Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa

Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi tổ ong Với mô hình đồng nhất hóa dạng này, có thể nhận thấy ngay rằng thờigian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt và tất nhiên mô hìn

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

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 GIANGThái Nguyên - Năm 2019

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 xácnhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày02/6/2019 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

TS Trần Ngọc Giang

Bùi Thị Mận

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Vũ Ngọc Pi

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Bùi Thị Mận

Học viên lớp cao học khóa K20 – chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí, trường Đạihọc Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái nguyên

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướngdẫn của PGS.TS Dương Phạm Tường Minh và TS Trần Ngọc Giang Ngoàicác 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

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 tậntình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành côngtrình 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 TháiNguyên 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

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 N x .53

3.2 Kéo tấm theo phương y liên quan đến N y .54

3.3 Uốn tấm quanh trục y liên quan đến M x .55

3.4 Uốn tấm quanh trục x liên quan đến M y .55

3.5 Cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến N xy trên mặt vuông góc trục x 56

3.6 Cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến N yx trên mặt vuông góc với trục y 57

3.7 Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng yz liên quan đến M y và T y .58

3.8 Uốn ngang phẳng trong mặt phẳng xz liên quan đến M x và T x .59

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

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

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

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

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 thànhphần Một trong các loại vật liệu được sử dụng phổ biến hiện nay là các kếtcấu tấm composite sandwich Đại diện cho dạng kết cấu tấm composite kiểunày có thể kể đến là tấm composite lõi tổ ong, chúng được sử dụng khá rộngrãi trong các ngành công nghiệp (như xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô, hàngkhông, vũ trụ…) nhờ các ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các môitrường khắc nghiệt Chính vì vậy mà cần thiết phải tính toán và dự đoán đượcứng xử cơ học của loại vật liệu này nhằm sử dụng tối ưu các ưu điểm củachúng Để giải quyết được vấn đề này, cần phải tiến hành một loạt các thínghiệm 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 sốcho 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 FEMbằng các phần mềm thương mại (Ansys, Abaqus…)

Tuy nhiên, việc mô phỏng các kết cấu composite kiểu như vậy rất tốnkém 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 gianxây dựng mô hình hình học, thời gian cho sự chuẩn bị mô hình phần tử hữuhạn và công việc tính toán mô phỏng số mất rất nhiều thời gian) Vì vậy màcần thiết phải phát triển một phương pháp mới nhằm rút ngắn thời gian tínhtoán 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

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 thờigian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt và tất nhiên mô hình nàyhoàn toàn có thể ứng dụng được dễ dàng cho các kiểu tấm composite phức tạplàm bằng các vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong cáclĩnh 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 xâydựng được mô hình đồng nhất hóa cho tấm composite lõi tổ ong là rất cấpthiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn Sự thành côngcủa phương pháp này sẽ có tính đột phá, cho phép mở ra một tiềm năng về môphỏng số cho các cấu trúc tấm composite phức tạp, thực tế được sử dụng rộngrãi 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 môphỏng số cho tấm composite lõi tổ ong dạng 3D-shell bằng một tấm đồng nhất

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 rãitrong công nghiệp bao gồm 2 lớp vỏ có cấu tạo là tấm nhiều lớp rất bền vàchắc kết hợp với một lớp lõi tổ ong làm bằng giấy tạo thành tấm sandwich rấtnhẹ và bền Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính toán cho tấmcomposite lõi tổ ong có vỏ là tấm nhiều lớp và lõi làm bằng vật liệu trựchướng, 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 solid cho tấm composite lõi tổ ong 3D-shell chịu lực, từ đó có thể áp dụng đểtính toán cho các loại tấm composite có kết cấu lõi tổ ong khác nhau và làmbằng các vật liệu khác nhau

3D 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 phầncuối cùng của luận văn

