Nghiên cứu tối ưu kết cấu cánh UAV làm bằng vật liệu composite

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

NGUYỄN TRẦN TRUNG

Nguyễn Trần Trung

NGHIÊN CỨU TỐI ƢU KẾT CẤU CÁNH UAV LÀM BẰNG

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

VẬT LIỆU COMPOSITE

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

KHÓA CLC2017B

HÀ NỘI – 2018


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

Nguyễn Trần Trung

NGHIÊN CỨU TỐI ƢU KẾT CẤU CÁNH UAV LÀM BẰNG
VẬT LIỆU COMPOSITE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ ĐÌNH QUÝ

HÀ NỘI – 2018


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: Nguyễn Trần Trung
Đề tài luận văn: Nghiên cứu tối ƣu kết cấu cánh UAV làm bằng vật liệu
composite
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số HV: CBC17013
Tác giả, Ngƣời hƣớng 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 26/04/2018 với các nội
dung sau:
-

Trích dẫn tài liệu tham khảo trong thuyết minh.
Chỉnh sửa lỗi đánh máy, chính tả.
Phần kết luận viết chi tiết, cụ thể và lƣợng hóa các kết quả.
Ngày

tháng

năm 2018

Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Vũ Đình Quý

Nguyễn Trần Trung

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Đinh Tấn Hƣng

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Nguyễn Trần Trung, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa
CLC2017B Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình
nghiên cứu của bản thân tơi dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí
Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả

Nguyễn Trần Trung

iii


Xác nhận của giáo viên hƣớng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn tốt nghiệp và
cho phép bảo vệ:
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Giảng viên hƣớng dẫn

TS. Vũ Đình Quý

iv


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU TỐI ƢU KẾT CẤU CÁNH UAV LÀM BẰNG VẬT LIỆU
COMPOSITE
Tóm tắt: Nội dung của luận văn này là thực hiện tối ƣu hóa kết cấu của vỏ cánh UAV
làm bằng vật liệu composite. Trọng tâm chính của luận văn là thực hiện tối ƣu hóa độ dày, vị
trí từng lớp hƣớng sợi, xem xét đến các ràng buộc từ thông số độ dày từng lớp từ nhà sản xuất
từ đó tính tốn đƣợc số lớp tối ƣu của từng hƣớng sợi, tối ƣu thứ tự sắp xếp các lớp hƣớng sợi
khác nhau bằng cách sử dụng module Optistruct của phần mềm HyperWork. Mô hình cánh
đƣợc sử dụng trong bài tƣơng tự với mơ hình cánh UAV trinh sát VT PATROL của Viettel.
Thơng số về tải khí động đầu vào cho bài tốn tối ƣu kết cấu sẽ đƣợc lấy từ kết quả chạy mơ
phỏng khí động dịng chảy qua cánh đƣợc thực hiện trên module Fluent của phần mềm
ANSYS. Thông số về các tần số dao động riêng của cánh đƣợc lấy từ kết quả thực hiện phân
tích MODAL với mơ hình cánh bằng phần mềm ANSYS. Các thơng số này đóng vai trị nhƣ
ràng buộc thiết kế cho bài tốn tối ƣu kết cấu. Việc tối ƣu kết cấu vỏ cánh bằng phần mềm
HyperWork giúp giảm đƣợc trọng lƣợng cánh mà vẫn đảm bảo UAV hoạt động an toàn dƣới
các điều kiện tải khí động và trọng lực. Sử dụng phần mềm này góp phần giảm thiểu cơng sức
và thời gian rất nhiều so với phƣơng pháp thiết kế và thử nghiệm truyền thống.
Từ khóa: Optistruct, Composite optimization, wing structural optimization, Composite
Shuffling optimization, Free-size optimization, Size optimization.

OPTIMIZATION STRUCTURE OF UAV FABRICATED BY COMPOSITE
MATERIAL
Abstract: This thesis aimed to perform an optimization of a composite UAV wing
skin. This thesis concentrated on optimizing the thickness, shapes and locations of patches per

ply orientation, while also satisfying the manufacturable ply thickness, hence computing the
optimal number of ply per fiber orientation, determining the optimal stacking sequence by
using the module OptiStruct of the software HyperWorks. The wing model used in this
problem is similar to the wing model of the scout UAV which was developed by Viettel. The
data of aerodynamic load as an input for the structural optimization was exported from the
results of a fluent analysis which simulated a flow over a wing by using the module Fluent of
the software ANSYS. The data of natural frequencies of the wing came from the results of a
MODAL analysis with the wing model by using ANSYS. These frequencies are design
constraints for the structural optimization. Using HyperWorks to perform an optimization of a
wing skin structure helps reduce the weight of the structure while ensuring the UAV still
operates safety under the act of gravity and aerodynamics force. Using this software also helps
decrease time and works compare to the conventional design and testing method.
Keywords: Optistruct, Composite optimization, wing structural optimization, Composite
Shuffling optimization, Free-size optimization, Size optimization.

v


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................xi
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE .......................................... 1
1.1.

