Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải thaco towner bằng vật liệu COMPOSITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

DƯƠNG TUẤN VIỆT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI
THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN LUẬN

Phản biện 1: ....................................................................
Phản biện 2: ....................................................................

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày …. tháng
… năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác
nhau nhằm tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật
liệu thành phần ban đầu, chính vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống.
Với những đặc điểm:
 Không bị oxy hóa bởi điều kiện môi trường ẩm ướt;
 Trọng lượng nhẹ, giá thành thấp;
 Dễ tạo ra các biên dạng đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ cao.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều ứng dụng vật liệu
composite để chế tạo các linh kiện trong ngành công nghiệp ứng dụng:
Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin…. Trong ngành
công nghiệp ô tô, composite đã được các hãng chế tạo ô tô ứng dụng
chế tạo thân vỏ và các chi tiết thay thế khác.
Cùng chung xu thế ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng
nhu cầu của thị trường và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đề tài
‘‘nghiên cứu đánh giá thùng xe tải nhẹ Thaco Towner 750 bằng vật
liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật khi
chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng. Bên cạnh đó, đề tài sẽ là cơ sở cho
việc lựa chọn cách tạo mẫu và phương pháp tính toán phù hợp để sản
xuất thùng xe tải nhẹ khác đang được lắp ráp tại Nhà máy bằng vật
liệu composite.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tính toán thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 bằng vật liệu
composite phù hợp với tiêu chuẩn chuyên ngành.

2
3. ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thùng lững xe tải Thaco Towner
750A- MMB
- Phạm vi nghiên cứu: xuất phát từ yêu của của thùng xe tải là: Đảm
bảo sức bền; dễ dàng tháo lắp; sửa chữa, bảo dưỡng; dễ bốc xếp
hàng; trọng lượng nhẹ và giá thành thấp. Để đảm bảo các tiêu chí
này, thực tế cần thêm nhiều thời gian nghiên cứu và tính toán. Do đó,
giới hạn phạm vi nghiên cứu của luận văn là đo đạc đánh giá đặc tính
sức bền của vật liệu composite để làm cơ sở tính toán kết cấu vỏ bao
thùng xe tải nhẹ Thaco Towner 750A- MMB.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
* Nghiên cứu lý thuyết: dựa vào đặc tính lý thuyết và các phương
trình tính toán phân lớp vật liệu thành phần để đồng nhất thành vật
liệu composite.
* Thực nghiệm: Khảo sát thông số tuyến hình, kết cấu thùng xe tải
nhẹ truyền thống Thaco Towner và đo đạc xác định đặc tính sức bền
vật liệu composite.
5. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đánh giá khả năng và tạo tiền đề cho việc chuyển đổi vật liệu chế tạo
các chi tiết / cụm chi tiết trên ô tô tải sản xuất tại Thaco trong thời gian
sắp tới.
Phát triển mô hình công nghiệp phụ trợ, gia tăng tỉ lệ nội địa hóa theo lô
trình cho ngành công nghiệp ô tô nói chung và sản xuất xe tải tại đơn vị.


3
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận của luận văn “Nghiên cứu

thiết kế thùng xe tải Thaco Towner bằng vật liệu composite”
được trình bày trong 4 chương có cấu trúc như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán thùng xe tải Thaco Towner
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính sức bền vật liệu
composite
Chương 4. Phân tích kết quả thực nghiệm và tính toán thùng xe tải
Thaco Towner
Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Tài liệu tham khảo


4
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.Giới thiệu về kết cấu vật liệu composite
Vật liệu composite là vật liệu nhiều pha: trong đó, pha rắn khác
nhau về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng
ranh giới pha.
1.1.1. Chất nền (pha nền)
Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn
lẫn một cách đồng nhất để tạo thể liên tục.
1.1.2. Pha cốt
Pha cốt đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung nên thường
có tính chất cơ lý cao hơn nhựa (pha nền).
1.1.3. Liên kết nền cốt
Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố
quan trọng nhất bảo đãm sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha trên.
1.1.4. Chất xúc tác – Xúc tiến
a) Chất xúc tác:
Các chất xúc tác chỉ được cho vào nhựa trước khi gia công.