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 côngnghệ 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 bộtrong nhiều lĩnh vực Trong kỹ thuật mỗi bước tiến hay những ghi nhận vềnhững 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 tảngcủa mỗi sự phát triển, khi làm chủ được khoa học, kỹ thuật vật liệu thì đều cókhả năng tiên phong trong phát triển lĩnh vực đó Có thể khẳng định không cómột ứng dụng, tiến bộ khoa học kỹ thuật nào lại không khai thác, phát triểnnhững ưu thế của vật liệu Trong một số lĩnh vực ngành như công nghệ hàngkhông, vũ trụ, công nghiệp đường sắt cao tốc, công nghiệp tầu biển…nhữnglĩnh vực đó càng cho thấy nhu cầu về phát triển và ứng dụng của vật liệu sẽmang lại ý nghĩa to lớn hơn bao giờ hết đối với sự phát triển của chúng

thiết kế các vật liệu có độ cứng tốt, độ bền cơ học cao, khối lượng thấp Họmong 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 sửdụng 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 chúngcho phép đạt được hiệu suất mà các vật liệu thông thường không thể cung cấpđược

Trong số các vật liệu composite được sử dụng phổ biến, tấm sandwichdành được sự quan tâm chú ý đáng kể Các cấu trúc tấm sandwich lõi rỗng làmột sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền và tính nhẹ nên rất nhiều ứng dụng đượclàm bằng loại vật liệu này Chính vì vậy cần phải biết được các tính chất cơhọc của chúng để dự đoán và tính toán ứng xử của chúng trong các môitrường cụ thể là điều hết sức cần thiết Kết cấu tấm sandwich thường bao gồmmột số các phần kết hợp với nhau chính vì vậy cần phải kết hợp một cách thậntrọng các thuộc tính của lớp vỏ với vật liệu lõi Việc kết hợp hai bộ phận nàyđược 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 nổibật 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 dụngrộng 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 rấtcao Độ bền và tuổi thọ của các kết cấu làm bằng vật liệu composite phụthuộc 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 tínhtoán và thiết kế

Là loại vật liệu phức hợp, được tạo thành bằng cách kết hợp của nhiềuhơn một loại vật liệu ban đầu, vật liệu composite có được các đặc tính mớitheo 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 liệucomposite 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 triểntrên toàn thế giới và những ứng dụng của nó đã cho thấy những hiệu quả cực

kỳ to lớn đóng góp vào sự thúc đẩy phát triển cho các ngành kỹ thuật và khoahọc công nghệ.

Song song với sự phát triển, ứng dụng vật liệu, đặc biệt là nghiên cứuứng dụng các loại vật liệu mới, vật liệu có tính chất đặc biệt… thì việc nghiêncứu, ứng dụng về kết cấu tương ứng với mỗi loại, kết cấu sử dụng vật liệuphức hợp… cũng đã được quan tâm nhiều và nó cũng trở thành một hướngnghiên cứu quan trọng, đóng góp chung cho sự phát triển ngành vật liệu vàkết cấu nói riêng hay trong kỹ thuật nói chung

Những năm gần đây, vật liệu composite được quan tâm phát triển theomột số hướng như: phát triển vật liệu theo công nghệ mới, phát triển vật liệuvới tính chất cơ, hóa, lý đặc biệt Một số ví dụ cụ thể cho thấy rõ hiệu quả củaviệc sử dụng vật liệu composite, tàu lượn Antonov-124 của Nga được xuấtxưởng vào những năm 1980 của thế kỷ 20 sử dụng composite polyme sợi

hàng không, vũ trụ Thông thường để vận chuyển 1kg lên vũ trụ tiêu tốnkhoảng 20000USD – 30000USD, với việc đưa composite vào chế tạo máybay, 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 nhữngnăm 80 của thế kỷ trước nhưng việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng củavật liệu này đã có những bước đi đáng kể, được ứng dụng rộng rãi trong nhiềulĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội như trong các ngành công nghiệp hànghải, tàu biển, xây dựng, công nghiệp ô tô,… Tuy nhiên, so với tiềm năng pháttriển thì những kết quả đó vẫn còn được xem là khiêm tốn, do thời gian ứngdụng và phạm vi ứng dụng chưa nhiều, việc sản xuất nhỏ lẻ, kỹ thuật và côngnghệ còn chưa đủ đáp ứng cho những nghiên cứu, sản suất ở mức độ đòi hỏicao hơn Bên cạnh đó, vật liệu composite vẫn còn vấp phải sự cạnh tranh gaygắt của những vật liệu truyền thống, mặc dù vậy thì sự phát triển mạnh mẽ vàlấn áp của nó sẽ là điều hiển nhiên phù hợp với sự phát triển chung của xã hộikhi mà nó đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật, công nghệ và yếu tố thịtrường Hiện nay, cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vòm che máybay, xuồng cứu sinh, tàu du lịch, cửa chắn nước, ống dẫn nước phục vụ sinhhoạt, ống dẫn chất thải công nghiệp,… mà phần lớn các kết cấu này đều thuộcdạng tấm vỏ composite lớp