Giới thiệu ............................................................................................................ 1

1.2.

Khái niệm ........................................................................................................... 1

1.3.

Thành phần cấu tạo ............................................................................................. 1

1.4.

Đặc điểm ............................................................................................................. 2

1.4.1.

Ƣu điểm ....................................................................................................... 2

1.4.2.

Nhƣợc điểm.................................................................................................. 2

1.5.

Phân loại ............................................................................................................. 3

CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TẤM COMPOSITE ........................................................... 7
2.1.

Phân tích cơ tính cho một lớp composite ........................................................... 7

2.1.1.

Tỷ lệ thể tích, tỷ lệ khối lƣợng, khối lƣợng riêng ........................................ 7

2.1.2.

Ƣớc tính thơng số modul đàn hồi ................................................................ 8

2.1.3.

Đánh giá thông số độ bền lớn nhất ............................................................ 13

2.2.

Phân tích cơ tính cho tấm composite nhiều lớp ................................................ 19

2.2.1

Ảnh hƣởng của hƣớng sợi tới cơ tính của vật liệu composite ................... 19

2.2.2

Trƣờng biến dạng của tấm. ....................................................................... 20

2.2.3

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong tấm .................................. 21

2.2.4

Biểu thức xác định lực và moment ............................................................ 22

CHƢƠNG 3: TỐI ƢU CẤU TRÚC COMPOSITE SỬ DỤNG PHẦN MỀM
HYPERWORK .............................................................................................................. 24

3.1.

Giới thiệu phần mềm HyperWorks[10] ............................................................ 24

3.2.

Tối ƣu hóa cấu trúc composite bằng bộ giải OptiStruct[6] .............................. 26
vi


3.2.1.

Bài tốn tối ƣu............................................................................................ 26

3.2.2.

Cơng nghệ tối ƣu Free-Sizing .................................................................... 27

3.2.3.

Công nghệ tối ƣu Sizing ............................................................................ 28

3.2.4.

Công nghệ tối ƣu thứ tự xếp chồng ( Ply-stacking) ................................... 29

CHƢƠNG 4: TỐI ƢU HĨA KẾT CẤU VẬT LIỆU COMPOSITE............................. 30
4.1

Mơ hình cánh .................................................................................................... 30

4.2

Các dữ kiện đầu vào cho bài toán tối ƣu .......................................................... 31

4.2.1

Xây dựng model kết cấu cánh.................................................................... 31

4.2.2

Các thông số tính chất vật liệu ................................................................... 31

4.2.3

Tính tốn trƣờng áp suất bao quanh cánh .................................................. 32

4.2.4

Tính tốn tần số dao động riêng ................................................................ 34

4.3

Tối ƣu kết cấu cánh làm bằng vật liệu composite sử dụng module Optistruct 35

4.3.1

Tổng quan các bƣớc thực hiện ................................................................... 35

4.3.2

Chạy phân tích kết cấu model cánh ........................................................... 37

4.3.3

Pha tối ƣu Free-size ................................................................................... 40

4.3.4

Pha tối ƣu Size ........................................................................................... 43

4.3.5

Pha tối ƣu Shuffle ...................................................................................... 47

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 50
Kết quả đạt đƣợc ......................................................................................................... 50
Những hạn chế và hƣớng phát triển ............................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 51
PHỤ LỤC: HƢỚNG DẪN THỰC HIỆN TỐI ƢU VỎ CÁNH BẰNG PHẦN MỀM
HYPERWORKS ............................................................................................................ 52
Bài tốn phân tích phân tích kết cấu ........................................................................... 52
Pha 1

Free Size ....................................................................................................... 58

Pha 2

Size ................................................................................................................ 60

Pha 3

Shuffle ........................................................................................................... 66

