Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật cơ khí

Mã số : 85.20.10.3

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TÀO QUANG BẢNG

Phản biện 1: PGS.TS Đinh Minh Diệm

Phản biện 2: PGS TS Thái Thế Hùng

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 12 tháng 10 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết đề tài

Với sự tiến bộ của công nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết (cấu kiện) và thiết bị kỹ thuật mới được chế tạo ngày càng trở nên nhỏ hơn, ít tốn kém và với tuổi thọ dài hơn Trước khi các thành phần này được đưa vào sử dụng trong ứng dụng kỹ thuật, các đặc tính của chúng ở tỉ lệ vi mô (micro) phải được thí nghiệm, tính toán phân tích

ở tỉ lệ tương đương Đối với các thiết bị điện tử, việc xác định cơ tính của mối hàn có ý nghĩa rất quan trọng và, hiện nay, có nhiều loại thiết

bị và kỹ thuật thí nghiệm được các nhà nghiên cứu sử dụng để đưa ra

cơ tính ứng với mỗi loại vật liệu hàn Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ

ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu Do đó, việc phát triển

kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại trở đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới Bên cạnh đó, trong ngành công nghiệp ôtô, một loại vật liệu hàn mới thuộc nhóm vật liệu hàn không chì (lead-free solders) có tên gọi là InnoLot, đã bắt đầu được đưa vào sử dụng trong các thiết bị, chi tiết vi mạch điện tử Tuy nhiên, hiện nay chưa có nghiên cứu nào được xuất bản về việc kết hợp phương pháp thực nghiệm và phần tử hữu hạn (FEM) để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện của vật liệu InnoLot

Do đó, đề tài “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn” là rất cần thiết, có tính ứng dụng cao và phù hợp

với xu thế hiện tại cũng như trong tương lai

II Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định được trường biến dạng trên toàn bộ mẫu thử vật liệu hàn không chì mới InnoLot với độ phân giải không gian và thời gian cao bằng sự kết hợp giữa phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phần tử hữu hạn (FEM)

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là trường biến dạng của mẫu thử vật liệu hàn

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Tổng quan về phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

- Ứng dụng phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong xác định trường biến dạng của vật liệu

IV Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật thực hiện

4.1 Cách tiếp cận:

- Thiết kế và lắp đặt hệ thống DIC: nghiên cứu tính toán, lựa chọn CCD camera có độ phân giải tốt phù hợp với mục tiêu của nghiên cứu Thiết kế chế tạo và lắp đặt cũng như canh chỉnh các cấu kiện của hệ thống DIC để độ chính xác cao nhất Từ đó, tính toán sai số của phương pháp DIC để không vượt quá giới hạn cho phép của phương pháp

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu quy trình chế tạo cấu kiện thí nghiệm

- Thiết lập chương trình điều khiển LabVIEW để điều khiển hệ thống cũng như mô tả tín hiệu phát và thu của thí nghiệm

- Thiết lập chương trình tính toán Matlab dựa trên công thức toán

mô tả phương pháp DIC để xử lý số liệu, hình ảnh thu được từ phương pháp DIC từ đó xuất ra kết quả trường biến dạng

- Thiết lập chương trình tính toán và phân tích FEM Kết quả của quá trình mô phỏng sẽ được so sánh với thực nghiệm

4.3 Kỹ thuật sử dụng

- Kỹ thuật đầu tiên được sử dụng là phương pháp đồng nhất các

thông số vật liệu Anand dựa trên luật phi tuyến tối thiểu NLS

- Kỹ thuật thứ 2 liên quan đến việc sử dụng công thức của

phương pháp DIC để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết

- Kỹ thuật thứ 3 liên quan đến việc sử dụng phương pháp phần

tử hữu hạn với hàm vùng dính kết

- Kỹ thuật thứ 4 liên quan đến mô hình hóa phụ được sử dụng

để nghiên cứu chính xác vùng trọng điểm của mối hàn với thời gian tính toán giảm đáng kể

- Kỹ thuật thứ 5 là phương pháp phần tử biên hạt

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Phạm vi dự án bao gồm phạm vi khoa học

hiện đại cũng như thể hiện tính sáng tạo của nó: phương pháp DIC, phương pháp phần tử hữu hạn

