Đề tài luận văn: DỰ ĐOÁN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA CHI TIẾT COMPOSITE BMC DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐIỆN BẰNG MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT ĐA CẤP ĐỘ được thực hiện bởi Sinh viên Khoa Kỹ Thuật Giao Thông của Đại Học Bách Khoa HCM. Trong nhiều năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vật liệu composite đã và đang tạo nên những bước đột phá quan trọng trong nền công nghiệp vật liệu. Việc nghiên cứu và áp dụng composite rộng rãi hơn nữa là một trong những nhiệm vụ cấp thiết trong xu thế phát triển không ngừng của nền công nghiệp vật liệu hiện nay. Vật liệu composite đã giải quyết được phần lớn các vấn đề về vật liệu mà lúc nghành công nghiệp này chưa phát triển là tạo ra một loại vật liệu vừa có cơ tính tốt vừa có độ bền cao nhưng lại rất nhẹ. Với những ưu điểm về cơ tính phổ biến vừa nêu, bên cạnh đó bằng công nghệ nano hiện nay người ta có thể tạo ra những vật liệu composite với những tính năng đặc biệt phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau, chính vì vậy hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu vật liệu composite để có thể đưa composite ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực. Xác định được tầm quan trọng của việc nghiên cứu các tính chất cơ học của composite, luận văn này được xây dựng với mục đích xây dựng một chương trình tính toán dự đoán các tính chất cơ học của composite dựa vào các thông số thành phần. Trong tính toán với composite, để tính toán được độ bền của một chi tiết bằng composite thì cần biết được tính chất cơ học của composite, mà tính chất cơ học của composite lại phụ thuộc vào loại sợi của composite (ví dụ: sợi ngắn, sợi dài), phụ thuộc vào hướng sợi của composite. Ngoài ra đối với loại sợi ngắn, thì phương pháp sản xuất chính là phun vào khuôn vì vậy hướng sợi của chi tiết composite là bất kì và khi đó tính chất của chi tiết composite đó trở nên không đồng nhất trong các vùng khác nhau của chi tiết. Việc xây dựng một chương trình để có thể dự đoán các tính chất cơ học của composite thông qua các tính chất của các thành phần đặc trưng như vậy là rất cần thiết. Các phần mềm phần tử hữu hạn hiện nay như Abaqus, Catia chỉ cho phép phân tích ứng xử của vật liệu composite khi ta nhập các thông số cuối cùng của composite như module đàn hồi của composite, module trượt của composite,…nhưng để thu được những số liệu này ngoài cách làm thí nghiệm, thì một phương pháp nữa là sử dụng mô hình để dự đoán và tính toán các thông số của composite dựa trên tính chất cơ học của các thành phần cấu tạo nên composite. Hai phương pháp mô hình hóa composite thường sử dụng để tính toán các tính chất cơ học của composite dựa vào các tính chất cơ học của các thành phần cấu tạo là: Phương pháp dựa vào lý thuyết composite sợi đồng nhất sẽ trình bày ở phần 2.1 và phương pháp mô hình hóa composite sợi có hướng bất kì theo mô hình Mori – Tanaka 1 trình bày ở phần 2.2. Ở phương pháp thứ nhất là dựa vào lý thuyết về composite, về quan hệ ứng suất – biến dạng của từng thành phần sợi và nền để tìm ra mối quan hệ với ứng suất – biến dạng của loại composite đó. Phương pháp này áp dụng cho loại composite có hướng sợi đồng nhất (unidirectional fiber). Ở phương pháp thứ hai, phương pháp này được chia thành hai phần nhỏ khác nhau, phần A là xây dựng mô hình cho bài toán composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì, phần B là bài toán xây dựng cho loại sợi ngắn nhưng hướng sợi là đồng nhất (là một trường hợp đặc biệt của sợi có hướng bất kì). Trong phương pháp thứ hai phương pháp mô hình hóa theo mô hình Mori – Tanaka sẽ cho phép xây dựng nên mô hình bài toán cho phép dự đoán ứng xử của composite bắt đầu từ quan hệ của sợi và nền. Trong phương pháp này trình bày cách xây dựng mô hình Mori – Tanaka để tính toán tính chất cơ học của composite, tiếp theo là xây dựng chương trình tính toán đó trên phần mềm Matlab và kiểm nghiệm kết quả với một vài mẫu thí nghiệm composite, cuối cùng là phân tích ứng suất năm mẫu chi tiết cánh sải 0.36 m của cùng một loại composite sợi ngắn, hướng bất kì từ các kết quả dự đoán của phương pháp này trên phần mềm Abaqus. Kết quả sẽ đạt được của hai phương pháp này sẽ cho ta một chương trình dùng để tính toán các module đàn hồi cho composite từ các thông số đầu vào của sợi và nền với các loại thành phần, đặc điểm, cấu trúc sợi khác nhau.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM NAM Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông Độc Độc Lập Lập - - Tự Tự Do Do - - Hạnh Hạnh PhúcPhúc
- Nghiên cứu lý thuyết composite loại BMC
- Xây dựng mô hình dự đoán ứng xử của vật liệu composite dựa vào thành phần và cáctính chất cơ học của thành phần và phân bố hướng sợi
- Mô hình hóa ứng xử vật liệu bằng lập trình matlab
- So sánh các kết quả thu đư
- So sánh các kết quả thu được với kết quả thí ợc với kết quả thí nghiệm trên vật liệu BMCnghiệm trên vật liệu BMC
Ngày giao nhiệm vụ luận án: 03/09/2013
3 Ngày hoàn thành luận án: 30/12/2013
4
4 Họ Họ tên tên người người hướng hướng dẫn: dẫn: Phần Phần hướng hướng dẫn: dẫn: 100%100%
- TS LÊ THỊ TUYẾT NHUNG Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn
Ngày tháng tháng nămnămCHỦ
CHỦ NHIỆM NHIỆM BỘ BỘ MÔN MÔN NGƯỜI NGƯỜI HƯỚNG HƯỚNG DẪN DẪN CHÍNHCHÍNH
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):
Người duyệt (chấm sơ bộ):
Đơn Đơn vị: vị:
Ngày bảo vệ:
Ngày bảo vệ:
Điểm Điểm tổng kết: tổng kết:
Nơi lưu trữ luận án:
Nơi lưu trữ luận án:
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đề tài luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân đã vậndụng những kiến thức tiếp thu được ở trường, tìm tòi học hỏi cũng như thu thập thôngtin số liệu có liên quan đến đề tài Em luôn nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, hỗ trợ
và động viên từ gia đình, từ quý thầy cô cùng các bạn Nhờ đó mà em đã hoàn thànhđược luận văn như mong muốn, nay xin cho phép em được gửi lời cám ơn sâu sắc vàchân thành đến:
Ba mẹ là những người đã dạy dỗ và nuôi em khôn lớn cho đến khi em bước chânvào giảng đường đại học, là người luôn bên cạnh em và chia sẽ mỗi lúc em gặp khókhăn trong cuộc sống
Các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật hàng không trường Đại Học Bách Khoa đã truyềnđạt những kiến thức quý báu để từ đó em phát triển thêm vốn hiểu biết của mình vậndụng trong công việc sau này Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố
Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập vàhoàn thành luận văn
Em cũng xin chân thành cảm ơn cô TS Lê Thị Tuyết Nhung, người trực tiếphướng dẫn đề tài Trong quá trình làm luận văn, cô đã rất tận tình hướng dẫn thực hiện
đề tài, giúp em giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoànthành luận văn đúng định hướng ban đầu
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho em
những đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn chỉnh
Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè là những người luôn chia sẽnhững chuyện buồn vui trong cuộc sống cũng như giúp đỡ em những lúc khó khăn