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các dạng hình học và không gian khác nhau của vật liệu gia cƣờng ............... 2
Hình 1.2 Phân loại composite theo vật liệu gia cƣờng .................................................... 3
Hình 1.3 Composite dạng xếp lớp.................................................................................... 4
Hình 1.4 Một kiểu xếp lớp trong composite tấm ............................................................. 5
Hình 1.5 Cấu trúc composite sandwich lõi tổ ong ........................................................... 6
Hình 2.1 Phần tử thể tích đại diện của một tấm đơn hƣớng[1] ........................................ 8
Hình 2.2 Một ứng suất dọc trục tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính tốn
Module Young dọc trục của tấm đơn hƣớng[1] ............................................................... 9
Hình 2.3 Một ứng suất vng góc sợi tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính tốn
Module Young vng góc sợi của tấm đơnS hƣớng[1] ................................................. 10
Hình 2.4 Một ứng suất dọc hƣớng sợi tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính tốn
hệ số Poisson của tấm đơn hƣớng[1] ............................................................................. 11
Hình 2.5 Một ứng suất cắt trong mặt phẳng tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để
tính tốn module cắt trong mặt phẳng của tấm đơn hƣớng[1] ....................................... 12
Hình 2.6 Các chế độ phá hủy của tấm đơn hƣớng chịu lực kéo dọc trục[1] .................. 13
Hình 2.7 Các chế độ phá hủy cả tấm đơn hƣớng chịu lực nén dọc trục[1] .................... 15
Hình 2.8 Phần tử thể tích đại diện để tính tốn độ bền kéo vng góc hƣớng sợi của
tấm đơn hƣớng ............................................................................................................... 17
Hình 2.9 Tọa độ các lớp trong một tấm composite[1] ................................................... 21
Hình 2.10 Sự thay đổi của ứng suất và biến dạng theo chiều dày của tấm[1] ............... 22
Hình 4.1 UAV VT-Patrol[9] .......................................................................................... 30
Hình 4.2 Kích thƣớc mơ hình cánh sử dụng .................................................................. 31

Hình 4.3 Model kết cấu cánh ......................................................................................... 31
Hình 4.4 Miền tính tốn ................................................................................................. 33
Hình 4.5 Phân bố áp suất bao quanh cánh ..................................................................... 33
Hình 4.6 Lực nâng .......................................................................................................... 34
Hình 4.7 Điều kiện ngàm cho vỏ cánh ........................................................................... 34
Hình 4.8 Điều kiện ngàm cho hệ thống dầm và xƣơng ngang ....................................... 34
viii


Hình 4.9 Ví dụ về hình dạng, vị trí của các bó tấm sau bƣớc Free-size ........................ 35
Hình 4.10 Ví dụ về phân bố độ dày các lớp hƣớng sợi sau bƣớc tối ƣu Size ................ 36
Hình 4.11 Ví dụ về thứ tự xếp lớp qua bƣớc tối ƣu Shuffle .......................................... 36
Hình 4.12 Nhập mơ hình cánh vào HyperWorks ........................................................... 37
Hình 4.13 Thơng số khởi tạo ban đầu về độ dày các lớp hƣớng sợi .............................. 38
Hình 4.14 Điều kiện biên ngàm tại gốc cánh ................................................................. 38
Hình 4.15 Trƣờng áp suất quanh cánh ........................................................................... 38
Hình 4.16 Ứng suất Vomise và chuyển vị của dầm và xƣơng ngang ............................ 39
Hình 4.17 Ứng suất Vonmise và chuyển vị của vỏ cánh ............................................... 39
Hình 4.18 Phân bố độ dày phần tử và hƣớng sợi sau bƣớc tối ƣu Free-size ................. 41
Hình 4.19 Các thơng số thu đƣợc tại vịng lặp cuối ....................................................... 41
Hình 4.20 Các bó tấm cho hƣớng sợi 0º ........................................................................ 42
Hình 4.21 Các bó tấm cho hƣớng sợi 90º ...................................................................... 42
Hình 4.22 Các bó tấm cho hƣớng sợi ±45º .................................................................... 43
Hình 4.23 Phân bố độ dày phần tử và hƣớng sợi sau bƣớc Sizing ................................ 45
Hình 4.24 Thơng số về độ dày các bó tấm sau bƣớc Sizing .......................................... 46
Hình 4.25 Thơng số về khối lƣợng vỏ cánh tại vịng lặp đầu ........................................ 46
Hình 4.26 Thơng số về khối lƣợng vỏ cánh tại vịng lặp cuối ....................................... 47
Hình 4.27 Các thơng số ràng buộc tại vòng lặp cuối pha tối ƣu Size ............................ 47
Hình 4.28 Kết quả tối ƣu thứ tự xếp chồng .................................................................... 48
Hình 4.29 Thứ tự xếp lớp tại mặt cắt vỏ cánh................................................................ 48

