Thiết kế và xây dựng phần mềm dự đoán ứng xử của vật liệu composite bằng phương pháp đa cấp độ báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ktgt 2013 30

Nội Dung 2 : Thiết kế phần mềm bằng ngôn ngữ lập trình Matlab mô tả tính chất cơ học của vật liệu composite THEO các thông số THÀNH PHẦN .... Các phần mềm phần tử hữu hạn hiện nay như Ab

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: “Thiết kế và xây dựng phần mềm dự đoán ứng xử của vật liệu

composite bằng phương pháp đa cấp độ”

Mã số đề tài: T-KTGT-2013-30

Thời gian thực hiện: từ tháng 5 năm 2013 đến tháng 5 năm 2014

Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Thị Tuyết Nhung

Cán bộ tham gia đề tài: TS Nguyễn Thế Hoàng

ii

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 3/2014

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)

1 TS Lê Thị Tuyết Nhung

Địa chỉ cơ quan: Bộ môn Hàng Không, Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp HCM 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp Hồ Chí Minh

2 TS Nguyễn Thế Hoàng

Địa chỉ cơ quan: Bộ môn Hàng Không, Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp HCM 268 Lý Thường Kiệt, Q.10, Tp Hồ Chí Minh

iii

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

Phần 1 Các kết quả đạt được theo nội dung đã thuyết minh đăng ký 3

1.1 Nội Dung 1 : Tìm hiểu lý thuyết về mô hình micro-macro và lựa chọn mô hình phù hợp 3

1.2.1 Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite BMC của N Le [9] 3

1.2.1 Lựa chọn mô hình đồng nhất đa cấp độ (multi scale) cho vật liệu composite sợi ngắn 6

1.2 Nội Dung 2 : Thiết kế phần mềm bằng ngôn ngữ lập trình Matlab mô tả tính chất cơ học của vật liệu composite THEO các thông số THÀNH PHẦN 6

1.2.1 Mô hình Mori-Tanaka cho composite sợi ngắn, có hướng bất kì 6

Chương trình tính toán tính chất cơ học của composite sợi random orientation 9

3.2.2 Đánh giá kết quả mô hình và so sánh với số liệu thực nghiệm vật liệu BMC 11

1.3 Nội Dung 3 : Dùng luật ứng xử của vật liệu là kết quả đầu ra của bước 2 để đưa vào phần mềm ABAQUS 12

Bước 3: Điều kiện biên và tải tác dụng lên chi tiết 13

1.4 Nội Dung 4 : Viết báo cáo hội nghị Khoa học công nghệ ĐHBK, bài báo tạp chí trong nước 15

PHẦN 2: Các kết quả mới, nổi bật 16

PHẦN 3: Các kiến nghị sử dụng kết quả đã đạt được 17

PHẦN 4: Báo cáo kinh phí 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

PHỤ LỤC A.1 22

PHỤ LỤC A.2 24

iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC 3

Hình 1.2 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [9] 4

Hình 1.3 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D 5

Hình 1.4 – Sơ đồ khối mô hình hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka 7

Hình 1.5 – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi composite 8

Hình 1.6 – Mô phỏng chi tiết cánh NACA 0012 12

Hình 1.7 – Ứng suất Mises phát triển trên chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi 14

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.3 – Bảng thông số chi tiết mẫu BMC dùng trong thí nghiệm kéo nén của N Le 4

Bảng 1.1 - Kết quả thí nghiệm của N Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate, Xmold samples) 5

Bảng 1.2 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F Injected plate) 11

Bảng 1.3 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F-Xmold) 11

Bảng 1.4 – Thông số vật liệu chi tiết cánh làm bằng composite Glass/Epoxy 45% sợi 13

Bảng 1.5 – Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị loại composite Glass/Epoxy ở các tỉ lệ sợi khác nhau 14

Bảng 1.6 – Các khoản chi phí đề tài 18

Bảng 1.7 – Khoản 1: Công lao động (Đơn vị: Ngàn đồng) 19

Bảng 1.8 –Khoản 5: Chi khác (Đơn vị: Ngàn đồng) 19

1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

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

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

Vấn đề mô hình hoá đồng nhất vật liệu đa cấp độ vi mô-vĩ mô (micro-macro) đã được nghiên cứu từ khoảng 30 năm trở lại đây trên thế giới, do nhu cầu ứng dụng ngày càng nhiều của vật liệu composite trong các ngành công nghiệp năng lượng cũng như giao thong (Mori-tanaka 1973 [1]) Tuy nhiên ở Việt Nam mô hình này chưa được phát triển

