Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa

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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu 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) Góc xoay của pháp tuyến z về x hoặc góc xoay quanh trục y x (x=y) Góc xoay của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x y (y=-x)   Véc tơ độ cong x ,  y Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương ứng N x , N y , N xy 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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 3D- solid 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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn
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 http://lrc.tnu.edu.vn