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Ảnh hƣởng của hƣớng sợi đến cơ tính vật liệu............................................... 19
Bảng 4.1 Bảng thơng số UAV VT-Patrol[9].................................................................. 30
Bảng 4.2 Tính chất vật liệu composite sợi Graphit nền Epoxy ..................................... 31
Bảng 4.3 Tính chất vật liệu Foam Gurit Corecell M60 ................................................. 32
Bảng 4.4 Các tần số dao động riêng của cánh ............................................................... 34
Bảng 4.5 Các thiết lập cho pha tối ƣu Free-size ............................................................ 40
Bảng 4.6 Các thiết lập cho pha tối ƣu Size .................................................................... 43
Bảng 4.7 Các thiết lập cho pha tối ƣu Shuffle ............................................................... 47

x


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, vật liệu composite đang đóng một vai trị vơ cùng quan trọng trong
ngành cơng nghiệp thiết kế và sản xuất vật liệu tiên tiến. Vật liệu composite có nhiều
những tính năng ƣu việt nhƣ nhẹ, bền, khả năng chống chịu với mơi trƣờng cao, bền ăn
mịn hóa học, …Tuy nhiên đi kèm với những lợi ích trên là những thách thức trong
việc thiết kế. Ví dụ nhƣ tính trực hƣớng của vật liệu composite gia cƣờng bằng sợi liên
tục khiến ngƣời thiết kế cần xem xét rất nhiều biến thiết kế nhƣ hƣớng sợi, tỉ lệ thể tích
sợi, thứ tự xếp chồng các lớp. Ngồi ra, kinh nghiệm về thiết kế cấu trúc composite
cũng không nhiều, do đó ngƣời thiết kế thƣờng phát triển thiết kế “tứ-đẳng hƣớng”
giống với các thiết kế cho chi tiết làm bằng kim loại. Tuy nhiên cơ học phá hủy cho vật
liệu composite khác với kim loại, điều này dẫn đến việc thiết kế theo hƣớng trên không
tận dụng đƣợc những ƣu điểm của những tính chất đặc trƣng của vật liệu composite.
Khi cần đến những ƣu điểm này, quá trình thiết kế thƣờng không hiệu quả và cần rất

nhiều thực nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của thiết kế. Với việc sử dụng module
OptiStruct của Hyperwork, ngƣời thiết kế có thể tối ƣu thiết kế composite, tiết kiệm
đáng kể khối lƣợng và tăng cƣờng hiệu năng kết cấu với thời gian, công sức, tiền bạc
đã đƣợc giảm thiểu rất nhiều so với phƣơng pháp truyền thống.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn, giúp đỡ
và tạo điều kiện của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo hƣớng dẫn
TS. Vũ Đình Q để em có thể thực hiện tốt đƣợc những công việc trong luận văn. Tuy
nhiên do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên luận văn sẽ cịn
những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những nhận xét thẳng thắn từ các thầy cơ để
em có thêm những kinh nghiệm kiến thức phục vụ cho công việc trực tiếp sau này.

xi


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
1.1.

Giới thiệu

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn đến các nhu cầu to lớn về loại vật
liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu nhƣ kim loại, ceramic, polymer khi
đứng riêng lẻ khơng có đƣợc mà nổi bật là tính chất bền, nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn
mịn cao. Composite (hay còn gọi là vật liệu tổ hợp) ra đời mấy chục năm gần đây đã
đáp ứng, ứng dụng và phát triển trình độ cao trong quy luật kết hợp – một quy luật phổ
biến trong tự nhiên. Ngành khoa học và cơng nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm
dùng trong mọi lĩnh vực từ ô tô, máy bay cho đến các vật liệu chỉnh hình và hiện phát
triển đến mức nhiều ngƣời cho rằng thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của composite.
1.2.