Để có thể thiết kế tối ưu vật liệu và các kết cấu composite thì cần thiếtphải hiểu rõ được bản chất và những quy luật ứng xử cơ học khá phức tạp củaloại vật liệu này Chính vì vậy mà ta cần phải có những mô hình cơ học sátthực, những phương pháp tính toán hiệu quả, chính xác nhằm phân tích sâusắc ứng xử cơ học cũng như độ bền của các kết cấu composite lớp khi chịu tácdụng của tải trọng và môi trường Một số lý thuyết tấm bậc nhất đơn giản và

được ứng dụng rộng rãi trong phân tích cơ học vật liệu và kết cấu compositelớp như Kirchhoff, Hencky – Mindlin,… đã cho phép giải quyết phần lớn cácbài 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 rútngắn đáng kể thời gian thiết kế cho các cấu trúc tấm sandwich Tuy nhiên, cáccấu trúc tổ ong lại quá phức tạp và tiêu tốn khá nhiều thời gian xây dựng môhình Đồng nhất hóa lõi tổ ong cho phép thu được một khối rắn đồng nhấttương đương và các mô đun đàn hồi của nó để thực hiện các mô phỏng rấthiệu 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 mộtcách có hệ thống bởi Gibson et al [2] Trong các mô hình này, lõi tổ ongđược xem là biến dạng độc lập mà không có ảnh hưởng của lớp vỏ và cácvách của tổ ong được coi là biến dạng uốn Mô hình này thu được mô đun đànhồi của khối rắn đồng nhất rất nhỏ so với những mô hình đo được bằng thựcnghiệm 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 cácbiến dạng của các vách mỏng của lõi biến dạng chủ yếu ở trạng thái kéo hoặcnén, tạo ra độ cứng lớn hơn nhiều so với các mô hình uốn Các mô hình nàyđược xây dựng bằng toán học và được xác nhận bằng phương pháp phần tửhữu hạn, sau đó chúng được áp dụng cho việc mô phỏng ứng xử của các tấmcomposite 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 bảnchất khác nhau, và vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của

từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ Vật liệu nền đảm bảo việc liên kếtcác cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyênkhối, liên tục, đảm bảo cho composite có độ bền nhiệt, bền hoá và khả năngchịu tải cao khi vật liệu có khuyết tật Vật liệu nền của composite có thể làpolyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon Vật liệu cốt đảm bảocho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao Các cốt củacomposite có thể là các hạt ngắn, bột hoặc các sợi cốt như sợi thuỷ tinh, sợipolyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơhọc, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nóphụ thuộc vào toạ độ.

Vật liệu composite thường được chia ra hai dạng vật liệu cấu thànhchính, thứ nhất là một pha liên tục làm nhiệm vụ gắn kết được gọi là vật liệunền (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 dụngtương 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 p ol y a m i t , .; sợi kim loại: t h é p , đ ồ n g , n hô m ,

Từ những đặc điểm về kết cấu như vậy, vật liệu composite thường cómột số tính chất chung như sau:

+ Khối lượng riêng nhỏ: Tính năng cơ, lý riêng cao hơn các vật liệutruyền thống khác (gỗ, gốm, sứ…) rất nhiều;

+ Chịu được môi trường khắc nghiệt, kháng hóa chất cao, ít tốn kémtrong việc bảo quản chống ăn mòn;

Bảng 2: Một số tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu composite.

G i ớ i h

M o d u l e đ

G i ớ i h ạ

31

27

2

11

11

10

2

265

- 9.0

1016

124

- 13

77

96

- 2

538

137

- 5.6

1019

110

- 9.5

48

+ Cách nhiệt, cách điện tốt;

+ Bền lâu;

+ Đơn giản trong công nghệ chế tạo, gia công, tạo hình, chi phí giacông 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.