Vai trò của chúng là tạo gốc tự do kích động cho quá trình xúc tác
phản ứng đồng trùng hợp.
b) Chất xúc tiến.
Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo
gốc tự do cuả chất xúc tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm được nhiệt độ
và thời gian đóng rắn một cách đáng kể và có thể đóng rắn nguội.


5
1.1.5. Các chất phụ gia sử dụng trong quá trình sản xuất
composite
a) Chất pha loãng:
Tính chất của polyester phụ thuộc không những vào hàm
lượng nối đôi và nhóm este, vào mạch thơm hay thẳng, mức độ đa tụ
mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang – monomer.
b) Chất đóng rắn:
Để đóng rắn polyester, người ta dùng các monomer : styrene,
metyl meta acrylat (MMA), vinyl, triallil xianuarat, … trong đó
styrene được sử dụng nhiều nhất
c) Chất tách khuôn:
Chất tách khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào

-

bề mặt khuôn.
Chất tách khuôn dùng trong đắp tay là loại chất tách khuôn

-

ngoài được bôi trực tiếp lên khuôn.

d) Chất làm kín
- Với khuôn làm từ các vật liệu xốp như gỗ, thạch cao thì cần
phải bôi chất làm kín trước khi dùng chất tách khuôn.
- Các chất làm kín xâm nhập vào các lỗ xốp, ngăn chặn nhựa bám
vào.
e) Chất tẩy bọt khí
- Bọt khí làm sản phẩm composite bị giảm độ chịu lực, độ chịu
thời tiết và thẩm mỹ bề mặt.
- Lượng thường sử dụng: (0,2 – 0,5)% lượng nhựa.
Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa trước khi dùng các thành
phần khác.


6
1.2. Kết cấu vật liệu composite sandwich

Hình 1.1. Cấu trúc composite sandwich
(a. Lớp composite; b. Kết cấu dầm composite sandwich; c. Minh
chứng về sức bền và độ cứng của kết cấu composite
sandwich)

Hình 1.2. Phân bố nội lực bên trong kết cấu composite sandwich
1.3. Đặc tính sức bền tổng quát của vật liệu composite và của gỗ
thông
1.3.1. Sức bền nén của gỗ thông
Đối với kết cấu composite sandwich dự kiến sẽ làm vỏ bao
thùng xe tải thì việc đánh giá sức bền nén của lõi composite sandwich
là việc cần thiết. Vì khi tải trọng phân bố đều lên sàn thùng hoặc lên
vách thùng, chúng ta dễ dàng thấy rằng tấm lõi của sàn hoặc vách chịu
ứng suất nén.

7
1.3.2. Đặc tính cơ học của vật liệu composite

Hình 1.3. Đặc tính cơ học của vật liệu composite
(a. Mô hình cấu trúc composite nhiều lớp; b. Đặc tính ứng suất –
biến dạng; c. Đặc tính cơ học của vật liệu composite)
1.4. Ứng dụng của vật liệu composite
1.4.1. Thế giới
1.4.2. Việt Nam
1.5.Tổng quan về các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên
quan đến đề tài
1.5.1. Công nghệ lăn tay
Quy trình sản xuất gồm các công đoạn như sau:

Hình 1.4. Quy trình công nghệ lăn tay


8
1.5.2. Công nghệ VaRTM

Hình 1.5. Quy trình công nghệ VaRTM
1.5.3. Công nghệ quấn sợi
Sản xuất những thùng chịu áp suất hình trụ, hình cầu, làm sản
phẩm dạng ống, các ống dẫn Oxy, gas và khí khác, vỏ động cơ phản
lực, cánh máy bay trực thăng, các bộ phận của tàu vũ trụ.
Tóm lại, để giảm khối lượng thùng xe tải nhẹ, nhưng vẫn đảm
bảo các tính năng về cơ tính của thùng, khả năng chuyên chở, đặc biệt
là hạ giá thành sản phẩm thì cần đặt ra vấn đề tính toán thay thế vật

liệu làm thùng. Căn cứu vào những kết quả nghiên cứu ứng dụng đạt
được nói trên, tác giả của luận văn này đề xuất hướng nghiên cứu thay
thế vỏ bao của thùng truyền thống bằng vật liệu nhẹ composite.
Để giải quyết vấn đề này, luận văn sẽ gồm các nội dung chủ yếu
sau:


Khảo sát kết cấu thùng xe tải nhẹ bằng vật liệu thép truyền

thống;


Đánh giá đặc tính sức bền vật liệu composite;



Tính toán thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A- MMB
bằng vật liệu composite.


