Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.95 MB, 75 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
BÙI THỊ MẬN
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI TỔ ONG
CHỊU TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Thái Nguyên - Năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
BÙI THỊ MẬN
TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI TỔ ONG
CHỊU TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS DƯƠNG PHẠM TƯỜNG MINH
2. TS. TRẦN NGỌC GIANG
Thái Nguyên - Năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Thị Mận
Đề tài luận văn: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong
chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số:
Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
02/6/2019 với các nội dung sau:
Thái Nguyên, ngày
tháng 6 năm 2019
Cán bộ hướng dẫn
Tác giả luận văn
PGS.TS Dương Phạm Tường Minh
Bùi Thị Mận
TS. Trần Ngọc Giang
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS Vũ Ngọc Pi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Thị Mận
Học viên lớp cao học khóa K20 – chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí, trường Đại
học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái nguyên.
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Dương Phạm Tường Minh và TS. Trần Ngọc Giang. Ngoài
các thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Tác giả luận văn
Bùi Thị Mận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học,
thầy giáo PGS.TS Dương Phạm Tường Minh và TS. Trần Ngọc Giang 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, Khoa Cơ khí, bộ môn Thiết kế cơ khí,
các phòng ban chức năng của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên đã tận tình 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 thực hiện luận văn.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Tác giả luận văn
Bùi Thị Mận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
MỤC LỤC
Trang bìa phụ………………………………………………………………………...i
Lời cam đoan ...............................................................................................................ii
Lời cảm ơn ................................................................................................................. iv
Mục lục ........................................................................................................................ v
Bảng các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................................... vii
Danh mục các bảng biểu .......................................................................................... viii
Danh mục các đồ thị ................................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài. ......................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. .............................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. ......................................................... 3
4. Kết quả đạt được. .................................................................................................... 3
5. Cấu trúc của luận văn. ............................................................................................. 3
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU
COMPOSITE PHỨC TẠP .......................................................................................... 4
1.1 Vật liệu composite................................................................................................. 8
1.2. Tấm composite. .................................................................................................. 19
1.3. Tấm composite sandwich ................................................................................... 22
1.4. Composite sandwich lõi tổ ong. ......................................................................... 25
Chương 2 MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA CHO TẤM COMPOSITE SANDWICH
LÕI TỔ ONG ............................................................................................................ 34
2.1. Giới thiệu............................................................................................................ 34
2.2. Nhắc lại lý thuyết đàn hồi và lý thuyết tấm ....................................................... 34
2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán tấm composite nhiều lớp chịu
uốn ............................................................................................................................. 40
2.4. Xây dựng công thức đồng nhất hóa ................................................................... 41
Chương 3 HỢP THỨC HOÁ MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HOÁ ............................ 51
3.1. Kéo tấm theo phương x liên quan đến Nx .......................................................... 53
3.2. Kéo tấm theo phương y liên quan đến Ny .......................................................... 54
3.3. Uốn tấm quanh trục y liên quan đến Mx ............................................................ 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
3.4. Uốn tấm quanh trục x liên quan đến My ............................................................ 55
3.5. Cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nxy trên mặt vuông góc trục x .............. 56
3.6. Cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nyx trên mặt vuông góc với trục y ........ 57
3.7. Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng yz liên quan đến My và Ty ......................... 58
3.8. Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng xz liên quan đến Mx và Tx ......................... 59
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên các đại lượng
Ký hiệu
uq, vq, wq
u, v, w
Các chuyển vị của một điểm q(x, y, z)
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
Góc xoay của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x
x , y
N x , N y , N xy
(x=y)
(y=-x)
Véc tơ độ cong
Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương ứng
Lực màng
M x , M y , M xy Mô men uốn, xoắn
Tx , Ty
Lực cắt ngang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Mức độ sử dụng composite polyme sợi cacbon những năm1980 .................6
Bảng 2: Một số tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu composite. .....................10
Bảng 3: Đặc tính nhiệt của một số vật liệu. ..............................................................11
Bảng 4: Một số ứng dụng ban đầu của vật liệu composite trên máy bay quân sự ...12
Bảng 5: Các thông số hình học của một lỗ tổ ong ...................................................30
Bảng 6: Trình bày tóm tắt các đặc điểm hình học và cơ học của một số loại lõi tổ
ong thường được sử dụng..........................................................................................31
Bảng 3.1. Thuộc tính của một lớp đơn hướng tạo thành lớp vỏ của tấm composite
sandwich. ...................................................................................................................51
Bảng 3.2. Thuộc tính của lớp giấy làm lõi của tấm sandwich. .................................51