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Chúc tất cả mọi người nhiều sức khỏe vàthành đạt
Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 01 năm 2014
Sinh Viên Nguyễn Hữu Thuận
Trang 3TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm
Nhiệm vụ vụ của của đề đề tài tài luận luận văn văn này này là là dự dự đoán đoán ứng ứng xử xử cơ cơ học học của của chi chi tiếttiếtcomposite bằng mô hình đồng nhất đa cấp độ Trọng tâm chính của luận văn là xâydựng một chương trình dùng để dự đoán ứng xử của composite dựa trên mô hình đồngnhất đa cấp độ Mô hình đồng nhất được sử dụng trong đề tài là mô hình Mori –Tanaka, mô hình này cho phép dự đoán ứng xử của vật liệu composite có tính đếnhướng sợi bất kì do phương pháp sản xuất bằng phun – đúc khuôn Nhằm tạo thêmmột công cụ cho việc dự đoán tính chất cơ học của composite nhanh và đáng tin cậyhơn dựa trên mô hình Mori - Tanaka, đề tài cũng trình bày việc xây dựng chương trình
mô hình hóa composite trên giao diện GUIDE của MATLAB Phần cuối của đề tàitrình bày việc kiểm nghiệm tính chính xác của chương trình thông qua việc so sánh kếtquả mô hình với các kết quả thực nghiệm có sẵn Song song cùng với đó là so sánh và phân
phân tích tích ứng ứng xử xử của của một một chi chi tiết tiết composite composite trên trên phần phần mềm hữu mềm hữu hạn hạn Abaqus Abaqus với với cáccáckết quả có được từ mô hình dự đoán composite đã xây dựng
Luận văn này được bố cục thành các phần chính sau đây:
Giới thiệu tổng quan đề tài Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite
Chương 3: Kết quả mô hình hóa vật liệu composite Kết luận và kiến nghị
Trang 4LỜI CẢM CẢM ƠN ƠN ii ii TÓM
TÓM TẮT TẮT LUẬN LUẬN VĂN VĂN iii iii MỤC
MỤC LỤC LỤC iv iv DANH
DANH SÁCH SÁCH HÌNH HÌNH VẼ VẼ vi vi DANH
DANH SÁCH SÁCH BẢNG BẢNG BIỂU BIỂU vii vii GIỚI
GIỚI THIỆU THIỆU TỔNG TỔNG QUAN QUAN ĐỀ ĐỀ TÀI TÀI 11 CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ SỢI HƯỚNG CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ SỢI HƯỚNG BẤT
BẤT KÌ KÌ 33 1.1 Lịch
1.1 Lịch sử hình sử hình thành và thành và phát triển phát triển của Composite của Composite 33 1.2 Thành phần
1.2 Thành phần cấu tạo cấu tạo và cách và cách phân loại phân loại vật liệu vật liệu composite composite 44 1.2.1
1.2.1 Thành Thành phần phần cấu cấu tạo tạo 4 4
a
a Thành Thành phần phần cốt cốt 4 4
b Vật liệu nền
b Vật liệu nền 55 1.2.2
1.2.2 Phân Phân loại loại vật vật liệu liệu composite composite 55
a
a Phân Phân loại loại theo theo bản bản chất chất nền nền và và sợi sợi 66
b Phân loại theo hình dạn
b Phân loại theo hình dạng sợi g sợi 66 1.2.3 Các kết
1.2.3 Các kết quả thí nghiệm quả thí nghiệm về cơ tí về cơ tính của vật nh của vật liệu composite liệu composite 10 10
a Thông số tính c
a Thông số tính chất cơ hất cơ học của một học của một vài loại vài loại composite tham khảo composite tham khảo nhà sản xuất nhà sản xuất 10 10
b Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu comp
b Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite sợi ngắn, hướng bất k osite sợi ngắn, hướng bất kì ì 12 12 CHƯƠNG 2 CÁC
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA HÌNH HÓA VẬT LIỆU COMPOSITE VẬT LIỆU COMPOSITE 16 16 2.1 Phương pháp mô
2.1 Phương pháp mô hình hóa hình hóa theo lý t theo lý thuyết composite huyết composite sợi đơn sợi đơn hướng hướng 16 16 2.1.1 Trường hợp với
2.1.1 Trường hợp với tấm có tấm có góc hướng sợi t góc hướng sợi trùng với trục rùng với trục chính tải chính tải 17 17 2.1.2 Trường hợp với
2.1.2 Trường hợp với tấm có tấm có góc hướng sợi l góc hướng sợi lệch với ệch với trục chính tải trục chính tải 18 18 2.2 Phương pháp mô hình
2.2 Phương pháp mô hình hóa composite sợi hóa composite sợi ngắn, có hướng bất ngắn, có hướng bất kì kì 20 20 2.2.1 Composite
2.2.1 Composite sợi ngắn, sợi ngắn, hướng sợi hướng sợi bất kì bất kì 22 22
Trang 52.2.2 Đối 2.2.2 Đối với với composite sợi composite sợi ngắn, sợi ngắn, sợi cùng hướng cùng hướng 23 23 CHƯƠNG 3
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ KẾT QUẢ MÔ HÌNH MÔ HÌNH HÓA VẬT HÓA VẬT LIỆU COMPOSITE LIỆU COMPOSITE 24 24 3.1
3.1 SỢI SỢI ĐƠN ĐƠN HƯỚNG HƯỚNG (UNIDIRECTIONAL FIBER) (UNIDIRECTIONAL FIBER) 24 24 3.1.1 Chương trình
3.1.1 Chương trình tính toán tính toán tính chất tính chất cơ học cơ học của composite của composite sợi unidirectional sợi unidirectional 24 24 3.1.2 Ảnh hưởng của tỉ
3.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ sợi lệ sợi đến tính chất đến tính chất cơ học cơ học của composite sợi của composite sợi đơn hướng đơn hướng 29 29 3.1.3 Mô phỏng phần
3.1.3 Mô phỏng phần tử hữu tử hữu hạn của hạn của chi tiết chi tiết cánh composite cánh composite 31 31
a Hình học, vật
a Hình học, vật liệu của liệu của mô hình cánh composite mô hình cánh composite Glass/Epoxy 45 % sợi Glass/Epoxy 45 % sợi 31 31
b Cách chia lưới và định nghĩa loại p
b Cách chia lưới và định nghĩa loại phần tử cho mô hình cánh hần tử cho mô hình cánh 32 32
PHỤ LỤC LỤC A.2 A.2 53 53
Trang 6DANH SÁCH HÌNH VẼHình 1.1 -
Hình 1.1 - Các loại Các loại thành phần thành phần sợi của sợi của composite phân l composite phân loại theo oại theo hình dạng hình dạng 66 Hình 1.2 –
Hình 1.2 – Sơ đồ Sơ đồ công nghiệp sản công nghiệp sản xuất composite xuất composite sợi dài sợi dài [3] [3] 77 Hình 1.3 –
Hình 1.3 – Sơ đồ Sơ đồ các công các công nghệ sản x nghệ sản xuất composite uất composite sợi ngắn [ sợi ngắn [5] 5] 99 Hình 1.4 -
Hình 1.4 - Mẫu thí Mẫu thí nghiệm vật nghiệm vật liệu composite liệu composite loại BMC loại BMC 12 12 Hình 1.5 -
Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC t tiết BMC trong không gian [7] rong không gian [7] 14 14 Hình 1.6 – Thống kê
Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi góc đo hướng sợi của 2 chi của 2 chi tiết BMC tiết BMC 20%wt ở 2D 20%wt ở 2D 14 14 Hình 1.7 – Thống kê
Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi góc đo hướng sợi hai chi t hai chi tiết BMC iết BMC 20%wt ở 3D 20%wt ở 3D 15 15 Hình 2.1- Sơ
Hình 2.1- Sơ đồ khối tính toán đồ khối tính toán các tính chất các tính chất cơ học của cơ học của composite sợi đơn composite sợi đơn hướng hướng 16 16 Hình 2.2- Minh
Hình 2.2- Minh họa một họa một phần tử phần tử đại diện đại diện của composite của composite một lớp một lớp 17 17 Hình 2.3 –
Hình 2.3 – Các hệ Các hệ trục tọa trục tọa độ quy ước độ quy ước của composite của composite 18 18 Hình 2.4 – Sơ
Hình 2.4 – Sơ đồ khối mô hình đồ khối mô hình hóa composite sợi hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka – Tanaka 21 21 Hình 2.5 – Minh
Hình 2.5 – Minh họa các hệ họa các hệ trục hướng sợi trục hướng sợi của phần tử của phần tử sợi composite sợi composite 22 22 Hình 3.1 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các Hình 3.1 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các phương khác nhau của comp
phương khác nhau của composite Glass/Epoxy osite Glass/Epoxy 30 30 Hình 3.2 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các Hình 3.2 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các phương khác nhau của compo
phương khác nhau của composite Graphite/Epoxy site Graphite/Epoxy 30 30 Hình 3.3
Hình 3.3 – Mô – Mô phỏng chi phỏng chi tiết tiết cánh NACA cánh NACA 0012 0012 32 32 Hình 3.4