Đ ộ d

T

ỉ s

6

2 Đ

ồ

8 17

38

43

3 H

ợ

2 23

13

48

1

-300

166

7 Gl

a

2 11

0.0

Với những ưu điểm nổi bật đó, vật liệu composite ngày càng được phổbiến trong nhiều lĩnh vực, khởi đầu từ nhưng ứng dụng trong một số ngành kỹthuật 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

V ậ t

T ỉ l ệ

bili

Bor(1

9

ep

g fa

Cac(1

9

ep

(1

9

ed

ep

g sk

Cac(1

9

ep

(1

9

stru

ep

Để thuận tiện trong nghiên cứu, chể tạo và ứng dụng người ta xếp vậtliệu 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 ;

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 vàcông nghệ pulltrustion

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sựphân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theomong muốn Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại

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: Từvật liệu chỉ có một cấu tử (như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tậndụng 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 4nhóm 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 xạánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao Đặc điểmcấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạngtinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng

thái không trật tự (vô định hình) Kim loại thông dụng có thể kể ra như thép,đồng, nhôm, tin tan, niken,…và các hợp kim của chúng Ưu điểm của kimloại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền cơ học cao Nhượcđiểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bịoxi hóa, và nhiều kim loại có độ bền nhiệt không cao Khối lượng riêng củanhiều 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 cácphi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vữngkiểu 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 vớimôi 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, quátrình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo (quá trình thuậnnghịch, chảy dẻo ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lạiđược ở nhiệt độ cao) Polyme có thể có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vậtnhư xenlulo, cao su, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monomebằng 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 làcacbon 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 đànhồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao

Trong các vật liệu kể trên người ta thường đánh giá cao vai trò của vậtliệu nhóm kim loại và cho rằng chúng giữ vị trí quyết định đến sự phát triển

xã hội và kỹ thuật Tuy nhiên như đã phân tích trên đây, chúng ta có thể thấyvật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme mặc dù mỗi loại vật liệu cónhững ưu điểm riêng, nhưng cũng có những nhược điểm Trong khi côngnghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu mớiđáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật như vật liệu chế tạo khí cụbay phải vừa nhẹ vừa bền nhiệt, … là những tính chất lý tưởng mà không vậtliệu tự nhiên nào có được Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng và chế tạonhững vật liệu mới Nó tổ hợp được các ưu điểm của các loại vật liệu nói trên.Vật liệu mới composite có các chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lạibền với cả môi trường hoá học và rất nhẹ Ngày nay, composite chiếm ưu thế,dần thay thế kim loại và hợp kim trong chế tạo máy, trong việc chế tạo các vậtthể bay và đã có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tếquốc dân

Hình 1.2 Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE:

Hình 1.3 Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa

Hình 1.4 Ứng dụng trong chế tạo máy bay

Hình 1.5 Ứng dụng trong công nghiệp ôtô

Hình1 6 Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy

Hình 1.7 Ứng dụng trong dụng cụ thể thao

Hình 1.8 Ứng dụng trong công nghiệp bao bì

Hình 1.9 Ứng dụng trong kết cấu xây dựng

Để thấy được quy mô phát triển của ngành vật liệu composite, ta hãy

quan sát biểu đồ sử dụng vật liệu composite trong máy bay tàu lượn (Hình

1.2): năm 1991 composite chiếm có 3% khối lượng, được dùng thay thế dần

kim loại và hợp kim, và đến năm 2000 đã chiếm đến 65% khối lượng máybay Hình 1.3 – 1.9 mô tả một số ứng dụng của vật liệu composite trong hầuhết các lĩnh vực của đời sống con người

1.2 Tấm composite.

Tấm composite là một loại vật liệu dạng tấm được tạo thành bằng cáchkết hợp nhiều lớp vật liệu theo những phương án cấu trúc khác nhau Do đótính chất của nó không những phụ thuộc vào tính chất của các vật liệu thànhphần mà còn phụ thuộc vào thiết kế hình học của chúng trong kết cấu.Thường dùng hai loại: dạng tấm nhiều lớp và tấm sandwich Nó có tính năng

ưu việt và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (như bao bì,xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô, hàng không vũ trụ…)