Bảng 3.3. Thông số hình học của một lỗ tổ ong bằng giấy .......................................52
Bảng 3.4. Thuộc tính của khối đặc đồng nhất tương đương .....................................53
Bảng 3.5. So sánh giữa Abaqus 3D-Shell và 3D-Solid khi kéo theo phương x .......54
Bảng 3.6. So sánh giữa Abaqus 3D-Shell và 3D-Solid khi kéo theo phương y .......54
Bảng 3.7. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi uốn quanh trục y .........55
Bảng 3.8. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi uốn quanh trục x .........56
Bảng 3.9. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid cho cắt trong mặt phẳng xy
với lực tác dụng theo phương y.................................................................................57
Bảng 3.10. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid cho cắt trong mặt phẳng xy
với lực tác dụng theo phương x .................................................................................58
Bảng 3.11. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid cho uốn ngang phẳng trong
mặt phẳng zy .............................................................................................................59
Bảng 3.12. So sánh giữa mô hình 3D-Shell và 3D-Solid cho uốn ngang phẳng trong
mặt phẳng zy .............................................................................................................60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi tổ ong .....................................2
Hình 1.2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn ..................................................15
Hình 1.3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa ............................16
Hình 1.4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay ..............................................................16
Hình 1.5. Ứng dụng trong công nghiệp ôtô ..............................................................17
Hình1. 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy ......................................................17
Hình 1.7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao..............................................................17
Hình 1.8. Ứng dụng trong công nghiệp bao bì..........................................................18
Hình 1.9. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng .............................................................18
Hình 1.10. Các loại vật liệu composite ....................................................................20
Hình 1.11. Lớp vật liệu composite ............................................................................20
Hình 1.12. Mô hình cấu trúc của composite nhiều lớp ............................................20
Hình 1.13. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung .................................21
Hình 1.14. Tấm sandwich lõi đặc.............................................................................23
Hình 1.15. Tấm sandwich lõi rỗng ............................................................................24
Hình 1.16. Cấu trúc của một tấm sandwich lõi tổ ong ..............................................25
Hình 1.17. Tấm sandwich lõi tổ ong ........................................................................26
Hình 1.18. Quá trình sản xuất lõi tổ ong: Bằng quá trình mở rộng (trên), Bằng quá
trình cán lượn sóng (dưới) .........................................................................................28
Hình 1.19. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong ....................................................30
Hình 1.20. Mô hình tương đương cho tấm sandwich lõi tổ ong ..............................33
Hình 2.1. Lực màng, mô men uốn-xoắn và lực cắt ngang ........................................39
Hình 2.2. Phân tố thể tích đại diện cho lõi tổ ong .....................................................42
Hình 2.3. Hệ tọa độ của một tấm sandwich lõi tổ ong ..............................................42
Hình 2.4. Mô hình tính toán mô đun đàn hồi cho một REV lõi tổ ong ....................44
Hình 2.5. Mô hình tính toán mô đun trượt Gxy cho một REV lõi tổ ong .................47
Hình 2.6. Mô hình tính toán mô đun trượt Gxz cho một REV lõi tổ ong ................48
Hình 2.7. Mô hình tính toán mô đun trượt Gyz cho một REV lõi tổ ong ................49
Hình 3.1. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong ......................................................52
Hình 3.2. Mô phỏng Abaqus cho Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi chịu kéo theo
phương x....................................................................................................................53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Hình 3.3. Mô phỏng Abaqus với Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi kéo theo y ....54
Hình 3.4. Mô phỏng Abaqus cho Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi uốn quanh
trục y..........................................................................................................................55
Hình 3.5. Mô phỏng Abaqus cho Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid khi uốn quanh
trục x ..........................................................................................................................56
Hình 3.6. Cắt trong mặt phẳng xy cho Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid với lực tác
dụng theo phương y...................................................................................................57
Hình 3.7. Cắt trong mặt phẳng xy cho Mô hình 3D-Shell và 3D-Solid với lực tác
dụng theo phương x ...................................................................................................58
Hình 3.8. Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng zy cho mô hình 3D-Shell và 3D-Solid
...................................................................................................................................59
Hình 3.9. Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng zx cho mô hình 3D-Shell và 3D-Solid
...................................................................................................................................60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau
để tạo nên một vật liệu có đặc tính trội hơn hẳn đặc tính của các vật liệu thành
phần. Một trong các loại vật liệu được sử dụng phổ biến hiện nay là các kết
cấu tấm composite sandwich. Đại diện cho dạng kết cấu tấm composite kiểu
này có thể kể đến là tấm composite lõi tổ ong, chúng được sử dụng khá rộng
rãi trong các ngành công nghiệp (như xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô, hàng
không, vũ trụ…) 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 tổ ong 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 xây dựng mô hình
đồng nhất hóa, mô hình này được xây dựng để thay thế tấm composite lõi tổ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
ong 3D shell bằng một tấm đồng nhất lõi 3D solid tương đương (Hình 1.1),
nhằm giảm đáng kể thời gian tính toán cũng như thời gian xây dựng mô hình.