Hình 3.4 – Chia – Chia lưới lưới cho mô cho mô hình cánh hình cánh NACA 0012 NACA 0012 33 33 Hình 3.5 – Điều
Hình 3.5 – Điều kiện biên, điều kiện biên, điều kiện tải kiện tải áp dụng cho mô áp dụng cho mô hình cánh NACA hình cánh NACA 0012 0012 33 33 Hình 3.6 – Vị
Hình 3.6 – Vị trí biên trí biên dạng thứ nhất lấ dạng thứ nhất lấy ứng suất t y ứng suất trên mô hình cánh rên mô hình cánh NACA 0012 NACA 0012 34 34 Hình 3.7 – Vị
Hình 3.7 – Vị trí biên trí biên dạng thứ hai l dạng thứ hai lấy ứng suất ấy ứng suất trên mô trên mô hình cánh NACA 0012 hình cánh NACA 0012 34 34 Hình 3.8 – Ứng
Hình 3.8 – Ứng suất S33 phát tri suất S33 phát triển trên chi ển trên chi tiết cánh tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi composite Glass/Epoxy 45% sợi 35 35 Hình 3.9 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi Hình 3.9 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi theo
theo biên biên dạng dạng 1 1 35 35 Hình 3.10 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% Hình 3.10 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi
sợi theo theo biên biên dạng dạng 2 2 36 36 Hình 3.11 – Độ
Hình 3.11 – Độ lớn chuyển vị lớn chuyển vị thể hiện t thể hiện trên chi tiết rên chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi 36 36 Hình 3.12 – Đồ thị trạng thái chuyển vị của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi theo Hình 3.12 – Đồ thị trạng thái chuyển vị của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi theo biên dạng thứ 2
biên dạng thứ 2 37 37
Trang 7DANH SÁCH BẢNG BIỂUBảng 1.1 -
Bảng 1.1 - Tính chất Tính chất cơ học cơ học của một của một vài loại vài loại composite [6] composite [6] 10 10 Bảng 1.2 -
Bảng 1.2 - Tính chất cơ Tính chất cơ học của một học của một số loại sợi số loại sợi và nền [6] và nền [6] 11 11 Bảng 1.3 – Bảng
Bảng 1.3 – Bảng thông số chi thông số chi tiết mẫu tiết mẫu BMC dùng trong thí BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén nghiệm kéo nén của N.Le của N.Le 13 13 Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N.Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate, Xmold Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N.Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate, Xmold samples)
samples) 13 13 Bảng 3.1 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại Bảng 3.1 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại Glass/Epoxy
Glass/Epoxy 45% 45% sợi sợi 27 27 Bảng 3.2 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại Bảng 3.2 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại Graphite/Epoxy
Graphite/Epoxy 70% 70% sợi sợi 29 29 Bảng 3.3 – Thông số
Bảng 3.3 – Thông số vật liệu vật liệu chi tiết chi tiết cánh làm bằng cánh làm bằng composite Glass/Epoxy 45% sợi composite Glass/Epoxy 45% sợi 32 32 Bảng 3.4 – Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị loại composite Glass/Epoxy ở các tỉ lệ sợi khác Bảng 3.4 – Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị loại composite Glass/Epoxy ở các tỉ lệ sợi khác nhau
nhau 38 38 Bảng 3.5 – Bảng
Bảng 3.5 – Bảng kết quả kết quả cho ba chi cho ba chi tiết composite tiết composite ở ba góc ở ba góc hướng sợi khác hướng sợi khác nhau nhau 41 41 Bảng 3.6 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F Injected plate ở 2D cho mô hình Mori – Tanaka
41 41 Bảng 3.7 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F Injected plate ở 3D cho mô hình Mori – Tanaka
42 42 Bảng 3.8 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20F Bảng 3.8 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20F Injected plate
Injected plate 2D và 2D và composite BMC 20%wt composite BMC 20%wt - 20F - 20F Injected plate Injected plate 3D 3D 43 43 Bảng 3.9 -
Bảng 3.9 - Góc đo hướng sợi Góc đo hướng sợi chi tiết chi tiết 20F-Xmold ở 2D cho 20F-Xmold ở 2D cho mô hình Mori mô hình Mori – Tanaka – Tanaka 44 44 Bảng 3.10 - Góc
Bảng 3.10 - Góc đo hướng sợi đo hướng sợi của chi ti của chi tiết 20F-Xmold ở ết 20F-Xmold ở 3D cho mô 3D cho mô hình Mori – Tanaka hình Mori – Tanaka 44 44 Bảng 3.11 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20F- Xmold 2D
Xmold 2D và composite và composite BMC 20%wt BMC 20%wt - - 20F-Xmold 3D 20F-Xmold 3D 45 45 Bảng 3.12 – Bảng so sánh giữa kết quả thực
Bảng 3.12 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F Injected
Injected plate) plate) 46 46 Bảng 3.13 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt Bảng 3.13 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F-Xmold)
(20F-Xmold) 46 46
Trang 8GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trong nhiều năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vậtliệu composite đã và đang tạo nên những bước đột phá quan trọng trong nền côngnghiệp vật liệu Việc nghiên cứu và áp dụng composite rộng rãi hơn nữa là một trong
những nhiệm vụ cấp thiết trong xu thế phát triển không ngừng của nền công nghiệp vậtliệu hiện nay
Vật liệu composite đã giải quyết được phần lớn các vấn đề về vật liệu mà lúcnghành công nghiệp này chưa phát triển là tạo ra một loại vật liệu vừa có cơ tính tốtvừa có độ bền
vừa có độ bền cao nhưng lại rất cao nhưng lại rất nhẹ Với những ưu điểm nhẹ Với những ưu điểm về cơ tính phổ biến về cơ tính phổ biến vừa nêu,vừa nêu, bên
bên cạnh cạnh đó đó bằng bằng công công nghệ nghệ nano nano hiện hiện nay nay người người ta ta có có thể thể tạo tạo ra ra những những vật vật liệuliệucomposite với những tính năng đặc biệt phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau,chính vì vậy hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu vật liệu composite để có thểđưa composite ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực
Xác định được tầm quan trọng của việc nghiên cứu các tính chất cơ học củacomposite, luận văn này được xây dựng với mục đích xây dựng một chương trình tínhtoán dự đoán các tính chất cơ học
toán dự đoán các tính chất cơ học của composite dựa vào các thông số của composite dựa vào các thông số thành phần.thành phần
Trong tính toán với composite, để tính toán được độ bền của một chi tiết bằngcomposite thì cần biết được tính chất cơ học của composite, mà tính chất cơ học củacomposite lại phụ thuộc vào loại sợi của composite (ví dụ: sợi ngắn, sợi dài), phụthuộc vào hướng sợi của composite Ngoài ra đối với loại sợi ngắn, thì phương phápsản xuất chính là phun vào khuôn vì vậy hướng sợi của chi tiết composite là bất kì vàkhi đó tính chất của chi tiết composite đó trở nên không đồng nhất trong các vùng khácnhau của chi tiết Việc xây dựng một chương trình để có thể dự đoán các tính chất cơhọc của composite thông qua các tính chất của các thành phần đặc trưng như vậy là rấtcần thiết
Các phần mềm phần tử hữu hạn hiện nay như Abaqus, Catia chỉ cho phép phântích ứng xử của vật liệu composite khi ta nhập các thông số cuối cùng của compositenhư module đàn hồi của composite, module trượt của composite,…nhưng để thu đượcnhững số liệu này ngoài cách làm thí nghiệm, thì một phương pháp nữa là sử dụng mô
Trang 9hình để dự đoán và tính toán các thông số của composite dựa trên tính chất cơ học củacác thành phần cấu tạo nên composite.