Trong các dạng composite, composite tấm dành được khá nhiều sựquan tâm và đầu tư nghiên cứu trong cơ học, kết cấu và ứng dụng bởi tính phổdụng của nó trong đa ngành kỹ thuật Các kết cấu sandwich tấm thể hiệnnhiều ưu điểm nổi bật so với các dạng tấm sử dụng vật liệu truyền thống nên

sự xuất hiện của nó ngày càng nhiều và chiếm ưu thế so với các dạng vật liệuđược sử dụng trước đây Đặc biệt trong một số ngành như công nghệ hàngkhông, vũ trụ, công nghệ hàng hải, tàu biển, công nghiệp xây dựng và giaothông… các kết cấu tấm composite chiếm ưu thế, cùng với sự cải tiến, pháttriển trong nhiều hướng nghiên cứu, các dạng kết cấu tấm composite nhiềulớp được phát triển mạnh mẽ đặc biệt là các tấm dạng sandwich Tấmcomposite dạng sandwich được hình thành bởi sự kết hợp của các tấm mỏng

bố trí xen kẽ nhau trong kết cấu tổng thể của tấm, trong đó cơ tính, sự bố trí,sắp xếp các lớp, tấm được lựa chọn sao cho phù hợp nhất với mục đích sửdụng và mang lại hiệu quả sử dụng tốt nhất cũng như thuận tiện nhất trongquá trình chế tạo

Dưới góc độ cơ học thì vật liệu composite được phân thành 3 nhóm

chính, đó là: composite đẳng hướng (Hình 1.10a), composite đẳng hướng ngang (Hình 1.10b), composite trực hướng (Hình 1.10c).

Hình 1.10 Các loại vật liệu composite

Composite dạng tấm có thể có nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp

“mat”, nhiều lớp vải hoặc tổ hợp các lớp đồng phương, vải và “mat”

Lớp đồng phương (Hình 1.11a), lớp “mat” (Hình 1.11b) và lớp vải, băng (Hình 1.11c).

Vật liệu trong mỗi lớp cũng có thể khác nhau và phương của cốt sợitrong mỗi lớp cũng không nhất thiết phải giống nhau…

Hình 1.11 Lớp vật liệu composite

Hình 1.12 Mô hình cấu trúc của composite nhiều lớp

Để thấy rõ cấu trúc của tấm composite nhiều lớp, có thể tham khảo mô

hình của vật liệu composite nhiều lớp như Hình 1.12.

Ngoài ra tùy thuộc vào sự phân bố của các lớp mà vật liệu compositecòn được phân ra thành các loại

hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật liệutheo hệ quy chiếu chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được kháiniệm về hệ trục tọa độ, đó là hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và hệ trục

quy chiếu chung của tấm (x, y, z), Hình 1.13.

Hình 1.13 Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung

Để tính toán cơ học vật liệu composite nhiều lớp người ta coi vật liệu làđồng nhất và dị hướng Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đitheo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của từng lớp vật liệu và nghiên cứu

ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp Khi đó ta có thể hoàn toàn biếtđược ứng xử cơ học của toàn bộ kết cấu composite Các phương pháp tínhtoán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu composite có thể được chiathành 2 nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số:

Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xácđịnh trực tiếp Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giảitích không quá phức tạp như các chương trình tính bằng phương pháp số,nhưng phương pháp này nói chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịulực đơn giản

Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặcbiệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hìnhdạng, tải trọng tác dụng và kiểu liên kết phức tạp

Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào

lý thuyết (mô hình) mà ta sử dụng, các lý thuyết mà ta có thể kể ra đây đó là

lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất Mindlin, lýthuyết tấm bậc cao,… Do đó vấn đề quan trọng mang tính quyết định đến độchính xác của kết quả tính toán chính là lý thuyết mà ta sử dụng

1.3 Tấm composite sandwich

Vật liệu sandwich được tạo thành bởi các vật liệu truyền thống bằng sựtích hợp chặt chẽ của các kiến thức liên quan đến các quy trình sản xuất vàhiệu suất cơ học của các vật liệu thành phần Một cấu trúc tấm sandwich đượchình thành bằng cách dán hoặc hàn một lõi có độ cứng thấp với hai lớp vỏtương đối cứng Mục đích của công việc này là để cung cấp một cấu trúc có

sự kết hợp hài hòa giữa tính nhẹ và độ bền độ cứng cao Theo Daniel Gay [3],

(10  tc/ts  100) Nói chung, việc lựa chọn vật liệu tấm composite sandwichđược thực hiện để giảm thiểu khối lượng có tính đến các điều kiện sử dụng(độ cứng, độ ẩm, nhiệt độ, ăn mòn, giá cả, v.v.).