Khái niệm

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp (ở mức độ vĩ mô) của hai hay nhiều vật liệu thành
phần nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất nổi trội hơn tính chất của các vật liệu thành
phần.
Đặc điểm chính của vật liệu composite là: vật liệu nhiều pha; trong vật liệu composite
có tỉ lệ hình dạng; kích thƣớc cũng nhƣ sự phân bố của nền và cốt tuân theo các quy
định thiết kế trƣớc; tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp để tạo nên tính chất
chung của composite.
Tính chất của vật liệu composite phụ thuộc vào bản chất vật liệu gia cƣờng; hình dạng,
kích thƣớc, sự phân bố của vật liệu gia cƣờng và vật liệu nền trong composite; độ bền
liên kết tại vùng bề mặt tiếp xúc giữa các pha.
1.3.

Thành phần cấu tạo

Composite là vật liệu cấu trúc bao gồm 2 hay nhiều thành phần tổng hợp với nhau ở
cấp độ vĩ mơ và khơng bị hịa tan, trộn lẫn vào nhau. Phổ biến nhất là vật liệu 2 pha
gồm thành phần chính là: Vật liệu gia cƣờng và vật liệu nền.
Trong đó vật liệu nền là pha liên tục trong toàn khối và vật liệu gia cƣờng là pha phân
bố không liên tục đƣợc nền bao quanh. Đặc tính của composite dựa trên đặc tính từng
pha, tỉ lệ tƣơng đối và hình dạng của chúng.

1


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

Hình 1.1 Các dạng hình học và khơng gian khác nhau của vật liệu gia cường

1.4.

Đặc điểm

Có nhiều loại chất nền và cốt đƣợc sử dụng để chế tạo composite. Mỗi loại composite
cụ thể có tính chất ƣu việt riêng. Do đó cần có sự lựa chọn đúng tiêu chuẩn kỹ thuật để
áp dụng phù hợp cho mục đích sử dụng.
1.4.1. Ưu điểm
Vật liệu composite là vật liệu có nhiều tính chất ƣu việt và có khả năng áp dụng rộng
rãi:
 Tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, cứng vững, chịu va đập, uốn kéo tốt.
 Chịu hóa chất, chống ăn mịn. Đặc tính này đặc biệt thích hợp cho biển và khí
hậu vùng biển.
 Chịu thời tiết, chống tia UV, chống lão hóa nên rất bền.
 Dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trƣng đàn hồi cao.
 Chịu nhiệt, chịu lạnh, chống cháy.
 Cách điện, cách nhiệt tốt.
 Chi phí bảo quản thấp, màu sắc đa dạng, thiết kế tạo hình dễ dàng, đầu tƣ thiết
bị và tổ chức sản xuất khơng phức tạp, chi phí vận chuyển, sản xuất không cao.
 Không thấm nƣớc, không độc hại.
1.4.2. Nhược điểm
 Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong
quá trình sản xuất.

2


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

 Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phƣơng pháp gia

cơng vật liệu composite địi hỏi mất thời gian.
 Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp.
1.5.

Phân loại

Vật liệu composite đƣợc phân loại theo hình dạng của vật liệu gia cƣờng và theo bản
chất của vật liệu nền.

Hình 1.2 Phân loại composite theo vật liệu gia cường
Theo vật liệu gia cƣờng, composite đƣợc phân ra làm 3 nhóm chính:

a)

 Vật liệu composite cốt hạt
 Vật liệu composite cốt sợi
 Vật liệu composite cấu trúc
Vật liệu composite cốt hạt

Là loại composite rẻ nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Gồm 2 loại sơ bản là hạt thô
và hạt mịn.
 Hạt thô: Một vài vật liệu với chất độn đƣợc thêm vào là composite hạt
thô. Chất độn sẽ làm thay đổi và tăng cƣờng đặc tính của vật liệu hay
thay thế một khối lƣợng của vật liệu bằng chính chất độn. Hình dạng

3


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

b)

của các hạt khá đa dạng tuy nhiên nên dùng các hạt với kích thƣớc
nhƣ nhau.
 Hạt mịn: Có thể đƣợc dùng để tăng độ bền và độ cứng cho kim loại
và hợp kim kim loại. Cơ tính gia cƣờng liên quan tới tƣơng tác giữa
hạt và sự chuyển dịch hạt trong vật liệu nền. Ảnh hƣởng đối với cơ
tính là khơng rõ ràng đối với hiện tƣợng biến cứng phân rã, tuy nhiên
các cơ tính vẫn có thể giữ đƣợc ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian
dài do có thể chọn hạt để không tác dụng với chất nền.
Vật liệu composite cốt sợi

c)