- Ý nghĩa thực tiễn: Vật liệu hàn không chì InnoLot đã bắt đầu

được sử dụng nhiều trong cấu kiện điện tử đặc biệt là trong ngành công nghiệp ôtô vì nó có nhiều ưu điểm hơn so với các vật liệu hàn truyền

thống

VI Dự kiến kết quả đạt được

- Mô hình thí nghiệm phương pháp DIC

- Mô hình tính toán phương pháp phần tử hữu hạn

- Kết quả trường biến dạng chi tiết bằng phương pháp thực nghiệm, phương pháp DIC và mô phỏng trên phần mềm phần tử hữa hạn

- Xác định đường đi vủa vết nứt trên bề mặt vật liệu

VII Cấu trúc luận văn

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn” gồm 05 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp tương quan ảnh số và phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 3: Vật liệu và quá trình thí nghiệm

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.1 Ngoài nước

Phương pháp DIC được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu ở Đại học Southern Carolina (Mỹ) vào đầu những năm 1980 Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phương pháp DIC mới được quan tâm hơn

để đo các trường chuyển vị và biến dạng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau Cụ thể, nó đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và cho các vật liệu khác nhau như vật liệu sinh học, kim loại – hợp kim, polyme, hoặc geomaterials Hơn nữa, sự kết hợp của DIC với việc đo (kiểm tra) độ bền tại chỗ đã được phát triển để xác định biến dạng chi tiết ở kích thước micro và nano Sự kết hợp này đã được sử dụng rộng rãi để xác định trường phân bố biến dạng, trường biến dạng gần vết nứt, các tính chất cơ học của vật liệu bao gồm module đàn hồi, hệ số Poisson cũng như các hệ số cường độ ứng suất

Hiện nay, có rất ít những nghiên cứu về việc áp dụng kỹ thuật DIC kết hợp với phương pháp FEM trong việc xác định cơ tính của vật liệu hàn Phương pháp DIC sử dụng cho toàn bộ chi tiết đã được

áp dụng để kiểm tra và phân tích biến dạng cục bộ của vật liệu hàn SAC như SAC105, SAC305, SAC405, và SAC387 đã được đề cập trong các nghiên cứu đó Bằng cách sử dụng phương pháp DIC, việc

đo biến dạng của các mối hàn trong các vi mạch điện tử được thực hiện bằng cách kết hợp các thí nghiệm nén và xử lý DIC Ngoài ra, mô hình 3D được cài đặt trong HYPERWORKS để mô phỏng các thí nghiệm được trình bày trong nghiên cứu này Những tính chất cơ tính (hệ số Poisson, module đàn hồi, …) của vật liệu hàn được trích xuất bằng cách so sánh tương quan giữa kết quả của phương pháp tính toán

số và phương pháp thí nghiệm Thêm vào đó, kết quả đo từ thí nghiệm được so sánh với kết quả từ FEM cho biến dạng của mối liên kết hàn trong mảng mạch điện tử dạng cầu PBGA) trong chi tiết dưới tác dụng của tải trọng nhiệt chu kỳ

Do các thiết bị điện tử trong ôtô đối mặt với nhiều thách thứ

về những yêu cầu về đặc tính cơ-nhiệt của mối hàn Thứ nhất, các cấu kiện làm việc trong môi trường hoạt động khắc nghiệt như nhiệt độ, rung động,… Bên cạnh đó, trong ngành sản xuất ôtô, người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về tuổi thọ Tuy nhiên, các hợp kim hàn tiêu chuẩn SAC có hiệu suất rất tốt vẫn không đáp ứng với các yêu cầu khắc nghiệt nhất đó Do đó, một hợp kim hàn mới có tên gọi là

InnoLot được chế tạo ra để thích ứng với các điều kiện khắc nghiệt

đó InnoLot được tạo ra dựa trên nền tảng của SAC387 với việc bổ sung những nguyên tố có lợi như Bi, Sb và Ni Ngoài ra, sau khi sàng lọc tài liệu nghiên cứu cho thấy chưa có nghiên cứu nào cho đến này được xuất bản về việc kết hợp phương pháp DIC và mô phỏng FEM

để xác định biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu InnoLot này 1.1.2 Trong nước