Hai phương pháp mô hình hóa composite thường sử dụng để tính toán các tínhchất cơ học của composite dựa vào các tính chất cơ học của các thành phần cấu tạo là:Phương pháp dựa vào lý thuyết composite sợi đồng nhất sẽ trình bày ở phần 2.1 và phương pháp mô
phương pháp mô hình hóa cohình hóa composite sợi có mposite sợi có hướng bất kì hướng bất kì theo mô hình theo mô hình Mori – TanakaMori – Tanaka[1] trình bày ở phần 2.2
Ở phương pháp thứ nhất là dựa vào lý thuyết về composite, về quan hệ ứng suất – biến d
– biến dạng của từnạng của từng thành phần g thành phần sợi và sợi và nền để nền để tìm ra mối tìm ra mối quan hệ quan hệ với ứng với ứng suất – suất – biếnbiếndạng của loại composite đó Phương pháp này áp dụng cho loại composite có hướngsợi đồng nhất (unidirectional fiber)
Ở phương pháp thứ hai, phương pháp này được chia thành hai phần nhỏ khácnhau,
nhau, phần A là xây dựng mô phần A là xây dựng mô hình cho bài toán composite sợi ngắn, hướng sợi bấhình cho bài toán composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì,t kì, phần
phần B lB là à bài bài toán toán xây xây dựng dựng cho cho loại loại sợi sợi ngắn ngắn nhưng nhưng hướng hướng sợi sợi là là đồng đồng nhất nhất (là (là mộtmộttrường hợp đặc biệt của sợi có hướng bất kì)
Trong phương pháp thứ hai phương pháp mô hình hóa theo mô hình Mori –Tanaka sẽ cho phép xây dựng nên mô hình bài toán cho phép dự đoán ứng xử củacomposite bắt đầu từ quan hệ của sợi và nền Trong phương pháp này trình bày cáchxây dựng mô hình Mori – Tanaka để tính toán tính chất cơ học của composite, tiếptheo là xây dựng chương trình tính toán đó trên phần mềm Matlab và kiểm nghiệm kếtquả với một vài mẫu thí nghiệm composite, cuối cùng là phân tích ứng suất năm mẫuchi tiết cánh sải 0.36 m của cùng một loại composite sợi ngắn, hướng bất kì từ các kếtquả dự đoán của phương pháp
quả dự đoán của phương pháp này trên phần mềm Abaqus.này trên phần mềm Abaqus
Kết quả sẽ đạt được của hai phương pháp này sẽ cho ta một chương trình dùng đểtính toán các module đàn hồi cho composite từ các thông số đầu vào của sợi và nền vớicác loại thành phần, đặc điểm, cấu trúc sợi khác nhau
Trang 10CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ
phẳng 2D ứng dụng trong chế tạo trong chế tạo vỏ, cánh máy bay…, phương vỏ, cánh máy bay…, phương pháp sản xuất pháp sản xuất loại nàyloại nàychủ yếu là nén sợi và nền theo các lớp Trong công nghiệp ôtô, công nghiệp điện, hay gia dụng thì sợi ngắn có nhiều ưu điểm hơn, do tạo được các chi tiết khối 3D phức tạp,
và có chi phí sản xuất rẻ vì phương pháp sản xuất loại composite sợi ngắn này chủ yếu
là phun – đúc khuôn) Vì phương pháp sản suất thì có ảnh hưởng lớn đến cơ tính củavật liệu composite, đặc biệt là phương pháp phun khuôn (Injection), do hướng sợitrong chi tiết composite sợi ngắn được sản xuất bằng phương pháp này là bất kì, vì thếdẫn tới sự khó khăn khi xác định cơ tính của vật liệu composite Do đó, việc tìm hiểuthêm về loại vật liệu này là rất cần thiết, thiết thực Phần trình bày dưới đây sẽ trìnhbày rõ hơn về loại vật liệu này
Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 nămtrước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống (vídụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồgốm) Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trướcCông nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về saunày các thuyền tre đan bằng tre chát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đantre chát bùn với rơm, rạ là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đờisống
Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biếnvào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công
Trang 11sợi thủy tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này
đã được áp dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục
vụ cho đại chiến thế giới lần thứ hai
Năm Năm 1950 1950 bước bước đột đột phá phá quan quan trọng trọng trong trong nghành nghành vật vật liệu liệu Composite Composite đó đó là là sựsựxuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,…[2]
Trong những năm gần đây, composite được sử dụng chế tạo các bộ phận trênmáy bay như kết cấu khung xương, thân máy bay, cánh, bộ phận dẫn hướng Theothống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787 sử dụng đến 50%composite trên toàn bộ trọng lượng Tháng 11 năm 2013, hãng Airbus cũng vừa baythử nghiệm thành công chiếc A350 XWB được làm từ vật liệu tiên tiến – bao gồm vậtliệu composite lên tới 53% [2] Hiện nay không chỉ trong hàng không, trong nghànhvận tải đường bộ, vật liệu composite đã được sử dụng trong việc sản xuất các toa xetàu hỏa, các bộ phận cơ khí phức tạp của ôtô nhằm hạn chế tối đa trọng lượng và giảm
chi phí Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu composite đã bắt đầu được dùng để đóngcác loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano…Ngoài ra, rất nhiều ứng dụng của vật liệucomposite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các nghành côngnghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv…
1.2 THÀNH PHẦN CẤU TẠO VÀ CÁCH PHÂN LOẠI VẬT LIỆUCOMPOSITE
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gi Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phânán đoạn được phân
bố
bố trong trong một một pha pha liên liên tục tục duy duy nhất nhất Pha Pha liên liên tục tục gọi gọi là là vật vật liệu liệu nền nền (matrix), (matrix), thườngthườnglàm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt sợi hay vậtliệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính,chống mòn, chống xước [2]
1.2.1 Thành phần cấu tạo
a Thành phần cốt
Có nhiều loại thành phần cốt khác nhau, nhưng về cơ bản có các nhóm cốt nhưsau: Nhóm sợi khoáng chất gồm có sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm Nhóm sợi tổnghợp ổn định nhiệt gồm sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil Các nhóm sợi
Trang 12khác ít phổ biến hơn như là sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô, giấy, sợi đay, sợi gai, sợidứa, sơ dừa, ) sợi gốc khoáng chất (sợi Amiăng, sợi Silic, ), sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste
polyeste (tergal, (tergal, dacron, dacron, térylène, térylène, ), ), sợi sợi polyamit, ; polyamit, ; sợi sợi kim kim loại: loại: thép, thép, đồng,đồng,nhôm,…[2]
b Vật liệu nền
Vật liệu nền có bốn loại chính sau là bốn loại chất liệu nền đặc trưng củacomposite, chúng có các tính chất cơ học phù hợp và nhiều cơ tính tốt để tạo nên vậtliệu composite:
Chất liệu nền polyme nhiệt rắn: Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy
Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC,nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,
Chất liệu nền cacbon: Cacbon dưới các xử lý đặc biệt (kéo dãn các sợi hữu cơ
và cacbon hóa) nó có khả năng sắp xếp các mặt tinh thể cacbon theo hướng củasợi hoặc vuông góc với trục của sợi không có các mặt tinh thể cacbon Kết quả làcác sợi có độ bền đặc biệt cao hơn cả thép
Chất liệu nền kim loại: Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rấtcao có thể lên tới 110 GPa Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có module cao.Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng
1.2.2
1.2.2 Phân Phân loại loại vật vật liệu liệu compositecomposite
Vật liệu composite được phân loại theo hai cách phân loại chủ yếu là phân loạitheo loại sợi và theo bản chất của vật liệu thành phần Trong khi phân loại theo bảnchất dựa vào bản chất của sợi và nền, thì phân loại theo loại sợi phần nào phụ thuộcvào cách sản xuất Cách sản xuất không chỉ tạo thành hai loại kích thước sợi ngắn, sợidài mà còn tạo ra hướng sợi ngẫu nhiên của vật liệu composite Đặc biệt đối với loạisợi ngắn, cách sản xuất thường là phun hỗn hợp sợi và nền vào khuôn, vì vậy hướngsợi trong các sản phẩm của phương pháp này là bất kì và cơ tính của composite trở nên phức tạp hơn
Trang 13a Phân loại theo bản chất nền và sợi
Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nềnnhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xemáy), Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ(polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao)…), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợicacbon,…), sợi kim loại (Bo, nhôm, ) Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu đượcnhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C
Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm,composite cacbon - cacbon Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại(Bo, thép, ), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gố
(Bo, thép, ), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ, ).m (gốm cacbua, gốm Nitơ, ).Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm, Thường kếthợp với cốt liệu dạng: s
hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo, ), sợi khoáng (cacbon, SiC, ).ợi kim loại (Bo, ), sợi khoáng (cacbon, SiC, )
Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng
600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).[2]
b Phân loại theo hình dạng sợi
a) Sợi Sợi dài dài (Continuous (Continuous fibers) fibers) b) b) Sợi Sợi ngắn ngắn (Discontinuous (Discontinuous fibers)fibers)Hình 1.1
Hình 1.1 - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng
Composite hiện nay sử dụng dạng cốt sợi là phần lớn (còn lại số ít là dạng cốthạt), cốt sợi được chia thành hai loại khác nhau là composite sợi dài và composite sợingắn
Composite sợi dài (Continuous fiber)Composite sợi dài là composite có sợi với một chiều kích thước (gọi là chiều dài)lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại Theo hai chiều kiachúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể
Trang 14ở dạng liên tục hay gián đoạn [2] Sợi có thể dài từ vài centi - mét đến vài chục mét vàcác sợi trong cấu trúc thì cùng hướng với nhau.