9
Chương 2. CỞ SỞ LÝ THUYẾT
TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER
2.1. Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A- MMB

2.2. Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A-MMB

Từ phương án thiết kế này, dễ dàng chúng ta thấy được sự ưu
việc khi lắp phép vỏ bao vào khung xương, các vách của thùng có thể
mở gập ra ngoài tạo điều kiện thuận lợi khi bốc xếp hàng hóa.

10
2.3. Sơ đồ phân tích tải trọng tác dụng lên thùng xe tải Thaco
towner 750A-MMB
2.2.1. Sơ đồ phân bố khối lượng

Hình 2.3. Sơ đồ phân bố khối lượng của xe tải Thaco Towner
750A
2.1.2. Phân tích các trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe
a) Trường hợp 1: (hình 2.3)

Hình 2.4. Tải trọng tác dụng lên sàn
b) Trường hợp 2: (hình 2.4)

Hình 2.5. Mô phỏng trường hợp xe leo dốc


11
c) Trường hợp 3: (hình 2.6)

Hình 2.6. Mô phỏng trường hợp xe xuống dốc
d) Trường hợp 4: (hình 2.7)
Xe chở đầy tải và nghiêng ngang, lúc này tải trọng sẽ tác dụng
lên mặt sàn, lên các vách.

Hình 2.8. Mô phỏng trường hợp xe nghiêng ngang
e) Trường hợp 5:
Xe chở đầy tải chạy trên các đoạn đường gập ghềnh làm cho
tải trọng phân bố không đều trên toàn diện tích sàn và diện tích bề mặt

các vách. Do đó, trạng thái chịu lực của sàn thùng và của các vách là
do momen xoắn và lực cắt gây ra.


12
2.4. Phương trình tính toán kết cấu dầm composite
2.4.1. Phương trình tính toán phân lớp composite

2.4.2. Phương trình tính toán sàn thùng xe
Mặt sàn của thùng xe tải Thaco towner 750A đặt tựa trên
khung thép có 6 dầm ngang. Chiều rộng của thùng bằng ½ chiều dài
của thùng. Do đó, chúng ta có thể xem sàn của thùng xe tải khi làm
việc như 1 kết cấu dầm liên tục chịu uốn, tựa trên 6 gối đỡ (6 thanh
ngang). Phương trình tính toán ứng suất được viết như sau:
 M x   D11

 
 M y    D12
M  D
 xy   16

D12
D22
D26

D16   k x 


D26   k y  ,
D66   k xy 




(2.2)

Ứng suất của dầm chịu uốn và xoắn được tính:

 xxk  z(Q11k D11*  Q12k D12*  Q16k D16* )M x,
k
 xx

 Q k 11
 k 
 k
 yy   z Q 12
 k 
Q k 16

 xy 

Q k 12
Q k 22
Q k 26

Q k 16   K x 


Q k 26   K y  ,
Q k 66   K xy 




(2.37)


13
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Mục tiêu thực nghiệm
Các thông số chủ yếu thể hiện đặc tính của vật liệu là: Modul
đàn hồi uốn (E); Modul đàn hồi cắt (G); Biến dạng đàn hồi (Ɛ ); Độ
cứng của vật liệu (D); Hệ số poisson ɤ . Trong phương trình tính toán
sức bền vỏ bao của thùng xe tải Thaco Towner 750A bằng vật liệu
composite cần giá trị của các thông số này. Do đó, mục tiêu của phần
thực nghiệm này là chế tạo các mẫu thử có kích thước theo tiêu chuẩn
ASTM và thử nghiệm đo đạc xác định các thông số đặc trưng của vật
liệu nêu trên.
3.2. Vật liệu thực nghiệm

Bảng 3.1. Định nghĩa vật liệu thực nghiệm
Code

Tên vật liệu mỗi lớp
Sợi Mat 300 g/m²
Sợi Mat 450 g/m²
Sợi có hướng 868 g/m²
Sợi Tissu 500 g/m²
Lõi sandwich bằng gỗ thông 120 kg/m²
Vải thoát nhựa SORIC
Vải thoát nhựa PET
Vải thoát nhựa STOPRINT