 Sợi liên tục: Đặc tính cơ học của loại này phụ thuộc vào một vài yếu
tố bao gồm ứng xử cơ học của pha sợi và pha nền, thể tích từng pha
và hƣớng của ứng suất tác dụng vào. Thêm vào đó đặc tính của
composite với sợi đƣợc sắp xếp là bất đẳng hƣớng và phụ thuộc vào
hƣớng đo đạc.
 Sợi gián đoạn: Sợi gián đoạn có hƣớng đóng một vai trị ngày càng
quan trọng với thị trƣờng cho dù đặc tính gia cƣờng là thấp hơn so với
sợi liên tục. Trong đó sợi thủy tinh cắt nhỏ là đƣợc dùng nhiều nhất.
Composite với sợi gián đoạn có hƣớng có giá thành rẻ hơn mà vẫn có
thể đạt tới 90% modul đàn hồi và 50% với độ bền kéo so với sợi liên
tục.
Composite cấu trúc

 Cấu trúc xếp lớp
Đây là dạng cơ bản nhất của vật liệu composite nhiều lớp. Từ loại vật liệu này, ta có
thể suy diễn lý thuyết ra các loại khác. Vật liệu đƣợc tổ hợp từ các lớp sợi hay vải đồng

phƣơng; phƣơng của sợi; hoặc vải trong mỗi lớp không nhất thiết phải giống nhau.

Hình 1.3 Composite dạng xếp lớp
4


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

Để thuận tiện cho việc theo dõi và nghiên cứu, ngƣời ta kí hiệu nhƣ sau:
-

Mỗi lớp ký hiệu bởi một số, mô tả giá trị của góc tạo bởi phƣơng của sợi với
phƣơng x của hệ quy chiếu chung
Các lớp liên tiếp đƣợc ngăn cách bởi “/” nếu có các góc khác nhau
Các lớp đƣợc đặt tên liên tiếp từ mặt này sang mặt khác. Các dấu móc [.] chỉ rõ
lúc bắt đầu và kết thúc của mã.

Hình 1.4 Một kiểu xếp lớp trong composite tấm
Ảnh hƣởng của tấm theo phƣơng xếp lớp:


Các lớp đồng phƣơng cho cơ tính cao theo phƣơng của sợi
Các lớp “mat” chịu kéo kém, thƣờng bố trí tại vùng chịu nén
Vật liệu composite lớp vuông [0/90]n dễ bị tách lớp
Khi tăng cƣờng theo bốn phƣơng ta đƣợc vật liệu “tứ đẳng hƣớng”.
Composite dạng sandwich

Cấu tạo loại này gồm có ba lớp:
-

Hai lớp mặt đƣợc chế tạo từ vật liệu có độ bền cứng và vững cao nhằm chịu
toàn bộ tải trọng (kéo, nén, uốn) tác dụng theo các chiều song song với mặt tấm.
Lớp lõi nằm giữa hai lớp mặt là vật liệu nhẹ, độ bền và cứng vững tƣơng đối
nhỏ.

Lớp này có tác dụng:
-

Duy trì khoảng cách giữa hai lớp mặt và giảm biến dạng theo chiều vng góc
mặt tấm.
Tạo độ cứng vững nhất định, tránh hiện tƣợng cong vênh.

Lõi chia làm hai loại phổ biến là lõi xốp và lõi dạng tổ ong.
Composite dạng tổ ong là một tấm ghép ba lớp dạng tổ ong có khối lƣợng nhỏ, cách
lửa và có những tính chất hơn hẳn các vật liệu thông thƣờng khác. Tấm ghép này có
các lớp bề mặt đƣợc làm từ composite của sợi thủy tinh/epoxy và kevlar/epoxy, còn

5


Chương 1: Tổng quan về vật liệu composite

phần lõi dạng tổ ong sử dụng vật liệu Nomex. Tấm ghép cấu trúc 3 lớp này sử dụng
chủ yếu trong ngành hành khơng đặc biệt là kết cấu sàn và cánh.

Hình 1.5 Cấu trúc composite sandwich lõi tổ ong

6

Chương 2: Lý thuyết tấm composite

CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TẤM COMPOSITE
2.1.

