48
Hình 26. Mô phỏng Abaqus 3D và Mô hình H-2D cho uốn CD ........................ 50
Hình 27. Tính toán cắt MD bởi Abaqus-3D và Mô hình H-2D.......................... 51
Hình 28. Mô phỏng Abaqus 3D và Mô hình H-2D cho cắt trong mặt phẳng CD .. 53
Hình 29. Mô hình thí nghiệm và điều kiện biên của tấm carton......................... 54
Hình 30. Chuyển vị và biến dạng của tấm carton ............................................... 55
Hình 31. Uốn tấm carton ..................................................................................... 55


9

MỞ ĐẦU
0.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ngày nay tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô…) nhờ các
ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ và chịu được các môi trường khắc nghiệt. Chính
vì vậy mà cần thiết phải tính toán và dự đoán được ứng xử cơ học của loại vật
liệu này nhằm sử dụng tối ưu các ưu điểm của chúng. Để giải quyết được vấn
đề này, cần phải tiến hành một loạt các thí nghiệm với nhiều kết cấu lõi lượn
sóng khác nhau. Việc làm này sẽ rất tốn kém và tiêu tốn khá nhiều thời gian,
bởi vậy cần thiết phải tiến hành mô phỏng số cho các loại kết cấu composite
dạng 3D này. Hiện nay, việc thiết kế tính toán mô phỏng số cho các kết cấu
composite thường sử dụng các công cụ FEM bằng các phần mềm thương mại
(Ansys, Abaqus…).
Tuy nhiên, việc mô phỏng các kết cấu composite kiểu như vậy rất tốn
kém và không hiệu quả, thậm chí là không thể thực hiện được đối với các tấm
có kích thước lớn (vì đây là một tấm sandwich 3D rất phức tạp nên thời gian
xây dựng mô hình hình học, thời gian cho sự chuẩn bị mô hình phần tử hữu
hạn và công việc tính toán mô phỏng số mất rất nhiều thời gian). Vì vậy mà

cần thiết phải phát triển một phương pháp mới nhằm rút ngắn thời gian tính
toán phục vụ thiết kế, mô phỏng cho các kết cấu này mà vẫn đảm bảo độ
chính xác theo yêu cầu. Phương pháp này được gọi là mô hình đồng nhất
hóa được xây dựng để thay thế tấm composite lõi lượn sóng 3D bằng một tấm
đồng nhất 2D tương đương (Hình 1), nhằm giảm đáng kể thời gian tính toán
cũng như thời gian xây dựng mô hình.


10

3D shell

2D plate

Hình 1: Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng
Với mô hình đồng nhất hóa dạng này, có thể nhận thấy ngay rằng thời
gian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt và tất nhiên mô hình này
hoàn toàn có thể ứng dụng được dễ dàng cho các kiểu tấm composite phức tạp
làm bằng các vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong các
lĩnh vực như: bao bì, xây dựng, tàu thủy, ô tô hay hàng không.
Từ những lý do trên, có thể thấy rằng việc đặt vấn đề nghiên cứu và xây
dựng được mô hình đồng nhất hóa cho tấm composite lõi lượn sóng là rất cấp
thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. Sự thành công
của phương pháp này sẽ có tính đột phá, cho phép mở ra một tiềm năng về mô
phỏng số cho các cấu trúc tấm composite phức tạp, thực tế được sử dụng rộng
rãi trong các ngành công nghiệp tại Việt Nam cũng như trên thế giới.
Theo đó, đề tài “Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi lượn
sóng chịu uốn bằng phương pháp đồng nhất hóa” sẽ mở ra để nghiên cứu,
giải quyết các vấn đề trên.

11

0.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài.
Nghiên cứu, tính toán và phát triển một mô hình đồng nhất hóa để mô
phỏng số cho tấm composite lõi lượn sóng dạng 3D bằng một tấm đồng nhất
2D tương đương nhằm tiết kiệm thời gian tính toán (từ 50 đến 100 lần) cũng
như thời gian xây dựng mô hình bài toán và chi phí.
Một kết cấu tấm composite lõi lượn sóng phổ biến, được sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp bao bì cũng như đời sống hằng ngày là tấm carton lõi
lượn sóng. Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính toán cho tấm carton
lõi lượn sóng, và từ đó có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các loại tấm
composite lõi lượn sóng được làm từ các loại vật liệu khác nhau.
0.3. Kết quả đạt được:
- Đề tài đã nghiên cứu xây dựng được mô hình đồng nhất hóa 2D cho
tấm carton lõi lượn sóng 3D chịu uốn, từ đó có thể áp dụng để tính toán cho
các loại tấm composite lõi lượn sóng khác nhau.
- 01 bài báo đăng tải trên Tuyển tập Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạng
toàn quốc, lần thứ 12, Tháng Tám 2015, Đà Nẵng, Việt Nam. Tr. 954-961.
0.4. Cấu trúc của luận văn:
Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành
3 chương với các nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu cơ học vật liệu và kết cấu
composite phức tạp.
Chương 2: Mô hình đồng nhất hóa cho tấm carton lõi lượn sóng.
Chương 3: Hợp thức hóa bằng số và thực nghiệm cho mô hình đồng
nhất hóa.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần
cuối cùng của luận văn.