3.2. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn


14
Sơ đồ bố trí mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM 6259

Hình 3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi và độ
cứng của vật liệu
Modul đàn hồi được tính theo công thức: Em,app 

l13 (F2  F1 )
48l ( w 2  w 1 )

3.4. Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén

Hình 3.3. Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén
3.5. Kết quả thực nghiệm

(1)


15
Bảng 3.3. Modul đàn hồi của gỗ thông

Hình 3.4. Biến thiên lực uốn và biến dạng của dầm composite
sandwich
Từ kết quả thực nghiệm hình 3.4, chúng ta xác định được
modul đàn hồi E = 7.77 103 MPa; và Modul đàn hồi cắt G = 85.9
MPa. Những kết của của E và G xác định nêu trên cũng phù hợp với

các kết quả được công bố trên các tài liệu khác (Gay, 1997 ; Kepler,
2011). Trong đó, modul đàn hồi của nhựa thành phần polyester là E =
4.00 103 MPa, G = 1400 MPa, modul đàn hồi của sợi thủy tinh E =
74.00 103 MPa, G = 30.00 103 MPa.


16
Chương 4. TÍNH TOÁN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER
750A
4.1. Giả thiết tính toán
+ Trọng lượng toàn bộ khung vách tác dụng lên dầm ngang tại điểm
đầu dầm ngang;
+ Mặt sàn thùng và các vách thùng chịu tải trọng phân bố đều;
+ Giả thiết khung xương của thùng xe nguyên thủy là tuyệt đối cứng,
các dầm ngang có tiết diện không thay;
+ Sàn thùng xe như dầm liên tục chịu tải trọng tĩnh, phân bố đều và
tựa trên 6 gối đỡ (số gối đỡ chính bằng số dầm ngang của khung xe
nguyên thủy;
+ Các vách của thùng như dầm tựa trên 2 đầu ngàm, chịu tải trọng tĩnh
và phân bố đều.
4.2. Xác định chiều dày của vỏ bao thùng

Hình 4.1. Mô phỏng tấm composite sandwich
Hằng số thủy tinh: Ct 

1

t



1
 0,391
1,56


17
Hằng số resin: Cm 

1

m



1
 0,885
1,13

Hằng số gỗ thông : Cg = 1
Chiều dày lớp sợi thủy tinh: ef = 4 × Gf × Ct = 4×0,6×0,4 = 0,96 mm
Chiều dày lớp resin: em=4×Gm×Cm=4×0,6×0,9 = 2,16 mm
Chiều dày vỏ bao của thùng: e = ef + em + eg = 16 mm
4.3. Kết quả tính toán
Trường hợp 1: Xe chở đầy tải, giả thiết tải trọng phân bố đều lên toàn
bộ diện tích mặt sàn của thùng xe và lên các vách. Do đó, trạng thái
chịu lực của sàn thùng và của các vách là do momen uốn và lực cắt
gây ra.

Hình 4.2. Mô phỏng ứng suất - biến dạng của thùng

Trường hợp 2: (Tính sức bền sàn thùng)
Xe chở đầy tải, giả thiết tải trọng phân bố đều lên toàn bộ diện tích
mặt sàn của thùng xe. Do đó, ứng suất sinh ra trên sàn thùng là do
momen uốn và lực cắt gây ra.


18

Hình 4.3. Mô phỏng ứng suất - biến dạng của sàn thùng xe
Trường hợp 3: Xe chở đầy tải chạy trên các đoạn đường gập ghềnh
làm cho tải trọng phân bố không đều trên toàn diện tích sàn và diện
tích bề mặt các vách. Do đó, trạng thái chịu lực của sàn thùng và của
các vách là do momen uốn, momen xoắn và lực cắt gây ra.