a Lõi

Lõi là thành phần nằm ở trung tâm của cấu trúc tấm sandwich, nóichung là một vật liệu có các đặc tính cơ học yếu Vai trò của nó là chống lạicác ứng suất cắt gây ra bởi chuyển động trượt của vỏ khi chịu tải và để duy trìkhoảng cách của các lớp vỏ Các vật liệu lõi được sử dụng nhiều nhất chủ yếu

ở hai dạng :

Lõi đặc (Hình 1.14): bao gồm gỗ bông bấc hoặc gỗ khối nhẹ, các

khối đệm mút khác nhau, nhựa thủy tinh rỗng, v.v…

kim hoặc kim loại nhẹ, giấy bao bì (phủ hoặc không phủ lớp nhựa),giấy polyamide, giấy Nomex, v.v…

Hình 1.14 Tấm sandwich lõi đặc

b Lớp vỏ

Hình 1.15 Tấm sandwich lõi rỗng

Đối với một tấm sandwich chịu uốn, các lớp vỏ về cơ bản là phải chịulực kéo hoặc nén Sự lựa chọn lớp vỏ chủ yếu dựa trên hiệu suất cơ học cầnthiết Nhưng nhìn chung, độ cứng cao và độ bền kéo tuyệt vời là những phẩmchất chính được tìm kiếm Các lớp vỏ thường là các tấm nhiều lớp với sợi giacường (carbon/epoxy, kevlar/epoxy, boron/epoxy, thủy tinh ), hoặc bằng vậtliệu kim loại (nhôm, thép, thép không gỉ ), hoặc bằng gỗ (ván ép) hoặc bằngcác tấm nhựa nhiệt dẻo

c Chất kết dính

Thành phần cuối cùng có tầm quan trọng không kém đó chính là chấtkết dính Chất kết dính dạng màng này tạo thành mối liên kết giữa lõi với cáclớp vỏ Liên kết này phải liên tục không có độ xốp và độ dày không đổi Hơnnữa cần một khả năng chống lại biến dạng đủ lớn là cần thiết để truyền các tácnhân cơ học Nhưng nó cũng phải có khả năng co giãn đủ lớn để hấp thụ và

giảm thiểu các tải trọng động Trong thực tế, độ dày của chất kết dính được

Các tấm composite sandwich được chia làm các loại: cực nhẹ; độ cứnguốn cực cao; đặc tính cách nhiệt và cách âm tuyệt vời; độ phẳng

Tuy nhiên, một số tấm composite sandwich có khả năng tắt dần khôngtốt, khả năng chống cháy của chúng cũng không tốt và nguy cơ bị cong vênhcao hơn so với các cấu trúc thông thường

1.4 Composite sandwich lõi tổ ong.

Trong các loại tấm sandwich thì tấm sandwich lõi tổ ong được sử dụngkhá phổ biến, với đặc điểm khá đơn giản trong công nghệ chế tạo nên nó ngàycàng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống

Tổ ong, với một loạt các lỗ rỗng hình lục giác hoặc hình lăng trụ đều,đại diện cho một khối đặc hai chiều Thuật ngữ "tổ ong" được sử dụng theonghĩa rộng hơn để chỉ một loạt ma trận các lỗ rỗng hình lăng trụ giống hệtnhau được liên kết với nhau để lấp đầy khoảng trống giữa hai lớp vỏ Các lỗrỗng thường có mặt cắt ngang hình lục giác, nhưng chúng cũng có thể là mặtcắt hình tam giác hoặc hình vuông hoặc hình thoi Tổ ong được sử dụng trongnghiên cứu này là một tổ ong hình lục giác thông thường

Hình 1.16 Cấu trúc của một tấm sandwich lõi tổ ong

Hình 1.17 Tấm sandwich lõi tổ ong

Tấm sandwich lõi tổ ong được tạo thành bởi việc liên kết hai tấm mỏng

có cơ tính cao được gọi là vỏ (skin) với tấm lõi có cơ tính thấp hơn, có tỉtrọng riêng thấp nhưng có kích thước bề dày lớn hơn, với việc kết hợp đó, tấmđược tạo thành sẽ tổ hợp được nhiều ưu điểm Các lớp bề mặt và lõi của kếtcấu sandwich có thể là nhôm, thép, bê tông, gỗ,… Lõi có thể được cấu tạodạng rỗng với các dạng hình học khác nhau, trong đó kết cấu dạng tổ ongthông thường được sử dụng Kết cấu tấm sandwich lõi tổ ong là dạng kết cấutấm không đồng nhất với lõi là một loại vật liệu trực hướng được phân bố cótính tuần hoàn theo hai phương và thể hiện trong từng trường hợp cụ thể