Hình 1.1. Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi tổ ong
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 tổ ong 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 tổ ong
chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa” sẽ mở ra để nghiên cứu, giải
quyết các vấn đề trên.
2. Mục tiêu 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 tổ ong dạng 3D-shell bằng một tấm đồng nhất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
3D-solid 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.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Một kết cấu tấm composite lõi tổ ong phổ biến, được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp bao gồm 2 lớp vỏ có cấu tạo là tấm nhiều lớp rất bền và
chắc kết hợp với một lớp lõi tổ ong làm bằng giấy tạo thành tấm sandwich rất
nhẹ và bền. Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính toán cho tấm
composite lõi tổ ong có vỏ là tấm nhiều lớp và lõi làm bằng vật liệu trực
hướng, và từ đó có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các loại tấm composite lõi
tổ ong được làm từ các loại vật liệu khác nhau.
4. Kết quả đạt được.
- Đề tài đã nghiên cứu xây dựng được mô hình đồng nhất hóa lõi 3Dsolid cho tấm composite lõi tổ ong 3D-shell chịu lực, từ đó có thể áp dụng để
tính toán cho các loại tấm composite có kết cấu lõi tổ ong khác nhau và làm
bằng các vật liệu khác nhau.
- 01 bài báo đăng tải trên Tạp chí khoa học quốc tế.
5. 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 composite lõi tổ ong.
Chương 3: Hợp thức hóa bằng số 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU
VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP
Ngày nay cùng với sự phát triển, tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công
nghệ ngày càng cao phục vụ cho những nhu cầu cuộc sống. Trong các ngành
kỹ thuật, khoa học, công nghệ đặc biệt là các ngành công nghệ cao ngày càng
có sự phát triển vượt bậc do được ứng dụng những thành tựu, những tiến bộ
trong nhiều lĩnh vực. Trong kỹ thuật mỗi bước tiến hay những ghi nhận về
những đột phá trong việc phát triển, ứng dụng của vật liệu sẽ mang lại ý nghĩa
to lớn cho các ngành, lĩnh vực liên quan, nó luôn được xác định là nền tảng
của mỗi sự phát triển, khi làm chủ được khoa học, kỹ thuật vật liệu thì đều có
khả năng tiên phong trong phát triển lĩnh vực đó. Có thể khẳng định không có
một ứng dụng, tiến bộ khoa học kỹ thuật nào lại không khai thác, phát triển
những ưu thế của vật liệu. Trong một số lĩnh vực ngành như công nghệ hàng
không, vũ trụ, công nghiệp đường sắt cao tốc, công nghiệp tầu biển…những
lĩnh vực đó càng cho thấy nhu cầu về phát triển và ứng dụng của vật liệu sẽ
mang lại ý nghĩa to lớn hơn bao giờ hết đối với sự phát triển của chúng.