12

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU
VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP
So với vật liệu kinh điển thì vật liệu composite có rất nhiều ưu điểm nổi
bật mà ta có thể nêu ra ở đây, đó là: nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi
riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt, chịu mài mòn tốt… do vậy mà nó càng
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới
như: hàng không, chế tạo máy, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, xây dựng dân dụng và
trong đời sống. Nhưng mặt khác vật liệu composite cũng là loại vật liệu có
tính dị hướng rất cao.
Độ bền và tuổi thọ của các kết cấu làm bằng vật liệu composite phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Vật liệu thành phần, phương pháp gia công,
tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và cấp độ chính xác của mô hình tính
toán và thiết kế.
Ở Việt Nam, nói chung cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vòm
che máy bay, xuồng cứu sinh, tàu du lịch, cửa chắn nước, ống dẫn chất thải
công nghiệp,… mà phần lớn các kết cấu này đều thuộc dạng tấm vỏ
composite lớp.
Để có thể thiết kế tối ưu vật liệu và các kết cấu composite thì cần thiết
phải hiểu rõ được bản chất và những quy luật ứng xử cơ học khá phức tạp của
loại vật liệu này. Chính vì vậy mà ta cần phải có những mô hình cơ học sát
thực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâu
sắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu composite lớp khi chịu tác
dụng của tải trọng và môi trường.


13

Một số lý thuyết tấm bậc nhất đơn giản và được ứng dụng rộng rãi
trong phân tích cơ học vật liệu và kết cấu composite lớp như Kirchhoff,
Hencky – Mindlin,… đã cho phép giải quyết phần lớn các bài toán cơ bản của
vật liệu và kết cấu composite chịu tác dụng của tải trọng.
1.1. Vật liệu composite.
Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai vật liệu có bản
chất khác nhau, và vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của
từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết
các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên
khối, liên tục, đảm bảo cho composite có độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng
chịu tải cao khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là
polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo
cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của
composite có thể là các hạt ngắn, bột hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợi
polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơ
học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó
phụ thuộc vào toạ độ.
Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự
phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo
mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại
chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy,
vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.
Thực ra, quá trình tạo nên composite là sự tiến hóa trong ngành vật liệu: Từ
vật liệu chỉ có một cấu tử (như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tận
dụng tính ưu việt của các cấu tử để tạo ra các vật liệu có hai hay nhiều cấu tử
(hợp kim), rồi từ 3 nhóm vật liệu đã biết là kim loại, vật liệu vô cơ ceramic và


14

hữu cơ polyme, người ta đã tìm cách tạo ra composite – vật liệu của các vật
liệu để kết hợp và sử dụng kim loại-hợp kim, các vật liệu vô cơ và hữu cơ
đồng thời, hợp lý. Và mới đây người ta đã nói đến super-composite:
composite của composite (khi các vật liệu thành phần cũng là composite).
Dựa vào các đặc trưng cơ lý hoá, người ta phân vật liệu ra thành 4
nhóm chính: kim loại và các hợp kim, vật liệu vô cơ-ceramic, vật liệu polyme
và gần đây nhất là vật liệu tổ hợp compsite.
Vật liệu kim loại (và hợp kim) là những vật liệu dẫn điện tốt, phản xạ
ánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao. Đặc điểm
cấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạng
tinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng
thái không trật tự (vô định hình). Kim loại thông dụng có thể kể ra như thép,
đồng, nhôm, tin tan, niken,…và các hợp kim của chúng. Ưu điểm của kim
loại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền cơ học cao. Nhược
điểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bị
oxi hóa, và nhiều kim loại có độ bền nhiệt không cao. Khối lượng riêng của
nhiều kim loại rất lớn nên bị hạn chế khi sử dụng để thiết kế chế tạo các khí
cụ bay.
Vật liệu vô cơ-ceramic là hợp chất giữa kim loại (Mg, Al, Si,…) và các
phi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vững
kiểu ion hoặc đồng hoá trị, tạo thành mạng tinh thể (có trật tự), hoặc trạng thái
vô định hình. Các ceramic truyền thống thường thấy là thuỷ tinh, gốm, sứ,
gạch,… Ceramic có ưu điểm chung là cách điện, cách nhiệt, bền vững với
môi trường kiềm và axít, tuy nhiên gốm lại giòn, không biến dạng dẻo.