Phân tích cơ tính cho một lớp composite

Bằng việc sử dụng thông số độ bền dẻo (modul dẻo theo phƣơng ngang, dọc, hệ số
Poisson, modul cắt trong mặt phẳng), thông số độ bền (đồ bền nén, kéo theo phƣơng
ngang, độ bền nén, kéo theo phƣơng dọc, độ bền cắt), thông số giãn nở nhiệt (theo
phƣơng ngang, dọc) ta có thể tính đƣợc mối liên hệ giữa biến dạng - ứng suất, hằng số
kỹ thuật và lý thuyết phá hủy cho lớp. Do đó việc tính tốn các thơng số này đóng vai
trị quan trọng trong việc đánh giá cơ tính của vật liệu composite cũng nhƣ cho việc lựa
chọn các thành phần cho cấu trúc tạo nên tấm composite. Việc tính tốn các thơng số
này có thể thực hiện thơng qua thực nghiệm tuy nhiên điều này khá tốn kém và mất
nhiều thời gian. Ta sẽ đƣa ra mơ hình để tính tốn các thơng số này.
2.1.1. Tỷ lệ thể tích, tỷ lệ khối lượng, khối lượng riêng
Trƣớc khi đi vào tính tốn các thơng số trên ta sẽ đƣa ra khái niệm về tỉ lệ thể tích sợi.
Việc đƣa ra khái niệm về tỉ lệ này là một yếu tố quan trọng do các cơng thức lý thuyết
để tính tốn độ cứng, độ bền và tính chất của một lớp đơn hƣớng là hàm của tỷ lệ thể
tích sợi.
Ta đặt :

: lần lƣợt là thể tích của composite, sợi, nền.
: lần lƣợt là khối lƣợng riêng của composite, sợi, nền.
: lần lƣợt là khối lƣợng của composite, sợi, nền.

a) Tỷ lệ thể tích:
Ta có tỷ lệ thể tích của sợi và nền lần lƣợt đƣợc định nghĩa bởi:

,

với

;
Với chú ý rằng :

=1

b) Tỷ lệ khối lượng:
Ta có tỷ lệ khối lƣợng của sợi và nền lần lƣợt đƣợc định nghĩa bởi:

với:

;
Với chú ý rằng

=1

c) Khối lượng riêng:
Ta có :
7


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

+
2.1.2. Ước tính thơng số modul đàn hồi
Để đánh giá bốn thông số này ta sử dụng phƣơng pháp tiếp cận độ bền vật liệu hay còn
gọi là định luật hỗn hợp (rule of mixtures).

Từ một lớp đơn hƣớng ra lấy ra một phần tử đại điện gồm sợi đƣợc bao phủ bởi nền.
Phần tử này có thể mơ hình thành một khối hộp chữ nhật hình (2.1). Sợi, nền và
composite đƣợc giả sử có cùng chiều rộng h với độ dày lần lƣợt là
. Diện tích
sợi, nền và composite
đƣợc tính bởi:
;

;

Hình 2.1 Phần tử thể tích đại diện của một tấm đơn hướng[1]
Ta có tỷ lệ thể tích sợi và nền :
;
a) Modul đàn hồi theo phương dọc trục:
8


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

Ta đi xác định tƣơng quan giữa modul đàn hồi theo phƣơng dọc trục của lớp theo mô
đun đàn hồi của sợi, nền và theo tỷ lệ thể tích.
Tấm composite chịu tải đơn hƣớng dọc trục với ứng suất
thành tải chịu bởi sợi và nền và , do đó ta có:

hình (2.2) đƣợc chia ra

Hình 2.2 Một ứng suất dọc trục tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính tốn
Module Young dọc trục của tấm đơn hướng[1]
Ta có:

;

;

Giả sử sợi, nền và composite tuân theo định luật Hooke và sợi, nền là đẳng hƣớng, hệ
thức liên hệ giữa ứng suất-biến dạng của từng thành phần có dạng:
;
Với

;

lần lƣợt là biến dạng của composite, sợi và nền.
lần lƣợt là mô đun đàn hồi của composite, sợi và nền.