Để giảm tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2 các kỹ sư luôn nỗ lực để
thiết kế các vật liệu có độ cứng tốt, độ bền cơ học cao, khối lượng thấp. Họ
mong muốn rằng, tỷ lệ hiệu suất trên khối lượng phải càng cao càng tốt. Chỉ
có vật liệu composite mới đáp ứng tốt được các yêu cầu này. Chúng được sử
dụng rộng rãi cả trong lĩnh vực vận tải (hàng không, hàng không vũ trụ, ô tô,
hàng hải, đường sắt ...) cũng như trong lĩnh vực giải trí và thể thao vì chúng
cho phép đạt được hiệu suất mà các vật liệu thông thường không thể cung cấp
được.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Trong số các vật liệu composite được sử dụng phổ biến, tấm sandwich
dành được sự quan tâm chú ý đáng kể. Các cấu trúc tấm sandwich lõi rỗng là
một sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền và tính nhẹ nên rất nhiều ứng dụng được
làm bằng loại vật liệu này. Chính vì vậy cần phải biết được các tính chất cơ
học của chúng để dự đoán và tính toán ứng xử của chúng trong các môi
trường cụ thể là điều hết sức cần thiết. Kết cấu tấm sandwich thường bao gồm
một số các phần kết hợp với nhau chính vì vậy cần phải kết hợp một cách thận
trọng các thuộc tính của lớp vỏ với vật liệu lõi. Việc kết hợp hai bộ phận này
được thực hiện bằng cách dán hoặc hàn lại với nhau.
So với vật liệu kinh điển thì vật liệu composite có rất nhiều ưu điểm nổi
bật mà ta có thể nêu ra đó là: nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng cao,
độ cách nhiệt, cách âm tốt, chịu mài mòn tốt… do đó 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.
Là loại vật liệu phức hợp, được tạo thành bằng cách kết hợp của nhiều
hơn một loại vật liệu ban đầu, vật liệu composite có được các đặc tính mới
theo mong muốn và hơn hẳn các đặc tính của các loại vật liệu ban đầu. Mặc
dù đã được biết đến từ rất lâu đời nhưng ngành khoa học về vật liệu
composite chỉ mới hình thành và bắt đầu phát triển vào những năm 1950 tại
Mỹ. Từ đó đến nay, khoa học và công nghệ vật liệu composite đã phát triển
trên toàn thế giới và những ứng dụng của nó đã cho thấy những hiệu quả cực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
kỳ to lớn đóng góp vào sự thúc đẩy phát triển cho các ngành kỹ thuật và khoa
học công nghệ.
Song song với sự phát triển, ứng dụng vật liệu, đặc biệt là nghiên cứu
ứng dụng các loại vật liệu mới, vật liệu có tính chất đặc biệt… thì việc nghiên
cứu, ứng dụng về kết cấu tương ứng với mỗi loại, kết cấu sử dụng vật liệu
phức hợp… cũng đã được quan tâm nhiều và nó cũng trở thành một hướng
nghiên cứu quan trọng, đóng góp chung cho sự phát triển ngành vật liệu và
kết cấu nói riêng hay trong kỹ thuật nói chung.
Những năm gần đây, vật liệu composite được quan tâm phát triển theo
một số hướng như: phát triển vật liệu theo công nghệ mới, phát triển vật liệu
với tính chất cơ, hóa, lý đặc biệt. Một số ví dụ cụ thể cho thấy rõ hiệu quả của
việc sử dụng vật liệu composite, tàu lượn Antonov-124 của Nga được xuất
xưởng vào những năm 1980 của thế kỷ 20 sử dụng composite polyme sợi
cacbon (CPSC) (Bảng 1):
Bảng 1: Mức độ sử dụng composite polyme sợi cacbon những năm1980
1
Khối lượng sử dụng CPSC (kg)
2200
2
Số các chi tiết chế tạo từ CPSC (cái)
200
3
Giảm được trọng lượng máy bay (kg)
800
4
Tăng hệ số sử dụng vật liệu (%)
85
5
Giảm số lượng các chi tiết (%)
120
6
Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo (%)
300
7
Tiết kiệm hợp kim nhôm (kg)
600
8
Tăng khối lượng chuyển tải (tấn.km)
1.106
9
Tiết kiệm nhiên liệu (tấn)
1,2.104
Một trong các đặc tính nổi bật của vật liệu composite là giảm được
đáng kể khối lượng cho kết cấu, nó được đặc biệt chú ý tới trong lĩnh vực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
hàng không, vũ trụ. Thông thường để vận chuyển 1kg lên vũ trụ tiêu tốn
khoảng 20000USD – 30000USD, với việc đưa composite vào chế tạo máy
bay, tàu không gian, tên lửa… mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt và đặc biệt
là kinh tế.