Ngành công nghiệp điện, ô tô và máy bay rất cần sử dụng phần mềm cho pháp dự đoán tính chất cơ học cũng như hư hỏng của các chi tiết chế tạo, hiện nay có một số công ty ở Pháp và Đức đang tiến hành nghiên cứu xây dựng phần mềm dựa trên mô hình đa cấp độ nhằm tối ưu hoá việc sản xuất các chi tiết máy composite (Plastic Omnium, Schneider Electric) [2], [3] Đối với ngành hàng không nói chung và thiết kế

Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về mô hình micro-macro và lựa chọn mô hình phù hợp

với loại vật liệu sử dụng (BMC)

Nội dung 2: Thiết kế phần mềm (bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, Fortran…) cho phép

mô tả tính chất cơ học của vật liệu composite xử dụng phụ thuộc vào các thông số đầu vào: tỷ lệ sợi/ nhựa , tính chất cơ học của sợi và nhựa ( Môdun Young, hệ số poisson)

Nội dung 3: Dùng luật ứng xử của vật liệu là kết quả đầu ra của bước 2 để đưa vào

phần mềm ABAQUS (có thể viết một modun ứng dụng để tích hợp vào phần mềm ABAQUS)

Nội dung 4: Viết báo cáo hội nghị Khoa học công nghệ ĐHBK, bài báo tạp chí trong

nước

uả thí nghi

hiệm được t

k Moulding

t là ngẫu nnhưng cùngằng cách đúược sản xuấ

Uả ĐạT Đ

giả xin đượ

g đă nêu tro

M HIểU LÝ HÌNH PHÙ iệm trên vậ

trình bày tr

g Compounnhiên Hai m

ợi tới modu20% thành thành phần

ĐƯợC TH

ợc trình bàyong phần tổn

MC, chi tiết t

ữ thập Chihợp sợi và

) Injected p

u composite

thực hiện b tiết BMC

g sợi trên cácủa vật liệulượng là sợ

ẫu 20F – Xm

ai là mẫu 2huôn

đích

à thí

n ảnh

phần hông

4

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 [9]

Bảng 1.1 – 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 dài sợi Chiều kính sợi Đường % thể tích của sợi

Polyester E-Glass 6.5 GPa 72 GPa 6 mm 14 µm 0.14

Bằng phương pháp phân tích ảnh vi mô chi tiết composite để đo các hướng sợi của hai mẫu trên N Le đã thống kê được các thông số về độ hướng sợi của hai mẫu BMC trên [9] Với các thông số về độ hướng sợi, bằng các cách rời rạc hóa các họ sợi

đo được về các nhóm sợi theo góc, sẽ thu được biểu đồ độ hướng sợi của các nhóm sợi theo góc, và với các cách rời rạc khác nhau sẽ cho ra các biểu đồ hướng sợi khác nhau như hình 1.7 với quy ước về các góc hướng sợi như sau:

Hình 1.2 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [9]

ệm của N L

số 20F - X

pa) 10.76 ± pa) 9.24 ±

1c 0.8

số tỉ lệ -cơ sợi sẽ là d

h chung của

ệu thí nghiệm

0 90

0 3 6 9 1

hướng sợi h

0 10 20 30 40

tiết BMC 20

F – Injected

9.75 ± 0.82 9.15 ± 0.52 0.95

h phần củavào của phomposite sa

để chứng m

0 0 0

‐90 ‐60 ‐30

Góc

F - Xmold BMC 20%w

au khi “đồnminh tính ch

0 30 60 9

c phi (độ)

sample

wt ở 3D dule đàn hồiheo phương

ected plate,

và kết quả

ự đoán ứng

ng nhất hóahính xác của

0 90

0 30 60 90 12

a mô

0 0 0 20

thông số đầu vào của sợi và nền Như vậy mô hình Mori-Tanaka sẽ được cụ thể hóa

trong phần thiết kế chương trình ở nội dung tiếp theo

MATLAB MÔ Tả TÍNH CHấT CƠ HọC CủA VậT LIệU COMPOSITE THEO CÁC THÔNG Số THÀNH PHẦN

1.2.1 Mô hình Mori-Tanaka cho composite sợi ngắn, có hướng bất kì

Mô hình dự đoán tính chất của composite sợi ngắn, hướng bất kì được mô hình hóa 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 kì trong trường đàn hồi sử dụng ma trận độ hướng sợi [11] Quá trình mô hình hóa được đơn giản hóa theo giản đồ sau:

7

Hình 1.4 – 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 từ các thông số đầu vào là các thông số tính chất cơ học của sợi và nền gồm có

V V E E v v L d Sau đó dựa vào tính chất vật liệu isotropic của sợi, nền để thành lập ma trận độ cứng của sợi [Lr] và của nền [Lm], ma trận Eshelby [Sr] [Phụ lục A.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 độ hướng 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 các thông số tính chất cơ học của composite từ các hệ số thành phần ma trận theo công thức (2.7)

Các góc hướng sợi và hướng trục chính của composite trong phương pháp này được quy ước như sau:

Ma trận xoay [Tr]

E1, E2, E3, G12

Ma trận độ ứng của composite [Lc]

Sợi ngắn, hướng bất kì

Sợi ngắn, cùng hướng

Ma trận độ cứng [Lm], [Lr],

ma trận Eshelby [Sr]

Ma trận độ cứng composite [L]

Kết thúc

Ma trận độ mềm của composite [Sc]

Góc θ, φ

V f , V m , E f , E m

v f , v m , L/d

8

Hình 1.5 – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi composite

Giả sử trường vật liệu là isotropic, nếu biết được các thông số thành phần của sợi và nền gồm có V V E E v v L d f, m, f, m, , , /f 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] được tính theo quan hệ sau: [S] = [L]-1

Trong đó: [S] và [L] là những ma trận đối xứng

Mô hình Mori – Tanaka sẽ dựa vào ma trận Eshelby – là ma trận được xây dựng dựa trên dạng hình học của sợi [Phụ lục A.1] để xây dựng ma trận độ cứng cho N họ sợi trong hai trường hợp như sau

Ma trận độ cứng của composite sợi ngắn, hướng sợi bất kì được biểu diễn thông qua hàm hướng sợi mô tả trong mô hình Mori – Tanaka như sau:

1 1

cos sin cos sin sin sin(2 )sin sin(2 )sin sin(2 )cos

0 sin cos sin sin cos sin (1 2cos )sin cos cos cos sin

cos sin sin cos cos sin cos sin sin(2 )sin(2 ) (1 cos )sin (1 2cos )cos

Sau khi tính được ma trận độ cứng của composite bằng cách mô hình đồng nhất

ta sẽ tìm được ma trận độ mềm thông qua quan hệ: [S] = [L]-1

Và tính được các thông số tính chất của composite sợi ngắn, hướng bất kì thông qua quan hệ sau:

Chương trình tính toán tính chất cơ học của composite sợi random orientation

Composite sợi random orientation được mô hình hóa thông qua mô hình Mori – Tanaka trên phần mềm matlab Thông qua các lý thuyết về mô hình sợi ngắn, có hướng đã mô tả ở phần trên, phần này sẽ trình bày kết quả mô hình hóa, so sánh và kiểm nghiệm với các thông số thực nghiệm đã nêu ở phần 1

Với phần mềm matlab, công cụ GUIDE sẽ cho phép thiết lập giao diện tính toán cho bài toán mô hình hóa Sau khi hoàn tất giao diện chương trình, kết quả sẽ được kiểm nghiệm với các kết quả đã có của một số loại composite

Dưới đây là các bước tính toán với chương trình tính toán trên Gui matlab:

Bước 1: Đăng nhập vào giao diện chính của chương trình, chọn loại composite sợi

random orientation

10

Bước 2: Cửa sổ mới xuất hiện yêu cầu ta chọn loại cấu trúc sợi (ở đây chỉ có một loại

cấu trúc sợi là sợi hình ellipse)

Bước 3: Cửa sổ tính toán chính hiện ra và yêu cầu ta nhập các thông số đầu vào để bắt

đầu tính toán

11

Bước 4: Sau khi nhập đủ dữ liệu đầu vào, nhấn nhút tính toán Kết quả sẽ hiển thị ở

mục output

3.2.2 Đánh giá kết quả mô hình và so sánh với số liệu thực nghiệm vật liệu BMC

Các kết quả của chương trình tính toán được xây dựng trên mô hình sẽ được kiểm nghiệm với các kết quả thực nghiệm tương ứng với hai mô hình như sau

Bảng 1.3 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC

Kết quả thực nghiệm mẫu 20F-Injected [7]

Sai số chính giữa mô hình 20F-Injected 3D và thực

Kết quả thực nghiệm mẫu 20F-Xmold [7]