Hình 4.4. Mô phỏng ứng suất - biến dạng khi thùng xe
chịu uốn – xoắn


19
4.4. Đánh giá kết quả tính toán

Hình 4.5. Biến dạng của dầm composite sandwich (. lý thuyết và .
thực nghiệm)

Hình 4.6. So sánh độ cứng của dầm composite (- lý thuyết và .thực
nghiệm)


20
4.5. Quy cách thùng xe bằng vật liệu composite sandwich

Bảng 4.1 Kết quả tính toán thùng xe bằng vật liệu composite
sandwich
Số
Đơn giá
lượng
(m2)
2
(m )
THÙNG XE TẢI SANWICH COMPOSITER

TT Các chi tiết
kết cấu

Quy cách
(mm)

Thành
tiền
(VNĐ)

Vách
trái+vách
phải
Vách trước
+ vách sau
Sàn thùng

2220x300x12

1,34 600.000/m2

m2

1330x300x12
2220x1330x16

0,8 600.000/m2
480.000
m2
3 m2 700.000/m2 2.100.000

U30x40

7,2m

50.000/m

300.000

Vhộp
60x60;20x30

4,5m

70.000/m

315.000

Vlỗ 30x30x2

5,32m

45.000/m

240.000

7

Hệ thống
dầm liên
kết
vách hông
Hệ thống
dầm liên
kết sàn với
vách hông
Đà ngàng
sàn
Bản lề

10 cái

40.000/cái

400.000

8

Bát chốt

2 cái

90.000/cái

180.000

1

2
3
4

5

6

9

Tổng chi phí dự toán

804.000

5.033.000

Hình 4.5. chỉ ra rằng, cấu trúc vật liệu composite sandwich để
làm vỏ bao thùng xe được kết cấu từ nhiều lớp vật liệu thành phần
nhưng sự ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng giống như
vật liệu đồng nhất. Đường cong biểu diễn sự biến thiên giữa lực và
biến dạng trong miền đàn hồi là tuyến tính. Kết quả tính toán khi sử

21
dụng phương trình phân lớp composite tương đương với kết quả từ
thực nghiệm (hình 4.5).
Hình 4.6 biểu thị kết quả của sự biến thiên độ cứng của dầm
composite sandwich phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 gối đỡ. Trên
hình chỉ ra kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm là tương đồng
nhau. Kết quả lý thuyết được tính từ phương trình phân lớp composite
với điều kiện biên được giả thiết là dầm composite sandwich liên tục
tựa trên nhiều gối đỡ. Kết quả thực nghiệm đạt được từ phương pháp
uốn thử độ bền uốn hình 3.2. với khoảng cách giữa 2 gối đỡ tăng dần
từ 70mm đến 160 mm. Từ những kết quả thực nghiệm hình 4.5 và 4.6
cho phép chúng ta kết luận chương trình tính toán sức bền vỏ bao
thùng xe tải Thaco Towner 750A là hợp lý. Khoảng cách các dầm
ngang của khung xương nguyên thủy là phù hợp cho trường hợp sử
dụng kết cấu composite sandwich làm vỏ bao thùng thay cho vật liệu
bằng thép truyền thống.
Kết quả mô phỏng tính toán độ chịu tải trọng của thùng (Hình
4.2), với trọng lượng tác động vào thùng xe là 900 kgf, chiều dài
thùng chịu tác động là 2.611 m, thùng xe có độ võng 0,0025 m, thùng
xe đảm bảo độ bền. Khi mô phỏng và tính toán độ cứng của thùng xe
khi bị tác động lực xoắn (Hình 4.4), mô men xoắn tác động vào thùng
là 800 (kgf x m), tác động là 2.531 m, góc xoắn của thùng khi đó là
0.191 rad, độ cứng khi bị xoắn là 1.2456 x 104 (kgf x m2/ rad). Với
kết quả mô phỏng trên, vỏ bao thùng xe làm bằng composite sandwich
hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đưa ra. Khi sản phẩm đảm


22
bảo. Kết cấu tổng thành của thùng xe tải Thaco Towner 750A như
sau:

Hình 4.7. Kết cấu tổng thành của thùng xe tải Thaco Towner bằng
composite


23
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1. Cấu trúc vật liệu ghép composite – gỗ thông có thể chế tạo làm vỏ
thùng xe tải Thaco Towner;
2. Luận văn đã xác được mô đun đàn hồi và modun cắt của vật liệu
ghép Gỗ thông – Composite: E = 7.77 103 MPa; G = 85.9 MPa;
3. Độ dày của sàn thùng xe và của các vách thõa mãn sức bền và độ
cứng cần thiết tương ứng là : 15mm (tấm sàn) và 12 mm (tấm vách);
4. Giá thành tổng thể của thùng là 5.033.000 đồng, (so với thùng xe
truyền thống là 17.000.000 đ);
5. Chi phí giảm gần 68% so với thùng xe truyền thống.