Ở Việt Nam, mặc dù mới tiếp cận với vật liệu composite từ cuối những
năm 80 của thế kỷ trước nhưng việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng của
vật liệu này đã có những bước đi đáng kể, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội như trong các ngành công nghiệp hàng
hải, tàu biển, xây dựng, công nghiệp ô tô,… Tuy nhiên, so với tiềm năng phát
triển thì những kết quả đó vẫn còn được xem là khiêm tốn, do thời gian ứng
dụng và phạm vi ứng dụng chưa nhiều, việc sản xuất nhỏ lẻ, kỹ thuật và công
nghệ còn chưa đủ đáp ứng cho những nghiên cứu, sản suất ở mức độ đòi hỏi
cao hơn. Bên cạnh đó, vật liệu composite vẫn còn vấp phải sự cạnh tranh gay
gắt của những vật liệu truyền thống, mặc dù vậy thì sự phát triển mạnh mẽ và
lấn áp của nó sẽ là điều hiển nhiên phù hợp với sự phát triển chung của xã hội
khi mà nó đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật, công nghệ và yếu tố thị
trường. Hiện nay, cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vòm che máy
bay, xuồng cứu sinh, tàu du lịch, cửa chắn nước, ống dẫn nước phục vụ sinh
hoạt, 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. Một số lý thuyết tấm bậc nhất đơn giản và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
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.
Ngày nay, để tăng tính hiệu quả thì cần phải sử dụng mô hình số để rút
ngắn đáng kể thời gian thiết kế cho các cấu trúc tấm sandwich. Tuy nhiên, các
cấu trúc tổ ong lại quá phức tạp và tiêu tốn khá nhiều thời gian xây dựng mô
hình. Đồng nhất hóa lõi tổ ong cho phép thu được một khối rắn đồng nhất
tương đương và các mô đun đàn hồi của nó để thực hiện các mô phỏng rất
hiệu quả: giảm đáng kể thời gian chuẩn bị mô hình hình học và chia lưới,
cũng như thời gian chạy chương trình máy tính.
Các mô hình đồng nhất hóa thông thường của tổ ong đã được mô tả một
cách có hệ thống bởi Gibson et al. [2]. Trong các mô hình này, lõi tổ ong
được xem là biến dạng độc lập mà không có ảnh hưởng của lớp vỏ và các
vách của tổ ong được coi là biến dạng uốn. Mô hình này thu được mô đun đàn
hồi của khối rắn đồng nhất rất nhỏ so với những mô hình đo được bằng thực
nghiệm. Trong nghiên cứu này, mô hình đồng nhất hóa giải tích của lõi tổ ong
có tính đến ảnh hưởng của vỏ sẽ được đề xuất. Ảnh hưởng này làm cho các
biến dạng của các vách mỏng của lõi biến dạng chủ yếu ở trạng thái kéo hoặc
nén, tạo ra độ cứng lớn hơn nhiều so với các mô hình uốn. Các mô hình này
được xây dựng bằng toán học và được xác nhận bằng phương pháp phần tử
hữu hạn, sau đó chúng được áp dụng cho việc mô phỏng ứng xử của các tấm
composite sandwich chịu lực khác nhau.
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
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.
Vật liệu composite thường được chia ra hai dạng vật liệu cấu thành
chính, thứ nhất là một pha liên tục làm nhiệm vụ gắn kết được gọi là vật liệu
nền (matrix) và thứ hai là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường (reinfocement)
thường là một pha gián đoạn:
Vật liệu nền: thường được sử dụng với chất liệu nền polyme nhiệt rắn,
polyme nhiệt dẻo, nền cacbon, nền kim loại..
Vật liệu cốt: Nhóm sợi khoáng chất được sử dụng nhiều làm vật liệu
cốt như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm thứ hai cũng được sử dụng
tương đối nhiều đó là nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: Kermel, sợi Nomex,
sợi Kynol, sợi Apyeil; các nhóm sợi khác thì ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật
(gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,...; sợi gốc khoáng chất:
sợi Amiăng, sợi Silic,...; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron,..),
sợi polyamit,...; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,..
Từ những đặc điểm về kết cấu như vậy, vật liệu composite thường có
một số tính chất chung như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
+ Khối lượng riêng nhỏ: Tính năng cơ, lý riêng cao hơn các vật liệu
truyền thống khác (gỗ, gốm, sứ…) rất nhiều;
+ Chịu được môi trường khắc nghiệt, kháng hóa chất cao, ít tốn kém
trong việc bảo quản chống ăn mòn;
Bảng 2: Một số tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu composite.