=
+
Do biến dạng theo chiều dọc của composite, sợi và nền là bằng nhau

Ta có:

=

b) Modul đàn hồi theo phương vng góc trục
Tấm composite chịu tải đơn hƣớng ngang
thành tải chịu bởi sợi và nền nhƣ hình

với ứng suất

hình (2.3) đƣợc chia ra

9


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

Hình 2.3 Một ứng suất vng góc sợi tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính
tốn Module Young vng góc sợi của tấm đơnS hướng[1]
Ở trƣờng hợp này ứng suất của composite, sợi và nền là bằng nhau (
độ giãn theo phƣơng ngang của composite bằng tổng độ giãn của sợi và nền:

) và

Theo định nghĩa về biến dạng pháp tuyến ta có:
;
Với

;

lần lƣợt là độ dày của composite, sợi, nền.

lần lƣợt là biến dạng pháp tuyến theo phƣơng vng góc trục của
composite, sợi, nền.
Sử dụng định luật Hooke cho composite, sợi, nền ta có:

;

;

c) Hệ số Poisson
Hệ số Poisson đƣợc định nghĩa là tỷ số lấy dấu âm của biến dạng theo phƣơng ngang

so với phƣơng dọc trục khi tải đƣợc áp vào theo phƣơng dọc trục. Giả sử tải đƣợc đặt
nhƣ hình (2.4), sợi và nền đƣợc đại diện bởi khối hình chữ nhật. Ta có chuyển vị theo
phƣơng ngang của composite, sợi, nền lần lƣợt là: , , . Ta có:
=

+

10


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

Hình 2.4 Một ứng suất dọc hướng sợi tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để tính
tốn hệ số Poisson của tấm đơn hướng[1]
Theo định nghĩa biến dạng ta có:
;

;

Ta có:
Hệ số Poisson cho sợi, nền và composite lần lƣợt cho bởi:
;

Với

;

lần lƣợt là hệ số Poisson của sợi, nền và composite
lần lƣợt là biến dạng theo phƣơng dọc trục của sợi, nền và

composite
Tuy nhiên độ biến dạng của sợi nền và composite theo chiều dọc trục là bằng nhau

11


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

d) Modul cắt trong mặt phẳng
Tấm chịu ứng suất cắt
hình chữ nhật.

nhƣ hình (2.5) , sợi và nền đƣợc đại diện bởi phần tử khối

Hình 2.5 Một ứng suất cắt trong mặt phẳng tác dụng lên phần tử thể tích đại diện để
tính tốn module cắt trong mặt phẳng của tấm đơn hướng[1]
Chuyển vị của composite, sợi, nền

liên hệ với nhau bởi biểu thức:

Theo định nghĩa của chuyển vị cắt ta có:
;
Với

;

lần lƣợt là biến dạng cắt của composite, sợi, nền.
lần lƣợt là độ dày của composite, sợi, nền.
Áp dụng định luật Hooke cho sợi, nền, composite ta có:
;

;

Mà ứng suất cắt của composite, sợi và nền là bằng nhau (

)

12


Chương 2: Lý thuyết tấm composite

2.1.3. Đánh giá thông số độ bền lớn nhất
Việc đánh giá thông số độ bền là khó khăn hơn so với việc đánh giá độ cứng do độ bền
phụ thuộc vào vật liệu, dạng hình học không đồng nhất, mặt liên kết sợi nền, chu trình
sản xuất và mơi trƣờng. Ví dụ mặt liên kết yếu giữa sợi và nền sẽ dễ gây ra phá hủy khi
vật liệu chịu tải ngang nhƣng lại có thể tăng độ bền kéo dọc trục. Do sự nhạy cảm này
mà một số mơ hình và thực nghiệm đã đƣợc nghiên cứu để tính tốn thơng số độ bền.
Ta sẽ tính tốn các thơng số sau:
- Độ bền kéo dọc trục
- Độ bền nén dọc trục
- Độ bền kéo ngang
- Độ bền nén ngang
- Độ bền cắt
a) Độ bền kéo dọc trục
Ta giả sử rằng:
-

-

Sợi và nền là đẳng hƣớng, đồng nhất và đàn hồi tuyến tính cho tới khi phá hủy.
Biến dạng phá hủy của nền cao hơn so với sợi trong trƣờng hợp composite
polime. Ví dụ sợi thủy tinh biến dạng phá hủy ở 3-5% còn nền epoxy phá hủy ở
9-10%.
Các chế độ phá hủy của lớp trong trƣờng hợp chịu tải dọc trục nhƣ hình (2.6):
Nứt gãy sợi (hình a)
Nứt gãy sợi với sợi bị kéo ra (hình b)
Sợi bị kéo ra với sự mất kết dính của sợi nền. (hình c)

Hình 2.6 Các chế độ phá hủy của tấm đơn hướng chịu lực kéo dọc trục[1]

Ta đặt:
-

là độ bền kéo lớn nhất của sợi
13