15

Vật liệu polyme có hai loại: nhiệt rắn (đông rắn ở nhiệt độ cao, quá

trình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo (quá trình thuận
nghịch, chảy dẻo ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lại
được ở nhiệt độ cao). Polyme có thể có nguốn gốc từ thực vật hoặc động vật
như xenlulo, cao su, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monome
bằng các phản ứng trùng hợp như nhựa phenolphomalđehit, polyamit,
polyephin,… Polyme có cấu trúc mạch thẳng (polyetylen, polystyren,…),
mạch nhánh, polyme mạng lưới và các polyme cấu trúc không gian (epoxy,
phenolphomanđehit,…) và được cấu thành nên bởi hai nguyên tố chủ yếu là
cacbon và hyđrô, có chứa thêm oxy, clo, nitơ,…. Polyme có ưu điểm là nhẹ,
cách điện, bền vững với các môi trường hoá học, tuy nhiên lại có mô đun đàn
hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao.
Trong các vật liệu kể trên, trước đây người ta thường đánh giá cao vai
trò của vật liệu nhóm kim loại và cho rằng chúng giữ vị trí quyết định đến sự
phát triển xã hội và kỹ thuật. Tuy nhiên như đã phân tích trên đây, chúng ta
có thể thấy vật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme, mặc dù mỗi loại
vật liệu có những ưu điểm riêng, nhưng cũng có những yếu điểm. Trong khi
công nghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu
mới, đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật, như vật liệu chế tạo khí
cụ bay phải vừa nhẹ, lại vừa bền nhiệt, …là những tính chất lý tưởng mà
không vật liệu tự nhiên nào có được. Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng, và
sau đó đã trở thành hiện thực là chế tạo những vật liệu mới, tổ hợp được các
ưu điểm của các loại vật liệu nói trên. Vật liệu mới composite, có thể có các
chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lại bền với cả môi trường hoá học
và rất nhẹ. Ngày nay, composite ngày càng chiếm ưu thế, đã dần thay thế kim
loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vật thể bay, và đã
có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân.


16

Để thấy được quy mô phát triển của ngành vật liệu composite, ta hãy
quan sát biểu đồ sử dụng vật liệu composite trong máy bay tàu lượn (Hình 2):
năm 1991 composite chiếm có 3% khối lượng, được dùng thay thế dần kim
loại và hợp kim, và đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng máy bay.

Hình 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn


17

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE:

Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa

Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay

Hình 5. Ứng dụng trong công nghiệp ôtô


18

Hình 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy

Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao

Hình 8. Ứng dụng trong công nghiệp bao bì


19

Hình 9. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng
1.2. Tấm composite.
Tấm composite là một loại vật liệu dạng tấm được tạo thành bằng cách
kết hợp nhiều lớp vật liệu theo những phương án cấu trúc khác nhau. Do đó
tính chất của nó không những phụ thuộc vào tính chất của các vật liệu thành
phần mà còn phụ thuộc vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu.
Thường dùng hai loại: dạng lớp và sandwich. Nó có tính năng ưu việt và được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng
tàu, chế tạo ôtô, hàng không vũ trụ…).


20

Dưới góc độ cơ học thì vật liệu composite được phân thành 3 nhóm
chính, đó là: composite đẳng hướng (Hình 10a), composite đẳng hướng ngang
(Hình 10b), composite trực hướng (Hình 10c).

a

b

c

Hình 10: Các loại vật liệu composite
Composite dạng tấm có thể có nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp
“mat”, nhiều lớp vải hoặc tổ hớp các lớp đồng phương, vải và “mat”.

a

b

c

Hình 11: Lớp vật liệu composite
Lớp đồng phương (Hình 11a), lớp “mat” (Hình 11b) và lớp vải, băng
(Hình 11c).
Vật liệu trong mỗi lớp cũng có thể khác nhau và phương của cốt sợi
trong mỗi lớp cũng không nhất thiết phải giống nhau…
Để thấy rõ cấu trúc của tấm composite nhiều lớp, có thể tham khảo mô
hình của vật liệu composite nhiều lớp như Hình 12.
Ngoài ra tùy thuộc vào sự phân bố của các lớp mà vật liệu composite
còn được phân ra thành các loại.


21

- Composite đối xứng, đúng trục: [0/90]s  (00/900/900/00); lệch trục:
[15]s (150/ -150/-150/150).
- Composite xen lớp đúng trục: [0/90]N  (00/900/00/900…); lệch
trục: [±15]N  (150/-150/150/-150…).

Hình 12: Mô hình cấu trúc của composite nhiều lớp
Do vật liệu composite được tạo thành từ nhiều lớp liên tiếp, trong đó
phương của sợi hay phương cơ bản của mỗi lớp lại khác nhau. Do vậy mà để
tính toán được cơ học cho vật liệu kết cấu composite thì ta cần phải chọn một
hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật liệu
theo hệ quy chiếu chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được khái
niệm về hệ trục tọa độ, đó là hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và hệ trục
quy chiếu chung của tấm (x, y, z), Hình 13.

22

2

y
1

x

Hình 13: Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung
Để tính toán cơ học vật liệu composite nhiều lớp người ta coi vật liệu là
đồng nhất và dị hướng. Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đi
theo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của từng lớp vật liệu và nghiên cứu
ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp. Khi đó ta có thể hoàn toàn biết
được ứng xử cơ học của toàn bộ kết cấu composite. Các phương pháp tính
toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu composite có thể được chia
thành 2 nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số:
Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xác
định trực tiếp. Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giải
tích không quá phức tạp như các chương trình tính bằng phương pháp số,
nhưng phương pháp này nói chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịu
lực đơn giản.
Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc
biệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình
dạng, tải trọng tác dụng và kiểu liên kết phức tạp.