Phương pháp sản xuất composite sợi dài chủ yếu là các phương pháp nén, éptheo băng chuyền, khuôn hoặc là phương pháp chế tạo thủ công bằng cách quét cáclớp keo tuần tự các lớp sợi Từ các phương pháp sản xuất như vậy nên sản phẩmcomposite thường có dạng tấm, và hướng sợi của tấm là đơn hướng
a) a) Phương Phương pháp pháp nén nén b) b) Phương Phương pháp pháp ép ép trên trên băng băng chuyềnchuyềnHình 1.2 –
Hình 1.2 – Sơ đồ công nghiệp sản xuất composite sợi dài [3]Sơ đồ công nghiệp sản xuất composite sợi dài [3]
Ở Hình 1.2a) là phương pháp nén composite trong khuôn kín, các sợi gia cườngđược cắt thủ công và đặt trên nửa khuôn phía dưới Nửa khuôn phía trên được đónglại, chất keo nền được điền đầy vào khuôn dưới áp suất cao Sau khi chất nền đượcđiền đầy vào khuôn, hỗn hợp nền và vật liệu gia cường được để đông kết trong thờigian xác định Sau đó sản phẩm được tháo khuôn để tiến hành sản xuất chi tiết tiếptheo Hình 1.2b) là phương pháp ép trên băng chuyền, trong phương pháp này lần lượttừng lớp keo, lớp sợi được dẫn theo băng tải đến bộ phận ép để hỗn hợp liên kết vớinhau, sau đó sẽ chuyển qua khâu làm khô và được cắt thành từng cuộn.[4]
Composite sợi dài có các tính chất cơ học theo phương hướng sợi là rất lớn, độcứng, độ bền, ứng suất kéo, nén theo phương chính sợi là lớn hơn nhiều lần so với hai phương còn lại Do tí
phương còn lại Do tính chất đơn hướng nh chất đơn hướng như vậy nên khi chế như vậy nên khi chế tạo chi tiết composite stạo chi tiết composite sợiợidài, nhà sản xuất thường xếp các tấm với nhiều hướng sợi khác nhau chồng lên nhau,nhằm tạo cơ tính tốt cho composite theo các hướng khác nhau Sản phẩm loại
Trang 15composite sợi dài thường là dạng đơn lớp hay tấm nhiều lớp (dạng sandwich) Ứngdụng của composite sợi dài chủ yếu hiện nay là trong nghành công nghiệp hàng không,các bộ phận vỏ, cánh, hay khung của máy bay đang dần thay thế bởi vật liệucomposite, ví dụ máy bay A350 có tới 53% khối lượng là composite, hay mỗi chiếc
787 Dreamline gồm xấp xỉ 35 tấn
787 Dreamline gồm xấp xỉ 35 tấn carbon – fiber – reinforced - polyme carbon – fiber – reinforced - polymer (CFRP), trongr (CFRP), trong
đó gần 23 tấn là sợi carbon, chiếm khoảng 50% khối lượng máy bay và phần lớn là ở
bộ
bộ phận phận thân, thân, cánh, cánh, đuôi đuôi Tỉ Tỉ lệ lệ composite composite này này giúp giúp cho cho A350 A350 được được đánh đánh giá giá cao cao hơnhơn
787 Dreamline về tiết kiệm nhiên liệu, hiệu năng cũng như tính kinh tế Ngoài nhữngứng dụng thực tế mang ý nghĩa lớn trong hàng không, trong các ngành công nghiệpkhác cũng có rất nhiều ứng dụng thiết thực như:
• Bình chịu áp lực cao
• Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3
• Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (ống cốt sợi thủy tinh)
• Ống dẫn nước thải, hóa chất composite, hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng
• Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn
• Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng
• Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất.thất
• Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ
đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì
Nguyên lí của Nguyên lí của các phương các phương pháp sản pháp sản xuất composite sợi xuất composite sợi ngắn là trộn ngắn là trộn hỗn hợp nềnhỗn hợp nền
và sợi trước sau đó đổ hoặc phun, đùn vào khuôn chi tiết Phương pháp này làm cho
Trang 16các sợi trong chi tiết là hỗn độn, các sợi nằm theo các hướng khác nhau và ngẫu nhiên.Các phương pháp sản xuất chủ yếu là phun hỗn hợp nền (keo) và sợi vào khuôn, phương pháp đúc chân không hay còn gọi là đùn ép.
a) a) Công Công nghệ nghệ đúc đúc chân chân không không b) b) Công Công nghệ nghệ phunphunHình 1.3
Hình 1.3 – Sơ đồ các công nghệ sản xuất composite sợi ngắn [5] – Sơ đồ các công nghệ sản xuất composite sợi ngắn [5]
Hai công nghệ sản xuất sợi ngắn trên là điển hình cho sản xuất vật liệu compositesợi ngắn, ở công nghệ đúc chân không – Hình 1.3a) nhựa và vật liệu gia cường cóchiều dài ngắn được cấp vào trống chứa hỗn hợp vật liệu của máy đùn ép Bơm được
sử dụng để đẩy hỗn hợp vật liệu về phía trước của túi chân không, đồng thời đẩykhông khí chứa trong vật liệu ra ngoài Trong quá trình hòa trộn ma sát làm tăng nhiệt
độ của hỗn hợp, năng lượng nhiệt này làm vật liệu chuyển sang trạng thái lỏng trướckhi được chuyển tới buồng phun ép Dưới lực ép của quá trình bơm, vật liệu được đùn
ép vào khuôn, hệ thống van một chiều được sử dụng để ngăn vật liệu bị nén ngược lạitrống chứa Khi vật liệu đã được nén vào trong khuôn, bơm được giữ nguyên vị trí để
duy trì áp suất trong khuôn Khi vật liệu đã đông kết trong khuôn, bơm được di chuyểntheo chiều ngược lại để chuẩn bị cho chu trình đùn ép sản phẩm tiếp theo Ở Hình1.3b) cách sản xuất gần như tương tự, nhưng ở đây cách đưa vật liệu từ khi tạo hỗnhợp tới khi phun vào khuôn được dẫn bằng trục vít, dẫn động bởi motor và được gianhiệt thêm bên ngoài trục vít, tạo áp suất lớn hơn để phun khuôn các chi tiết phứctạp.[4]
Ưu điểm của các phương pháp này là khả năng tự động hóa cao, năng suất lớn,hiệu quả cao, phù hợp với loạt sản phẩm có số lượng lớn Phương pháp này có thể sửdụng để chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp Composite loại này được dùngnhiều trong các chi tiết 3D, các chi tiết công nghiệp phức tạp như các thiết bị điện,
Trang 17điện tử trên máy bay, hay các thiết bị điện dân dụng, công nghiệp… bình đựng xăngdầu, các dung dịch kiềm hay axit, các chi tiết phức tạp trên oto, moto, tàu thủy hay cácthiết bị điện, điện tử trên máy bay, tên lửa…vv.
Đặc trưng cho loại sợi này là Composite loại Bulk Moulding Compound (BMC)
So với sợi loại dài thì BMC có nhiều tính chất tốt hơn như: độ cứng, độ bền phân bốgần như đều theo các hướng, khả năng chống ăn mòn cao, khả năng kháng hóa chấtcao, tính cách nhiệt hoặc cách điện tốt và đặc biệt là có thể chế tạo cho nhiều chi tiếtcần độ phức tạp cao hơn, chi phí
cần độ phức tạp cao hơn, chi phí sản xuất lại rẻ hơn.sản xuất lại rẻ hơn
1.2.3
1.2.3 Các kết quả Các kết quả thí nghiệm về cơ thí nghiệm về cơ tính của vật liệu ctính của vật liệu compositeomposite
Các kết quả thí nghiệm dưới đây sẽ cho ta thấy rõ hơn về tính chất cơ học củamột số loại composite, và sự ảnh hưởng bởi các thành phần cấu tạo tới tính chất củacomposite Đồng thời đây cũng là các số liệu dùng để kiểm chứng với mô hình tínhtoán sẽ xây dựng ở chương 3
a Thông số tính chất cơ học của một vài lo
a Thông số tính chất cơ học của một vài loại composite tham khảo nhà sản xuấtại composite tham khảo nhà sản xuấtBảng 1.1
Bảng 1.1 - Tính chất cơ học của một vài loại composite [6] - Tính chất cơ học của một vài loại composite [6]
Trang 18Bảng 1.2Bảng 1.2 - Tính chất cơ học của - Tính chất cơ học của một số loại sợi và nền [6]một số loại sợi và nền [6]
Thông
Các kết quả trên đây là các kết quả thí nghiệm của nhà sản xuất đưa ra Bảng 1.1
là bảng thông số các tính chất cơ học của một số loại composite được làm từ các thành phần
phần vật vật liệu liệu ở ở Bảng Bảng 1.2 1.2 Ở Ở Bảng 1.1 Bảng 1.1 là là các tcác thông hông số số tính tính chất chất của của ba ba loại loại compositecompositesợi dài, đặc điểm nổi bật của composite loại này là module đàn hồi theo phương dọc vàngang chênh lệch nhau rất lớn, với loại Glass/Epoxy thì module đàn hồi phương dọc(38.6 GPa) gấp gần 5 lần module đàn hồi theo phương ngang (8.27 GPa), loạiBoron/Epoxy module đàn hồi phương dọc lớn gấp 11 lần phương ngang và tương tựloại Graphite/Epoxy là gấp 18 lần Như vậy ta thấy rằng đối với loại composite sợi dài,hướng sợi có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất cơ học của vật liệu, và theo phương
hướng sợi thì composite sẽ có những cơ tính tốt hơn Điều đó dẫn đến việc cần phảikết hợp nhiều tấm composite có hướng sợi khác nhau nhằm tạo nên cơ tính tốt chocomposite ở các hướng bất kì
Ở đây ta chú ý tới Bảng 1.2, các thành phần như sợi glass, nền epoxy, nền polyamide
polyamide là là vật vật liệu liệu isotropic isotropic còn còn sợi sợi graphite graphite là là vật vật liệu liệu transversely transversely isotropic isotropic TứcTức
là đối với vật liệu isotropic, module đàn hồi hay tính chất cơ học của vật liệu theo phương
phương dọc dọc trục trục và và phương phương ngang ngang là là như như nhau nhau trong trong khi khi đối đối với với loại loại vật vật liệuliệutransversely isotropic thì module đàn hồi theo phương dọc trục là lớn hơn nhiều so với phương ngang (ví dụ
phương ngang (ví dụ sợi Graphite có module sợi Graphite có module đàn hồi theo phưđàn hồi theo phương dọc trục - 230 ơng dọc trục - 230 GPa)GPa)lớn hơn gấp 10 lần theo phương ngang – 22 GPa) Vì vậy khi định nghĩa vật liệu để
Trang 19tính toán các tính chất của composite, phải định nghĩa đúng cho từng loại vật liệuisotropic và transverse isotropic này, đặc biệt là trong các ma trận độ cứng của vật liệu.