Sai số chính giữa mô hình 20F-Xmold 3D và thực

nghiệm

bảng 3.12 v

c nghiệm là

ận được Sa

c sợi, nhưnhướng sợi đhương trình

à rất khả th

G 3 : DÙN

C 2 Để ĐƯA

rình bày vi/Epoxy, nhưcùng một

ả mô phỏng

t quả tin cậ

tế Ngoài r

à một ứng dhọc từ các t

Hình 1.6

8.8 8.25

g ứng suất

ậy để lựa ch

ra việc mô dụng thiết ththông số thà

6 – Mô phỏ

9.24 9.24

3 ta thấy kthấp Các

u sinh ra dovẫn có nhữn

ỏng chi tiết

4 ± 0.45

4 ± 0.45

ết quả sai lkết quả ở 2

o việc rời rạ

ng sợi nằm

ựng dựa trê

ủA VậT LIệ BAQUS

t của một c

ần phần trăms/Epoxy B

mô hình cán

ật liệu thỏaliệu compoviệc xây dựược xây dựn

cánh NACA

0.

6

lệch của ch2D hay 3D

ạc hóa các tngoài hay

ên mô hình

ệU LÀ KếT

chi tiết cán

m về thành pBằng phần

nh composi

a mãn đủ cáosite ở các tựng chương

có góc sai k

Mori – Tan

T QUả ĐầU

nh bằng vật phần sợi vàmềm hữu ite Glass/Ep

ác điều kiệ

tỉ lệ thành p

g trình tính 3.1.1

12

tính

ai số ướng khác

naka

U RA

liệu

à nền hạn poxy

ện áp phần toán

13

Bước 1: Chọn vật liệu sợi thủy tinh Glass/ nhựa Epoxy với tỷ lệ sợi tùy mong

muốn của nhà sản xuất Dùng phần mềm mô hình hóa đa cấp độ tính toán ra các thong

số vật liệu của composite

Các thông số vật liệu về cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi được thống kê theo bảng sau:

Bảng 1.5 – Thông số vật liệu chi tiết cánh làm bằng composite Glass/Epoxy 45% sợi

E1 (GPa) E2 (GPa) E3 (GPa) G12 (GPa) G13 (GPa) G23 (GPa)

Độ bền kéo theo phương ngang (MPa)

Độ bền nén theo phương ngang (MPa)

Module cắt phương dọc (MPa)

Module cắt phương ngang (MPa)

Bước 2: Nhập các thông số trên vào chương trình tính toán phần tử hữu hạn cho

cánh trong phần mềm ABAQUS để tính toán cho các loại vật liệu khác nhau (*% thể tích sợi khác nhau)

Bước 3: Điều kiện biên và tải tác dụng lên chi tiết

Ví dụ : Mô hình cánh được ngàm chặt một đầu và giả sử tổng hợp lực áp suất tác dụng lên mặt trên cánh là P = 1 atm = 0.101325 Mpa (N/mm2)

Bước 4: Đánh giá kết quả và Ứng dụng của phần mềm mô hình hóa đa cấp

độ Mori-Tanaka

¾ Hình ảnh về phân bố Ứng suất S Mises trên cánh của vật liệu Glass/Epoxy 45% sợi

Chuyển vị lớn nhất (mm)

Vị trí ứng suất max theo % chord (mm)

Đánh giá: Qua mục này tác giả muốn chỉ rõ mô hình dự đoán đa cấp độ cho

phép người dung có được các thong số cơ học của composite để đưa vào tính toán thiết

kế Vật liệu composite glass/ epoxy có trên thị trường thường là 45% sợi, do đó nếu người thiết kế, vì lý do kỹ thuật muốn sử dụng loại vật liệu có tỷ lệ sợi khác mà không

có các kết quả thực nghiệm thì sẽ không phân tích bền được kết cấu Với sự kiểm

15

chứng phân tích kết cấu cánh như trên cho ta thấy ứng dụng thiết thực của phần mềm

dự đoán ứng xử composite đa cấp độ

1.4 NộI DUNG 4 : VIếT BÁO CÁO HộI NGHị KHOA HọC CÔNG NGHệ ĐHBK, BÀI BÁO TạP CHÍ TRONG NƯớC

Với các kết quả nghiên cứu đã đạt được, tác giả đã viết bài báo cáo cho hội nghị Khoa Học Công Nghệ lần thứ 13 – Đại học BK TPHCM và bài báo đã được chọn đăng trong Tạp chí Khoa Học Công Nghệ Giao thông Vạn Tải, ISN:1859-4263, pp175-178,

số 7+8-9/2013