Hiện nay, tại Việt Nam hầu như chưa có các nghiên cứu ngoài nhóm nghiên cứu của trường ĐH Bách khoa – Đại học Đà Nẵng về vật liệu hàn Một vài nghiên cứu của những nhà nghiên cứu đến từ Việt Nam hiện đang NCS ở nước ngoài liên quan tới việc sử dụng phương pháp DIC trong việc xác định trường ứng suất và biến dạng của thiết bị điện tử sử dụng vật liệu hàn không chì SAC

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

2.1 Phương pháp tương quan ảnh số (DIC)

2.1.1 Giới thiệu chung về DIC

Phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation -

DIC) là một phương pháp không tiếp xúc, không phá hủy để đo lường chuyển vị và chủng Bởi vì điều này, nó có tiềm năng tốt cho các ứng dụng trong hạt nhân nhà máy điện để thực hiện các phép đo trên cả các thành phần và cấu trúc chủ động và thụ động DIC có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng của nhà máy điện hạt nhân trong đó thời gian lưu trú có thể là hạn chế hoặc khả năng truy cập các thành phần

có thể bị hạn chế do các trường bức xạ hoặc bề mặt bị ô nhiễm DIC

là một phương pháp quang học sử dụng khớp mẫu và hình ảnh kỹ thuật đăng ký để đo lường chính xác hai và ba chiều các thay đổi trong hình dạng của một vật phẩm đang được kiểm tra Phương pháp này có thể được sử dụng để đo hình dạng, biến dạng, chuyển vị, và biến dạng Kỹ thuật DIC đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong phương pháp kỹ thuật

và sản xuất để đo lường sự thay đổi và cung cấp dịch chuyển và hiểu biết đo lường cho phân tích vật liệu và cấu trúc, xác minh phân tích phần tử hữu hạn, và kiểm soát chất lượng

Phương pháp tương quan ảnh số là phương pháp mạnh mẽ để phát hiện biến dạng trên bề mặt vật liệu hoặc thành phần khác và được

sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng liên quan đến:

 Kiểm tra vật liệu và đặc tính của nó

 Nghiên cứu về sự phá hủy và mỏi

 Theo dõi độ tin cậy của chi tiết

 Vật liệu có thành phần hoặc hình dạng phức tạp

 Đo tĩnh và động của biến dạng hoặc chuyển

động

2.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC)

Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) đề cập đến một kỹ thuật đo quang và không tiếp xúc, bao gồm các bước thu nhận, lưu trữ và tương quan hình ảnh được phát minh kể từ những năm 1980

Nó tạo ra trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết theo tất cả các hướng

Phương pháp DIC đã phát triển thành một kỹ thuật cho thử nghiệm cơ học tại chỗ với độ nhạy cao

2.1.2 Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp DIC

a) Ưu điểm của phương pháp DIC:

Phương pháp tương quan ảnh số hiện nay được sử dụng rất nhiều vì dụng cụ thiết bị cũng như chi phí rẻ và dể chế tạo Ngoài ra, phương pháp này cũng không quá đòi hỏi về chuẩn bị mẫu quá công phu và có thể sử dụng ở những môi trường, vị trí khác nhau Nó được

sử dụng nhiều với những ưu điểm sau:

 Không ảnh hưởng tới chi tiết thí nghiệm

 Không tạo ra ứng suất

 Đo được biến dạng trên toàn bộ chi tiết

 Chính xác hơn và dể dàng sử dụng

Hình 2.2 Phương pháp tương quan ảnh số

b) Ứng dụng của phương pháp DIC:

Phương pháp DIC ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật và đời sống

vì những ưu điểm vượt trội của nó nhưng đã liệt kê ở trên, cụ thể:

 Ứng dụng vào thí nghiệm kéo, nén:

Hình 2.3 Phương pháp tương quan ảnh số trong thí nghiệm kéo

 Ứng dụng trong xác định đường đi của vết nứt trong chi tiết:

Hình 2.4 Phương pháp tương quan ảnh số trong xác định

đường đi vết nứt

 Ứng dụng trong địa kỹ thuật:

Hình 2.5 Phương pháp tương quan ảnh số trong địa kỹ

thuật

 Ứng dụng trong y sinh:

Hình 2.6 Phương pháp tương quan ảnh số trong y sinh

2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hạn (Finite Element Method) là một công cụ số mạnh mẽ để giải quyết các phương trình vi phân dạo hàm riêng cũng như là các phương trình tích phân Phương pháp này dựa

trên việc rời rạc hóa miền khảo sát thành các miền con,có hình dạng tùy ý, được liên kết thông qua các nút của phần tử

Các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, thông thường có 3 phương pháp để giải quyết bao gồm: phương pháp phân tích toán học, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thử nghiệm thực tiễn

+ Phương pháp phân tích toán học: Có tính khách quan nhất

và kết quả chính xác 100% và thường áp dụng cho các bài toán đơn giản, mô hình không phức tạp

+ Phương pháp phần tử hữu hạn: Áp dụng các quy luật vật

lý, hàm toán học…vào các phần mềm mô phỏng để tính toán Kết quả tính toán xấp xỉ chính xác, phụ thuộc vào khối lượng tính toán và cách xây dựng mô hình tính trên phần mềm

+ Phương pháp thử nghiệm thực tiễn: Thực hiện bằng các

phương pháp đo, thử nghiệm, quan sát Kết quả tính toán xấp xỉ chính xác do các yếu tố chủ quan, cách thử nghiệm, thiết bị đo đạc…

Hình 2.7 Các phương pháp giải quyết vấn đề kỹ thuật

a) Phân tích toán học; b)Phần tử hữu hạn; c) Thử nghiệm thực tiễn

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác

định V Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm

trên toàn miền xác định V mà chỉ trong những miền con Ve thuộc miền xác định của hàm

2.2.2 Các giai đoạn của bài toán phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện trong ba giai đoạn: tiền xử lý, xử lý và hậu xử lý

+ Tiền xử lý (Pre Processing): Trước khi xử lý là giai đoạn

chuẩn bị (chia lưới) một chi tiết để phân tích Dạng hình học phức tạp được chia nhỏ thành các dạng hình học đơn giản (phần tử) trong quá trình chia lưới Các phần tử sau khi chia lưới sẽ được định nghĩa cho các loại, độ dày, vật liệu và sau đó là thêm các lực

+ Xử lý (Solving): Phần xử lý thực hiện phân tích phần tử hữu

hạn Kết quả thu được có thể là chuyển vị, ứng suất, biến dạng hoặc là gia tốc

+ Hậu xử lý (Post Processing): Sau xử lý, kết quả của các

trường hợp xử lý được xem lại

2.3 Lý thuyết đàn hồi, cơ học rạn nứt

2.3.1 Lý thuyết đàn hồi

Trên cơ sở nhằm giải quyết những vấn đề được nêu ra ở chương một, nên ở đây chỉ trình bài tóm tắt về Lý thuyết biến dạng đàn hồi trong trường hợp ứng suất phẳng

Một cách tổng quát, ứng suất và biến dạng trên các vật thể bao gồm :

 6 thành phần ứng suất:      x, y, z, xy, yz, xz tương

ứng với 3 ứng suất pháp theo phương x, y, z và 3 ứng

suất tiếp trong mặt phẳng có pháp tuyến theo phương

rất nhỏ so với hai phương còn lại, chịu tải trọng nằm trong mặt phẳng

giữa tấm, phân bố đều theo bề dày tấm (Hình 2.11) Người ta có thể

Hình 2.13 Mô hình bài toán ứng suất phẳng

a) Quan hệ ứng suất - biến dạng – nhiệt độ

Đối với vật liệu đẳng hướng và đàn hồi, chúng ta có:

0

/100

0/

1/

0//

1

xy y x

xy y x

xy y x

G

E E

E E

Với:

2(1 )

E G

2/)1(00

01

01

1

xy y x

xy y x

xy y

    [ ] C       0

(2.5) Trong đó:

  0  [ ] C   0 là ứng suất ban đầu

Biến dạng ban đầu   0 là do sự thay đổi nhiệt độ, được xác định

0

T T

xy y

là hệ số giãn nhiệt,  Tđộ thay đổi nhiệt độ

b) Quan hệ biến dạng – chuyển vị

Với giả thuyết biến dạng bé, ta có:

y

u x

v y

v x

u

xy y

y x

xy y x

//

/0

0/







(2.8)