Các kết quả thí nghiệm về vật liệu composite ở trên sẽ dùng để so sánh, kiểmnghiệm kết quả với mô hình vật liệu composite sẽ xây dựng ở chương 3
b Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite sợi ngắn, hướng bất kì
Các thí nghiệm được trình bày trong phần này dùng vật liệu composite sợi ngắn
có tên gọi là Bulk Moulding Compound (BMC) với chiều dài sợi từ 6 – 50 mm, hướngsợi trong chi tiết là ngẫu nhiên Hai mẫu thí nghiệm được sản xuất theo hai phương pháp khác nhau
pháp khác nhau nhưng cùng nhưng cùng với một với một loại sợi loại sợi BMC, chi tiết BMC, chi tiết thứ 1 thứ 1 là mẫu 20F là mẫu 20F – Xmold– Xmoldđược sản xuất bằng cách đúc với khuôn hình chữ thập Chi tiết thứ hai là mẫu 20F –Injection plate được sản xuất bằng cách phun hỗn hợp sợi và nền vào khuôn
a) Xmold sample b) Injected plate Hình 1.4
Hình 1.4 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC
Thí nghiệm kéo hai mẫu chi tiết trên được thực hiện bởi N Le [7] với mục đích
là đo module đàn hồi theo các phương của chi tiết BMC Song song với đó là thínghiệm phân tích ảnh để thống kê các góc hướng sợi trên các mẫu, nhằm dự đoán ảnhhưởng của các góc hướng sợi tớ
hưởng của các góc hướng sợi tới module đàn hồi của vật li module đàn hồi của vật liệu BMC.iệu BMC
Hai chi tiết BMC có 20% thành phần khối lượng là sợi, chiếm 14% thành phầnthể tích composite, và các thành phần cơ bản này đều là vật liệu isotropic Các thông
số cơ bản của thành phần sợi và nền được thống kê như bảng dưới cùng các quy ước
về góc và phương của sợi trong chi tiết BMC được minh họa như hình 1.5 [8]
Trang 20Bảng 1.3Bảng 1.3 – Bảng thông số chi tiết mẫu BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén của N Le – Bảng thông số chi tiết mẫu BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén của N Le
Thành phần nền
Thành phần sợi
Module dọc trục của nền
Module dọc trục của sợi
Chiều dài sợi
Đường kính sợi
Phần trăm thể tích của sợi Polyester
chưa bão hòa (hạt Al22O33 – 80%wt)
E-Glass 6.5 6.5 GPa GPa 72 72 GPa GPa 6 6 mm mm 14 14 μm μm 0.14
Sau khi thí nghiệm kéo hai mẫu trên, N Le đã thống kê được các module đàn hồi củahai mẫu thí nghiệm 20F - Injected plate và 20F – Xmold, kết quả kéo theo phương dọc
và phương ngang của sợi được giới thiệu trong bảng sau:
Bảng 1.4Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate, - Kết quả thí nghiệm của N Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate,Xmold samples)
Thông Thông số số 20F 20F - - Xmold Xmold 20F 20F – – Injected Injected plate plate
E 11 (Gpa) (Gpa) 10.76 10.76 ± ± 0.67 0.67 9.75 9.75 ± ± 0.82 0.82
E 22 (Gpa) (Gpa) 9.24 9.24 ± ± 0.45 0.45 9.15 9.15 ± ± 0.52 0.52
Kết quả sau khi kéo hai mẫu là tương đối chính xác với sai số các lần đo là từ 4 –
8 % Không như composite sợi dài, tính chất đàn hồi của chi tiết composite sợi ngắntheo các phương 1 và 2 là gần như bằng nhau, tỉ số module đàn hồi E2c/ E1c là gần bằng
1 cho cả hai chi tiết 20F – Xmold và 20F – Injected plate Chứng tỏ đối với các chi tiếtđược làm từ composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì thì ảnh hưởng của hướng sợi tới tính
chất cơ học hay ứng xử của chi tiết không bị ảnh hưởng nhiều So với các chi tiết làm
từ composite sợi dài thì loại composite sợi ngắn không những cho các kết quả tốt hơn
về mặt cơ tính mà còn có thể sử
về mặt cơ tính mà còn có thể sử dụng để chế tạo được các chi tdụng để chế tạo được các chi tiết 3D phức tạp.iết 3D phức tạp
BMC được sản xuất bằng cách phun khuôn là chủ yếu nên hướng sợi ngẫu nhiêncủa vật liệu phần nào quyết định tới tính chất cơ học của chi tiết BMC Để tìm hiểuthêm về ảnh hưởng của hướng sợi N Le đã tiến hành đo hướng sợi của hai mẫu BMCtrên nhằm thấy rõ được ảnh hư
trên nhằm thấy rõ được ảnh hưởng của hướng sợi tới tíởng của hướng sợi tới tính chất cơ học của mẫu.nh chất cơ học của mẫu
Bằng phương pháp phân tích ảnh vi mô chi tiết composite để đo các hướng sợicủa hai mẫu trên N Le đã thống kê được các thông số về độ hướng sợi của hai mẫuBMC trên [9] Với các thông số về độ hướng sợi, bằng các cách rời rạc hóa các họ sợi
Trang 21đo được về các nhóm sợi theo góc, sẽ thu được biểu đồ độ hướng sợi của các nhóm sợitheo góc, và với các cách rời rạc khác nhau sẽ cho ra các biểu đồ hướng sợi khác nhaunhư hình 1.6 với quy ước về các góc hướng sợi như sau:
Hình 1.5Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7] - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7]
a) a) 20F 20F - - Injected Injected plate plate b) b) 20F 20F - - Xmold Xmold samplesampleHình 1.6
Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi của hai chi tiết BMC 20%wt ở 2D – Thống kê góc đo hướng sợi của hai chi tiết BMC 20%wt ở 2DTrên hình 1.6 mặc dù mẫu thí nghiệm BMC có góc hướng sợi là bất kì nhưng hướngchính vẫn là hướng phun sợi, tức là thẳng theo hướng phun sợi và phần lớn nằm ở góc phi =
phi = 0 độ 0 độ (chiếm tới (chiếm tới 28% ở 28% ở chi tichi tiết 20ết 20F – F – Injected plInjected plate, và ate, và 40% t40% trong chi rong chi tiết 2tiết 20F -0F Xmold) Phần sợi còn lại lệch ra các góc từ 30 đến 60 độ nhưng vẫn nằm trong mặt phẳng chi tiết (mặt phẳng 2D)
-0 5 10 15 20 25 30
9 90 0 6 60 0 3 30 0 0 0 3 30 0 6 60 0 9 90 0
Gó Góc p c phi hi φ φ (độ (độ))
Tỉ lệ sợi (%)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
9 90 - 0 -6 60 - 0 -3 30 0 0 0 3 30 0 6 60 0 9 90 0
Góc phi-φ φ (đ (độ) ộ)
Tỉ lệ sợi (%)
Trang 22a) a) 20F 20F - - Injected Injected plate plate b) b) 20F 20F - - Xmold Xmold samplesampleHình 1.7
Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3DHình 1.7 là biểu đồ các họ sợi bao gồm cả các góc lệch ngoài mặt phẳng của chi tiết, ở biểu
biểu đồ đồ này này ngoài ngoài các các góc góc phi phi là là các các góc góc lệch lệch giữa giữa trục trục chính chính tải tải và và hình hình chiếu chiếu trụctrụcchính sợi, còn có góc theta là góc lệch giữa trục chính sợi và mặt phẳng vuông góc vớimặt phẳng sợi (Hình 1.3) Ở biểu đồ 3D này, hướng chính theo mặt phẳng chi tiết vẫn
là 0 độ (theo hướng phun sợi), và các góc lệch theta ở 90 và 120 độ là phổ biến (theta bằng
bằng 90 90 độ độ tức tức là là sợi sợi nằm tnằm trên rên mặt phẳng mặt phẳng của của chi chi tiết tiết – – Hình Hình 1.5), 1.5), chứng chứng tỏ tỏ rằng rằng cáccácsợi hầu như vẫn nằm trong mặt phẳng chi tiết và chỉ lệch ra các góc với tỉ lệ nhỏ dù ở2D hay 3D
0 0
5 10 15
-90 -90-60-60 -30-30 00 3030 6060 9090
T ỉ l
ệ s ợ i ( % )
Góc phi (độ)
0 30 60 90 120
0 0
10 20 30 40
-90 -90 -60 -60 -30 -30 00 3030 6060 9090
T ỉ l
ệ s ợ i ( % )
Góc phi (độ)
0 30 60 90 120
Trang 23CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU
COMPOSITE
Có hai phương pháp mô hình hóa composite được trình bày ở đây là phương pháp
pháp mô mô hình hình bài bài toán toán theo theo lý lý thuyết thuyết composite composite đơn đơn hướng hướng và và phương phương pháp pháp mô mô hìnhhình
theo mô hình sợi ngắn, hướng sợi bất kì Phương pháp thứ nhất sẽ trình bày việc xâydựng mô hình bài toán composite 2D từ các thành phần sợi và nền bằng cách sử dụng