STT
Vật liệu
Tỉ
Module
trọng
đàn hồi
riêng
(Mpa)
(g/cm3)
Giới
hạn
bền
kéo
(Mpa)
Module Giới
Giới
đàn
hạn
hạn
hồi/tỉ bền/tỉ
chảy trọng trọng
riêng
riêng
1
SAE 101 stell
7.87
207
365
303
2.68
4.72
2
AISI 4340 stell
7.87
207
1722
1515
2.68
22.3
3
6060-T6 Alualloy
2.70
68.9
310
275
2.60
11.7
4
Ti-6Al-4V
alloy
4.43
110
1171
1068
2.53
26.9
5
H-trength
Cacbon fiberepoxy matrix
1.55
137.8
1550
-
9.06
101.9
6
H-modulus
Cacbon fiberepoxy matrix
1.63
215
1240
-
13.44
77.5
7
E-glass fiberepoxy matrix
1.85
39.3
965
-
2.16
53.2
8
Kevlar 49
fiber-epoxy
matrix
1.38
75.8
1378
-
5.6
101.8
9
Boron fiber6061 A1 alloy
matrix
2.35
220
1109
-
9.54
48.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
+ Cách nhiệt, cách điện tốt;
+ Bền lâu;
+ Đơn giản trong công nghệ chế tạo, gia công, tạo hình, chi phí gia
công thấp;
+ Độ bền mỏi cũng như khả năng chịu phá hủy cao;
Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính cơ tính của vật liệu composite:
-
Bản chất vật liệu: cốt, nền;
-
Độ bền liên kết ở mặt tiếp xúc pha;
-
Tỉ lệ vật liệu: cốt, nền;
-
Hình dạng và kích thước vật liệu gia cường;
-
Sự phân bố và định hướng của vật liệu gia cường.
Bảng 3: Đặc tính nhiệt của một số vật liệu.
ST
T
1
2
3
4
5
6
7
Vật liệu
Thép các bon
Đồng
Hợp kim nhôm
Ti-6Al-4V
alloy
Invar
K1100 Cacbon
fiber-epoxy
matrix
Glass fiberepoxy matrix
Độ dẫn
nhiệt
(W/moK)
Tỉ số độ
dẫn nhiệt/tỉ
trọng riêng
7.87
8.9
2.7
Hệ số
giãn nở
nhiệt
(10-6/oC)
11.7
17
23.5
52
388
130-220
6.6
43.6
48.1-81.5
4.43
8.6
6.7
1.51
8.05
1.6
10
1.24
1.8
-1.1
300
166.7
2.1
11-20
0.16-0.26
0.08-0.12
Tỉ trọng
riêng
(g/cm3)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Với những ưu điểm nổi bật đó, vật liệu composite ngày càng được phổ
biến trong nhiều lĩnh vực, khởi đầu từ nhưng ứng dụng trong một số ngành kỹ
thuật cao, hàng không, vũ trụ..và dần phổ biến trong các ngành xây dựng,
công nghiệp nói chung và trong dân dụng (Bảng 4).
Bảng 4: Một số ứng dụng ban đầu của vật liệu composite
trên máy bay quân sự
STT
1
2
3
4
5
Model
F14
Vật liệu
cấu
epoxy
Wing fairings Cacbon-fiber
(1975)
epoxy
F17
Fin leading
Boron-fiber
(1977)
edge
epoxy
F/A
18 Wing skins
(1978)
lượng so với VL
kim loại (%)
Stabilizer box Boron-fiber
(1969)
F15
Tỉ lệ giảm trọng
Bộ phận/kết
Cacbon-fiber
epoxy
AV-8B
Wing skins,
Cacbon-fiber
(1982)
structure
epoxy
19
25
23
35
25
Để thuận tiện trong nghiên cứu, chể tạo và ứng dụng người ta xếp vật
liệu composite thành các lớp, các nhóm theo các tiêu chí chung nhất định:
Theo vật liệu: Composite polyme, composite cacbon-cacbon,
composite gốm, composite kim loại, composite gỗ, composite tạp lai….;
Theo bản chất vật liệu nền và cốt: Composite nền hữu cơ, composite
nền khoáng chất, composite nền kim loại..;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Theo hình dạng cốt liệu: Composite cốt hạt, composite cốt sợi,
composite cốt hạt và sợi;
Theo công nghệ chế tạo: Công nghệ khuôn tiếp xúc, công nghệ khuôn
với diaphragm đàn hồi, công nghệ tẩm, công nghệ dập, công nghệ quấn và
công nghệ pulltrustion.
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
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
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.
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 nguồn 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