Năm 1919, tấm composite sandwich đầu tiên được chế tạo bằng cách

sử dụng các mặt gỗ gụ mỏng liên kết với lõi gỗ bông bấc Nó được sử dụnglàm cấu trúc chính cho chân phao của thủy phi cơ Sau đó giữa Thế chiến I vàThế chiến II, lớp vỏ ván ép liên kết với lõi gỗ bông bấc được sử dụng làm cấutrúc chính của thủy phi cơ Ý

Việc sản xuất cấu trúc tấm tổ ong hiện đại có lẽ đã bắt đầu vào cuốinhững năm 1930, khi J.D Lincoln đã lấy giấy làm lõi tổ ong để sử dụng trong

đồ nội thất được sản xuất bởi Lincoln Industries (ở Marion, Virginia, Hoa

Kỳ) Các tấm composite sandwich bao gồm các mặt gỗ mỏng liên kết với mộtlõi tổ ong bằng giấy tương đối dày.

Trong chiến tranh thế giới thứ hai, giấy tổ ong đã được Công ty Martin

sử dụng để đóng gói ăng ten radar; nhưng lõi được làm từ giấy đã hấp thụ độ

ẩm Sau đó Martin đã phát triển một tổ ong làm bằng vải cotton và sau đó sảnxuất lõi tổ ong làm bằng sợi cotton, vải thủy tinh và lá nhôm

Cũng tại thời điểm đó, Công ty Máy bay Havilland đã thiết kế và chếtạo máy bay ném bom Mosquito, sử dụng các tấm sandwich ở một số bộphận Hiệu suất tuyệt vời được thể hiện ở máy bay này đã đưa đến sự chấpnhận của nhiều nhà thiết kế máy bay, đặc biệt là ở Anh, về sự vượt trội cơ bảncủa cấu trúc tấm sandwich như một phương tiện sản xuất máy bay hiệu suấtcao và hiệu quả hơn Do đó, nhiều nhóm thiết kế máy bay đã bắt đầu tìm kiếmcách tốt nhất để chế tạo các cấu trúc tấm sandwich và các vật liệu tốt nhất đểtạo ra lớp lõi và vỏ

Mãi đến năm 1945, tấm sandwich hoàn toàn bằng nhôm đầu tiên đượcsản xuất Bước đột phá thực sự đến với sự phát triển của chất kết dính tốt hơn

để cố định lớp vỏ với lõi Một số chất kết dính đã được phát triển để có tínhchất lưu biến tốt để sử dụng cho lõi tổ ong

a Chế tạo tấm tổ ong

Các cấu trúc như tổ ong trong Hình 1.16 có thể được thực hiện theo bốn

cách: dán, hàn điện trở, hàn, hàn khuếch tán và nóng chảy Các phương phápnày được thực hiện bằng cách hàn đính tại các nút Rõ ràng nhất là ép một vậtliệu tấm thành một nửa hình lục giác và dán các tấm lượn sóng này lại vớinhau Cho đến nay, quy trình sản xuất phổ biến nhất là dán lại với nhau và cótới 95% lõi tổ ong được làm theo cách này Hàn điện trở, hàn hoặc hàn

khuếch tán chỉ được sử dụng trên các lõi có nhiệt độ cao hoặc điều kiện môitrường khắc nghiệt Có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng để chuyển vật liệutấm thành lõi tổ ong, đó là quá trình mở rộng và quá trình uốn lượn sóng

(Hình 1.18).

Hình 1.18 Quá trình sản xuất lõi tổ ong: Bằng quá trình mở rộng (trên),

Bằng quá trình cán lượn sóng (dưới)

Quá trình mở rộng được sơ đồ hóa trong hình 1.18a Thông thường,

keo được đặt thành các dải song song trên các tấm phẳng, và các tấm đượcxếp chồng lên nhau để dán chúng lại với nhau dọc theo các dải Các chồngtấm được cắt theo kích thước mong muốn và sau đó được kéo dài để tạo thành