lý thuyết cổ điển về ứng suất – biến dạng Ở phương pháp thứ hai này sẽ dựa theo môhình đồng nhất của Mori – Tanaka để mô hình hóa composite từ các thành phần sợi vànền Kết quả đạt được của hai phương pháp trên là ta thu được module đàn hồi theocác phương của composite từ các thông
các phương của composite từ các thông số đầu vào của sợi số đầu vào của sợi và nền.và nền
2.1 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA THEO LÝ THUYẾT COMPOSITE SỢIĐƠN HƯỚNG
Với mô hình composite tấm mỏng, sợi đồng nhất hướng có các tính chất của sợi
và nền đã biết, mô hình composite xây dựng theo lý thuyết vật liệu composite cơ bảnđược đưa ra bởi Autar K Kaw [10] sẽ tính toán được các thông số cuối cùng của tấmcomposite từ các thông số cơ bản của hai thành phần của sợi và nền Quá trình môhình hóa này được mô tả thông qua sơ đồ sau:
Trang 24Theo giản đồ xây dựng trên, mô hình xây dựng composite sợi ngắn, cùng hướng
có các thông số đầu vào là các thông số tính chất cơ học của sợi và nền gồm có
, , , , , , , , , ,
f f m ff m ff m
V V E E v v , sau đó dựa vào lý thuyết vật liệu composite cơ bản để tính đượccác thông số tính chất cơ học của composite đơn hướng như E11, , EE22, , EE33, , GG12 – côngthức (2.1)
Nếu Nếu composite composite cần cần tính tính toán toán là là loại loại composite composite có có trục trục chính chính sợi sợi trùng trùng với với trụctrụcchính tải thì đó chính là kết quả các thông số tính chất cơ học của composite E11, E22, E33,,
G12
Nếu composite là Nếu composite là loại có loại có trục chính strục chính sợi lệch ợi lệch góc θ so góc θ so với trục chívới trục chính tải nh tải thì từ thì từ cáccácthông số ở bước trên ta xây dựng được ma trận độ cứng [Q] của composite (ma trận[Q] này là ma trận độ cứng của composite theo trục tọa độ địa phương) – công thức(2.2) Tiếp theo ta sẽ tìm được ma trận độ cứng thực [Qcc] của composite theo hệ trụctọa độ toàn cục bằng cách xoay ma trận độ cứng [Q] theo một góc theta (ma trận quaygóc theta [T]) – công thức (2.3) Từ ma trận độ cứng [Qcc], ta có được ma trận độ mềm[Scc] thông qua quan hệ [S] = [Q]-1, các thông số tính chất cơ học của composite E1c,,
E2c, E3c, G12c sẽ được tính từ các hệ số sẽ được tính từ các hệ số của ma trận độ mềm [Scủa ma trận độ mềm [Scc] theo công thức (2.4).2.1.1
2.1.1 Trường hợp vớTrường hợp với tấm có góc hưới tấm có góc hướng sợi trùng với trụng sợi trùng với trục chính tảic chính tải Nếu như
Nếu như composite đcomposite được ược cấu tạo cấu tạo từ từ nền nền và svà sợi đơn ợi đơn hướng hướng thẳng thẳng đều, đều, trục chínhtrục chínhtải trùng với trục chính của sợi
Hình 2.2Hình 2.2- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớp- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớpThì ta có thể tính được các thông số thể hiện cơ tính của tấm composite 2D vớicác đại lượng cho trước của nền và sợi theo lý thuyết cơ bản của composite như sau:
11
12 22
Trang 25E E E : là module đàn hổi của composite theo phương chính 1 và phương 2.
G G G G G : lần lượt là module cắt của sợi, nền và composite
Ma trận độ cứng của tấm được thể hiện thông qua quan hệ ứng suất - biến dạngtheo đinh luật Hooke Và vì vật liệu là đối xứng nên quan hệ ứng suất – biến dạng
trong trường hợp này thể hiện như sau:
11 111 1 1 122 11
22 221 1 2 222 11
1122 6666 1122
0000
1122 2211 22 22
vv vv
E Q
Để giải quyết các bài toán cho loại composite này trước tiên phải tìm được mốiquan hệ giữa ứng suất và biến dạng của tấm composite trong hệ toạ độ toàn cục vàcũng là hệ tọa độ của trục chính tải đó là ma trận độ cứng Q
Trang 26Để tìm được ma trận độ cứng Q , vì sợi có góc lệch so phương chính nên quan
hệ ứng suất - biến dạng từ hệ trục địa phương 123 phải được chuyển về quan hệ ứngsuất – biến dạng chung của tấm trong hệ toàn cục xyz thông qua việc quay ma trận độcứng của tấm
Trước tiên ta chuyển ứng suất từ hệ tọa độ toàn cục về hệ địa phương thông qua
ma trận [T]-1 - là ma trận quay sợi từ hệ địa phương 123 về hệ toàn cục xyz với gócquay theta
11 12
;;
x y xy
Trong đó [Q] là ma trận độ cứng của composite trong hệ địa phương 123
Mặt khác quan hệ biến dạng giữa hệ địa phương và toàn cục xyz là:
11
11 22
Trang 2744 44 22 22
1111 2222 1122 6666 11
1111 2222 6666 1122 12
1111 1122 6666 26
Tương tự ta cũng có ma trận độ mềmma trận độ mềm S theo quan hệ biến dạng - ứng suất:
Mô hình dự đoán tính chất của composite sợi ngắn, hướng bất kì được mô hìnhhóa theo mô hình Mori – Tanaka dựa trên sự làm việc của T Mori và K Tanaka [1].Phương pháp tiếp cận này sẽ dự đoán ứng xử của composite sợi ngắn, hướng bất kìtrong trường đàn hồi sử dụng ma trận độ hướng sợi [11] Quá trình mô hình hóa đượcđơn giản hóa theo giản đồ sau:
Trang 28Hình 2.4Hình 2.4 – Sơ đồ khối mô hình hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka – Sơ đồ khối mô hình hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka
Theo giản đồ trên, mô hình Mori – Tanaka cho mô hình composite sợi ngắn từcác thông số đầu vào là các thông số tính chất cơ học của sợi và nền gồm có
, , , , ,, ,, , , , , //
f f m ff m ff m
V V E E v v L d Sau đó dựa vào tính chất vật liệu isotropic của sợi, nền đểthành lập ma trận độ cứng của sợi [Lr ] và của nền [Lm], ma trận Eshelby [Sr ] [Phụ lụcA.1] Tiếp đến Mori – Tanaka sẽ xây dựng một ma trận độ cứng [L] của composite –công thức (2.5)
Nếu composite là sợi ngắn,có hướng sợi bất kì, ma trận độ cứng [Lc] của loại này
sẽ được tính thông qua việc xoay ma trận độ cứng [L] thông qua ma trận xoay độhướng sợi [Tr] - công thức (2.6) Sau đó từ ma trận độ cứng [Lc], ta tính được ma trận
độ mềm thông qua quan hệ [S] = [L]-1 và từ ma trận độ mềm [Sc] ta tính được cácthông số tính chất cơ học của composite từ các hệ số thành phần ma trận theo côngthức (2.7)
Nếu Nếu composite composite là là loại loại có có sợi sợi ngắn, ngắn, nhưng nhưng cùng cùng hướng hướng sợi sợi (một (một trường trường hợp hợp đặcđặc biệt
biệt của của loại loại sợi sợi ngắn, ngắn, hướng hướng bất bất kì) kì) Thì Thì ma ma trận trận [L] [L] cũng cũng chính chính là là ma ma trận trận độ độ cứngcứngcủa loại composite này và khi đó ta tìm được ma trận độ mềm [S] thông qua quan hệ
Trang 29[S] = [L]-1 Và các tính chất cơ học của composite được tìm ra thông qua các hệ số của
ma trận độ mềm này – công thức (2.7)
Các góc hướng sợi và hướng trục chính của composite trong phương pháp nàyđược quy ước như sau:
Hình 2.5Hình 2.5 – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi composite – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi compositeGiả sử trường vật liệu là isotropic, nếu biết được các thông số thành phần củasợi và nền gồm có V V E E v v L d f f, , m, , ff,, m,, ,ff, m, , // Ma trận độ mềm của sợi [Sr] và ma trận
độ mềm của nền [Sm] [11] Khi đó ma trận độ cứng của sợi [Lr] và của nền [Lm] đượctính theo quan hệ sau: [S] = [L]-1
Trong đó: [S] và [L] là nhữnTrong đó: [S] và [L] là những ma trận đối xứng.g ma trận đối xứng
Mô hình Mori – Tanaka sẽ dựa vào ma trận Eshelby – là ma trận được xây dựngdựa trên dạng hình học của sợi [Phụ lục A.1] để xây dựng ma trận độ cứng cho N họsợi trong hai trường hợp như sau
2.2.1
2.2.1 Composite Composite sợi sợi ngắn, ngắn, hướng hướng sợi sợi bất bất kìkì
Ma trận độ cứng của composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì được biểu diễn thôngqua hàm hướng sợi mô tả trong mô hình Mori – Tanaka như sau:
11 11
11
Trang 30Tr: là ma trận xoay của sợi, và được biểu diễn như sau:
22
ssiinn ccooss ccooss ccooss ssiinn ssiinn((2 ) 2 )ccooss ssiinn((2 ) 2 )ssiinn ssiinn((2 ) 2 )ccooss
ccooss ssiinn ccooss ssiinn ssiinn ssiinn((2 ) 2 )ssiinn ssiinn((2 ) 2 )ssiinn ssiinn((2 ) 2 )ccooss
00 ssiinn ccooss ssiinn ssiinn ccooss ssiinn ((11 22ccooss ))ssiinn ccooss ccooss ccooss ssiinn
ccooss ssiinn ssiinn ccooss ccooss ssiinn ccooss ssiinn 22 ssiinn((22 ))ssiinn((22 )) ((11 ccooss ))ssiinn ((11 22ccooss ))ccooss
00 ssiinn ccooss ccooss ssiinn ccooss ccooss ((11 22ssiinn ))ccooss ccooss ssiinn ssiinn ssiinn
ta sẽ tìm được ma trận độ mềm thông qua quan hệ: [S] = [L]qua quan hệ: [S] = [L]-1
Và tính được các thông số tính chất của composite sợi ngắn, hướng bất kì thông quaquan hệ sau:
2.2.2 Đối với Đối với composite sợi ngắncomposite sợi ngắn, sợi , sợi cùng hướngcùng hướng
Đây là trường hợp đặc biệt của loại sợi ngắn, hướng sợi bất kì, ở trường hợp nàycác sợi cùng có hướng như nhau Ma trận độ cứng khi đó được đơn giản hóa cho N họsợi như sau:
11 11
Trang 31CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU COMPOSITE Kết quả sau
Kết quả sau khi mô hkhi mô hình hóa ình hóa composite sợi composite sợi ngắn theo ngắn theo mô hình Mmô hình Mori – ori – Tanaka sẽTanaka sẽthu được các kết quả về module đàn hồi của composite gần như chính xác nhất Cácbước kiểm nghiệm và so sánh kết quả của mô hình với các kết quả thí nghiệm sau sẽ
cho thấy được sự tin cậy của mô hình đã xây dựng và tạo thêm một công cụ trong việc
mô hình hóa nhanh hơn nhờ giao diện mô hình được xây dựng trên ứng dụng củamatlab Không những thế các kết quả kiểm nghiệm của mô hình sẽ được sử dụng để
mô phỏng trong các chương trình phần tử hữu hạn phục vụ cho việc phân tích ứng xửcủa composite nhanh và chính xác hơn
3.1 SỢI ĐƠN HƯỚNG (UNIDIRECTIONAL FIBER)3.1.1 Chương trình tính toán tính chất cơ học của composite sợi unidirectional
Mô hình xây dựng giao diện chương trình tính toán trên Matlab dựa vào mô hình bài toán
bài toán đã trình đã trình bày ở bày ở phần 2.2 phần 2.2 Phần tiếp Phần tiếp theo đây theo đây sẽ trình sẽ trình bày trình bày trình tự các tự các bước xâybước xâydựng giao diện, và các bước thiết lập thông số dùng để tính toán các module đàn hồicho composite dựa vào các thông s
cho composite dựa vào các thông số đầu vào của các thành phần.ố đầu vào của các thành phần
Với phần mềm matlab, chúng ta sử dụng công cụ GUIDE để thiết lập giao diệntính toán cho bài toán Trình tự, cách trình bày và chi tiết các bước thực hiện trênMatlab được trình bày chi tiết ở Phụ lục A.2 Sau khi hoàn tất giao diện chương trình
là bước tính toán thử để kiểm tra chương trình và kiểm nghiệm một vài kết quả với cáckết quả đã có của một số loại composite trình bày ở phần 1.2.3 Dưới đây là các bướctính toán với chương trình tính toán trên giao diện GUIDE Matlab
Bước 1Bước 1: Đăng nhập vào giao diện chính của chương trình, chọn loại composite: Đăng nhập vào giao diện chính của chương trình, chọn loại composite
có hướng sợi là Unidirectional
Trang 32Bước 2Bước 2: Cửa sổ mới xuất hiện, ta chọn loại cấu trúc sợi của composite: Cửa sổ mới xuất hiện, ta chọn loại cấu trúc sợi của composite
Bước 3Bước 3: Cửa sổ tính toán hiện ra, ta nhập các thông số đầu vào và bắt đầu tính toán: Cửa sổ tính toán hiện ra, ta nhập các thông số đầu vào và bắt đầu tính toán
Trang 33Để kiểm chứng chương trình xây dựng trên, ta so sánh kết quả của chương trìnhvới các số liệu về thành phần composite có sẵn và composite có sẵn ở bảng kết quả thínghiệm – Bảng 1.1 và Bảng 1.2 Hai loại composite được dùng để kiểm chứng trong phần này là composite Glass/Epoxy và composite Graphite/Epoxy.
Với composite Glass/Epoxy 45 % sợi, các thông số đầu vào của vật liệu sợi vànền cần thiết để kiểm chứng với mô hình như sau:
Module đàn hồi theo phương dọc của sợi: Er = 85 GPaModule đàn hồi theo phương ngang của sợi: Er = 85 GPaModule đàn hồi của nền: Em = 3.4 GPa
Hệ số Poisson của sợi: υ11 = 0.2
Hệ số Poisson của nền: υ00 = 0.3Chiều dài của sợi: L = 6
Chiều dài của sợi: L = 6 mmmmĐường kính của sợi: d = 0.02 mm
Tỷ lệ sợi: f = 0.45Sau khi có đầy đủ các thông số cần thiết, nhập các thông số vào giao diện chươngtrình tính toán trên GUIDE để bắt đầu chương trình tính
Sau đó nhấn nút “Tính toán” để chương trình xuất kết quả:
Trang 34Kết quả thu được từ chương trình mô hình hóa cho loại composite 45% sợi như sau:
Young’s module phương dọc trục chính 1: E11 = 40 GPa
Young’s module theo phương 2 và 3: E22 = E33 = 7.74 GPa
Shear module: G12 = 3.17 GPa
So sánh kết quả của chương trình trên với kết quả thực nghiệm của cùng một loại môhình composite Glass/Epoxy đã trình bày ở mục 1.2.3
Bảng 3.1Bảng 3.1 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loại – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô hình composite loạiGlass/Epoxy 45% sợi
Thông số
Kết quả mô hình composite Glass/Epoxy
Thực nghiệm chi tiết composite Glass/Epoxy
Sai số chính
Nhận Nhận xét: xét: Kết Kết quả quả khi khi giải giải với với mô mô hình hình là là tương tương đối đối chính chính xác, xác, sai sai lệch lệch 3.5% 3.5% theotheo phương trục chính là
phương trục chính là chấp nhận được Sai lệcchấp nhận được Sai lệch về kết quả ở h về kết quả ở đây chủ yếu là do đây chủ yếu là do mô hìnhmô hình
dự đoán tính toán giả sử cho hướng của các chi tiết sợi là đồng nhất nhưng thực tế môhình thực vẫn có một số sợi nằm lệch những giá trị nhỏ so với phương chính của mặt phẳng
phẳng kéo, kéo, làm làm cho cho kết kết quả quả chương chương trình trình trong trong phương phương pháp pháp mô mô hình hình hóa hóa theo theo mômôhình Mori – Tanaka có thể có sự sai số
Trang 35 Với composite Glass/Epoxy 70% sợi, các thông số đầu vào của vật liệu sợi vànền cần thiết để kiểm chứng với mô hình như sau:
Module đàn hồi theo phương dọc của sợi: EL = 230 GPaModule đàn hồi theo phương ngang của sợi: ET = 22 GPaModule đàn hồi của nền: Em = 3.4 GPa
Hệ số Poisson của sợi: υ11 = 0.3
Hệ số Poisson của nền: υ00 = 0.3Chiều dài của sợi: L = 6
Chiều dài của sợi: L = 6 mmmmĐường kính của sợi: d = 0.02 mm
Tỷ lệ sợi: f = 0.7
Và kết quả thu được từ chương trình mô hình hóa cho composite Graphite/Epoxy
70 % sợi như sau:
Young’s module phương dọc trục chính 1: E11 = 162 GPa
Young’s module theo phương 2 và 3: E22 = E33 = 10.1 GPa
Shear module: G12 = 6.86 GPa
So sánh kết quả thu được ở trên với kết quả thực nghiệm mô hình compositeGraphite/Epoxy có các thông số về tính chất cơ học đã trình bày ở mục 1.2.3 ta cóđược bảng so sánh sau: