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 thời gian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt và tất nhiên mô h

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

BÙI THỊ MẬN

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI TỔ ONG

CHỊU TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Nguyên - Năm 2019

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-BÙI THỊ MẬN

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE LÕI TỔ ONG

CHỊU TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS DƯƠNG PHẠM TƯỜNG MINH

2 TS TRẦN NGỌC GIANG Thái Nguyên - Năm 2019

Trang 3

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Thị Mận

Đề tài luận văn: Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số:

Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 02/6/2019 với các nội dung sau:

Thái Nguyên, ngày tháng 6 năm 2019

PGS.TS Dương Phạm Tường Minh

TS Trần Ngọc Giang

Bùi Thị Mận

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Vũ Ngọc Pi

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Bùi Thị Mận

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

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Dương Phạm Tường Minh và TS Trần Ngọc Giang Ngoài các thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

Tác giả luận văn

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo PGS.TS Dương Phạm Tường Minh và TS Trần Ngọc Giang đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Khoa Cơ khí, bộ môn Thiết kế cơ khí, các phòng ban chức năng của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

Tác giả luận văn

Trang 6

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

Trang 7

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

Trang 8

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

uq, vq, wq Các chuyển vị của một điểm q(x, y, z)

u, v, w Các chuyển vị của điểm p(x, y, 0)

Trang 9

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

Trang 10

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

Trang 11

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

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau

để tạo nên một vật liệu có đặc tính trội hơn hẳn đặc tính của các vật liệu thành phần Một trong các loại vật liệu được sử dụng phổ biến hiện nay là các kết cấu tấm composite sandwich Đại diện cho dạng kết cấu tấm composite kiểu này có thể kể đến là tấm composite lõi tổ ong, chúng được sử dụng khá rộng rãi trong các ngành công nghiệp (như xây dựng, đóng tàu, chế tạo ôtô, hàng không, vũ trụ…) nhờ các ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các môi trường khắc nghiệt Chính vì vậy mà cần thiết phải tính toán và dự đoán được ứng xử cơ học của loại vật liệu này nhằm sử dụng tối ưu các ưu điểm của chúng Để giải quyết được vấn đề này, cần phải tiến hành một loạt các thí nghiệm với nhiều kết cấu lõi tổ ong khác nhau Việc làm này sẽ rất tốn kém

và tiêu tốn khá nhiều thời gian, bởi vậy cần thiết phải tiến hành mô phỏng số cho các loại kết cấu composite dạng 3D này Hiện nay, việc thiết kế tính toán

mô phỏng số cho các kết cấu composite thường sử dụng các công cụ FEM bằng các phần mềm thương mại (Ansys, Abaqus…)

Tuy nhiên, việc mô phỏng các kết cấu composite kiểu như vậy rất tốn kém và không hiệu quả, thậm chí là không thể thực hiện được đối với các tấm

có kích thước lớn (vì đây là một tấm sandwich 3D rất phức tạp nên thời gian xây dựng mô hình hình học, thời gian cho sự chuẩn bị mô hình phần tử hữu hạn và công việc tính toán mô phỏng số mất rất nhiều thời gian) Vì vậy mà cần thiết phải phát triển một phương pháp mới nhằm rút ngắn thời gian tính toán phục vụ thiết kế, mô phỏng cho các kết cấu này mà vẫn đảm bảo độ

chính xác theo yêu cầu Phương pháp này được gọi là xây dựng mô hình

đồng nhất hóa, mô hình này được xây dựng để thay thế tấm composite lõi tổ

Trang 13

ong 3D shell bằng một tấm đồng nhất lõi 3D solid tương đương (Hình 1.1),

nhằm giảm đáng kể thời gian tính toán cũng như thời gian xây dựng mô hình

Hình 1.1 Mô hình đồng nhất hóa tấm composite lõi tổ ong

Với mô hình đồng nhất hóa dạng này, có thể nhận thấy ngay rằng thời gian cũng như khối lượng tính toán sẽ giảm đi rõ rệt và tất nhiên mô hình này hoàn toàn có thể ứng dụng được dễ dàng cho các kiểu tấm composite phức tạp làm bằng các vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong các lĩnh vực như: bao bì, xây dựng, tàu thủy, ô tô hay hàng không

Từ những lý do trên, có thể thấy rằng việc đặt vấn đề nghiên cứu và xây dựng được mô hình đồng nhất hóa cho tấm composite lõi tổ ong là rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn Sự thành công của phương pháp này sẽ có tính đột phá, cho phép mở ra một tiềm năng về mô phỏng số cho các cấu trúc tấm composite phức tạp, thực tế được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tại Việt Nam cũng như trên thế giới

Theo đó, đề tài “Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong

chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa” sẽ mở ra để nghiên cứu, giải

quyết các vấn đề trên

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, tính toán và phát triển một mô hình đồng nhất hóa để mô phỏng số cho tấm composite lõi tổ ong dạng 3D-shell bằng một tấm đồng nhất

Trang 14

3D-solid tương đương nhằm tiết kiệm thời gian tính toán (từ 50 đến 100 lần) cũng như thời gian xây dựng mô hình bài toán và chi phí

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Một kết cấu tấm composite lõi tổ ong phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bao gồm 2 lớp vỏ có cấu tạo là tấm nhiều lớp rất bền và chắc kết hợp với một lớp lõi tổ ong làm bằng giấy tạo thành tấm sandwich rất nhẹ và bền Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính toán cho tấm composite lõi tổ ong có vỏ là tấm nhiều lớp và lõi làm bằng vật liệu trực hướng, và từ đó có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các loại tấm composite lõi

tổ ong được làm từ các loại vật liệu khác nhau

4 Kết quả đạt được

- Đề tài đã nghiên cứu xây dựng được mô hình đồng nhất hóa lõi solid cho tấm composite lõi tổ ong 3D-shell chịu lực, từ đó có thể áp dụng để tính toán cho các loại tấm composite có kết cấu lõi tổ ong khác nhau và làm bằng các vật liệu khác nhau

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 phần

cuối cùng của luận văn

Trang 15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU

VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP

Ngày nay cùng với sự phát triển, tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao phục vụ cho những nhu cầu cuộc sống Trong các ngành

kỹ thuật, khoa học, công nghệ đặc biệt là các ngành công nghệ cao ngày càng

có sự phát triển vượt bậc do được ứng dụng những thành tựu, những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực Trong kỹ thuật mỗi bước tiến hay những ghi nhận về những đột phá trong việc phát triển, ứng dụng của vật liệu sẽ mang lại ý nghĩa

to lớn cho các ngành, lĩnh vực liên quan, nó luôn được xác định là nền tảng của mỗi sự phát triển, khi làm chủ được khoa học, kỹ thuật vật liệu thì đều có khả năng tiên phong trong phát triển lĩnh vực đó Có thể khẳng định không có một ứng dụng, tiến bộ khoa học kỹ thuật nào lại không khai thác, phát triển những ưu thế của vật liệu Trong một số lĩnh vực ngành như công nghệ hàng không, vũ trụ, công nghiệp đường sắt cao tốc, công nghiệp tầu biển…những lĩnh vực đó càng cho thấy nhu cầu về phát triển và ứng dụng của vật liệu sẽ mang lại ý nghĩa to lớn hơn bao giờ hết đối với sự phát triển của chúng

Để giảm tiêu thụ năng lượng và khí thải CO2 các kỹ sư luôn nỗ lực để thiết kế các vật liệu có độ cứng tốt, độ bền cơ học cao, khối lượng thấp Họ mong muốn rằng, tỷ lệ hiệu suất trên khối lượng phải càng cao càng tốt Chỉ

có vật liệu composite mới đáp ứng tốt được các yêu cầu này Chúng được sử dụng rộng rãi cả trong lĩnh vực vận tải (hàng không, hàng không vũ trụ, ô tô, hàng hải, đường sắt ) cũng như trong lĩnh vực giải trí và thể thao vì chúng cho phép đạt được hiệu suất mà các vật liệu thông thường không thể cung cấp được

Trang 16

Trong số các vật liệu composite được sử dụng phổ biến, tấm sandwich dành được sự quan tâm chú ý đáng kể Các cấu trúc tấm sandwich lõi rỗng là một sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền và tính nhẹ nên rất nhiều ứng dụng được làm bằng loại vật liệu này Chính vì vậy cần phải biết được các tính chất cơ học của chúng để dự đoán và tính toán ứng xử của chúng trong các môi trường cụ thể là điều hết sức cần thiết Kết cấu tấm sandwich thường bao gồm một số các phần kết hợp với nhau chính vì vậy cần phải kết hợp một cách thận trọng các thuộc tính của lớp vỏ với vật liệu lõi Việc kết hợp hai bộ phận này được thực hiện bằng cách dán hoặc hàn lại với nhau

So với vật liệu kinh điển thì vật liệu composite có rất nhiều ưu điểm nổi bật mà ta có thể nêu ra đó là: nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi riêng cao,

độ cách nhiệt, cách âm tốt, chịu mài mòn tốt… do đó nó càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới như: hàng không, chế tạo máy, vũ trụ, đóng tàu, ô tô, xây dựng dân dụng và trong đời sống Nhưng mặt khác vật liệu composite cũng là loại vật liệu có tính dị hướng rất cao Độ bền và tuổi thọ của các kết cấu làm bằng vật liệu composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi trường làm việc và cấp độ chính xác của mô hình tính toán và thiết kế

Là loại vật liệu phức hợp, được tạo thành bằng cách kết hợp của nhiều hơn một loại vật liệu ban đầu, vật liệu composite có được các đặc tính mới theo mong muốn và hơn hẳn các đặc tính của các loại vật liệu ban đầu Mặc

dù đã được biết đến từ rất lâu đời nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành và bắt đầu phát triển vào những năm 1950 tại

Mỹ Từ đó đến nay, khoa học và công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và những ứng dụng của nó đã cho thấy những hiệu quả cực

Trang 17

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

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

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

cacbon (CPSC) (Bảng 1):

Bảng 1: Mức độ sử dụng composite polyme sợi cacbon những năm1980

1 Khối lượng sử dụng CPSC (kg) 2200

2 Số các chi tiết chế tạo từ CPSC (cái) 200

3 Giảm được trọng lượng máy bay (kg) 800

4 Tăng hệ số sử dụng vật liệu (%) 85

5 Giảm số lượng các chi tiết (%) 120

6 Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo (%) 300

7 Tiết kiệm hợp kim nhôm (kg) 600

8 Tăng khối lượng chuyển tải (tấn.km) 1.106

9 Tiết kiệm nhiên liệu (tấn) 1,2.104

Một trong các đặc tính nổi bật của vật liệu composite là giảm được đáng kể khối lượng cho kết cấu, nó được đặc biệt chú ý tới trong lĩnh vực

Trang 18

hàng không, vũ trụ Thông thường để vận chuyển 1kg lên vũ trụ tiêu tốn khoảng 20000USD – 30000USD, với việc đưa composite vào chế tạo máy bay, tàu không gian, tên lửa… mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt và đặc biệt

là kinh tế

Ở Việt Nam, mặc dù mới tiếp cận với vật liệu composite từ cuối những năm 80 của thế kỷ trước nhưng việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng của vật liệu này đã có những bước đi đáng kể, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hội như trong các ngành công nghiệp hàng hải, tàu biển, xây dựng, công nghiệp ô tô,… Tuy nhiên, so với tiềm năng phát triển thì những kết quả đó vẫn còn được xem là khiêm tốn, do thời gian ứng dụng và phạm vi ứng dụng chưa nhiều, việc sản xuất nhỏ lẻ, kỹ thuật và công nghệ còn chưa đủ đáp ứng cho những nghiên cứu, sản suất ở mức độ đòi hỏi cao hơn Bên cạnh đó, vật liệu composite vẫn còn vấp phải sự cạnh tranh gay gắt của những vật liệu truyền thống, mặc dù vậy thì sự phát triển mạnh mẽ và lấn áp của nó sẽ là điều hiển nhiên phù hợp với sự phát triển chung của xã hội khi mà nó đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật, công nghệ và yếu tố thị trường Hiện nay, cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vòm che máy bay, xuồng cứu sinh, tàu du lịch, cửa chắn nước, ống dẫn nước phục vụ sinh hoạt, ống dẫn chất thải công nghiệp,… mà phần lớn các kết cấu này đều thuộc dạng tấm vỏ composite lớp

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

Trang 19

được ứng dụng rộng rãi trong phân tích cơ học vật liệu và kết cấu composite lớp như Kirchhoff, Hencky – Mindlin,… đã cho phép giải quyết phần lớn các bài toán cơ bản của vật liệu và kết cấu composite chịu tác dụng của tải trọng

Ngày nay, để tăng tính hiệu quả thì cần phải sử dụng mô hình số để rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế cho các cấu trúc tấm sandwich Tuy nhiên, các cấu trúc tổ ong lại quá phức tạp và tiêu tốn khá nhiều thời gian xây dựng mô hình Đồng nhất hóa lõi tổ ong cho phép thu được một khối rắn đồng nhất tương đương và các mô đun đàn hồi của nó để thực hiện các mô phỏng rất hiệu quả: giảm đáng kể thời gian chuẩn bị mô hình hình học và chia lưới, cũng như thời gian chạy chương trình máy tính

Các mô hình đồng nhất hóa thông thường của tổ ong đã được mô tả một cách có hệ thống bởi Gibson et al [2] Trong các mô hình này, lõi tổ ong được xem là biến dạng độc lập mà không có ảnh hưởng của lớp vỏ và các vách của tổ ong được coi là biến dạng uốn Mô hình này thu được mô đun đàn hồi của khối rắn đồng nhất rất nhỏ so với những mô hình đo được bằng thực nghiệm Trong nghiên cứu này, mô hình đồng nhất hóa giải tích của lõi tổ ong

có tính đến ảnh hưởng của vỏ sẽ được đề xuất Ảnh hưởng này làm cho các biến dạng của các vách mỏng của lõi biến dạng chủ yếu ở trạng thái kéo hoặc nén, tạo ra độ cứng lớn hơn nhiều so với các mô hình uốn Các mô hình này được xây dựng bằng toán học và được xác nhận bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sau đó chúng được áp dụng cho việc mô phỏng ứng xử của các tấm composite sandwich chịu lực khác nhau

1.1 Vật liệu composite

Vật liệu composite là loại vật liệu được tổ hợp từ hai vật liệu có bản chất khác nhau, và vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của

Trang 20

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

Vật liệu composite thường được chia ra hai dạng vật liệu cấu thành chính, thứ nhất là một pha liên tục làm nhiệm vụ gắn kết được gọi là vật liệu nền (matrix) và thứ hai là vật liệu cốt hay vật liệu gia cường (reinfocement) thường là một pha gián đoạn:

Vật liệu nền: thường được sử dụng với chất liệu nền polyme nhiệt rắn, polyme nhiệt dẻo, nền cacbon, nền kim loại

Vật liệu cốt: Nhóm sợi khoáng chất được sử dụng nhiều làm vật liệu

cốt như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm thứ hai cũng được sử dụng tương đối nhiều đó là nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil; các nhóm sợi khác thì ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,

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

Trang 21

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

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

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

Tỉ trọng riêng (g/cm 3 )

Module đàn hồi (Mpa)

Giới hạn bền kéo (Mpa)

Giới hạn chảy

Module đàn hồi/tỉ trọng riêng

Giới hạn bền/tỉ trọng riêng

Trang 22

+ Cách nhiệt, cách điện tốt;

+ Bền lâu;

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

ST

Tỉ trọng riêng (g/cm 3 )

Hệ số giãn nở nhiệt (10 -6 / o C)

Độ dẫn nhiệt (W/m o K)

Tỉ số độ dẫn nhiệt/tỉ trọng riêng

Trang 23

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

Tỉ lệ giảm trọng lượng so với VL kim loại (%)

Trang 24

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 và công nghệ pulltrustion

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần để tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, 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: Từ vật liệu chỉ có một cấu tử (như kim loại nguyên chất), người ta đã biết tận dụng 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 4 nhóm 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 xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, có khả năng biến dạng dẻo cao Đặc điểm cấu trúc kim loại là sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử, tạo thành mạng tinh thể, trong những điều kiện nhất định có thể chuyển hoàn toàn sang trạng

Trang 25

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 kim loại là dẫn điện, dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi cao, độ bền cơ học cao Nhược điểm lớn nhất của kim loại là không bền với môi trường kiềm và axit, dễ bị oxi hóa, và nhiều kim loại có độ bền nhiệt không cao Khối lượng riêng của nhiều 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 các phi kim loại dưới dạng các oxyt, cacbit, nitrit,… với các liên kết bền vững kiểu 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 với môi 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, quá trình polyme hoá không có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo (quá trình thuận nghịch, chảy dẻo ở nhiệt độ cao, đông rắn khi nguội và lại có thể chảy dẻo lại được ở nhiệt độ cao) Polyme có thể có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật như xenlulo, cao su, protein, enzym,…hoặc được tổng hợp từ các monome bằng 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 là cacbon 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 đàn hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao

Trang 26

Trong các vật liệu kể trên người ta thường đánh giá cao vai trò của vật liệu 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 thấy vật liệu kim loại (hay hợp kim), gốm và polyme mặc dù mỗi loại vật liệu có những ưu điểm riêng, nhưng cũng có những nhược điểm Trong khi công nghiệp hiện đại, nhất là công nghiệp quốc phòng yêu cầu những vật liệu mới đáp ứng được các đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật như vật liệu chế tạo khí cụ bay phải vừa nhẹ vừa bền nhiệt, … là những tính chất lý tưởng mà không vật liệu tự nhiên nào có được Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng và chế tạo những 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, lại bền 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 vật thể bay và đã có mặt trong tất cả mọi ngành, mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân

Hình 1.2 Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn

Trang 27

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

Trang 28

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

Trang 29

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 máy bay Hình 1.3 – 1.9 mô tả một số ứng dụng của vật liệu composite trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống con người

Trang 30

1.2 Tấm composite

Tấm composite là một loại vật liệu dạng tấm được tạo thành bằng cách kết hợp nhiều lớp vật liệu theo những phương án cấu trúc khác nhau Do đó tính chất của nó không những phụ thuộc vào tính chất của các vật liệu thành phần 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 sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu trong cơ học, kết cấu và ứng dụng bởi tính phổ dụng của nó trong đa ngành kỹ thuật Các kết cấu sandwich tấm thể hiện nhiều 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 liệu được sử dụng trước đây Đặc biệt trong một số ngành như công nghệ hàng không, vũ trụ, công nghệ hàng hải, tàu biển, công nghiệp xây dựng và giao thông… các kết cấu tấm composite chiếm ưu thế, cùng với sự cải tiến, phát triển trong nhiều hướng nghiên cứu, các dạng kết cấu tấm composite nhiều lớp được phát triển mạnh mẽ đặc biệt là các tấm dạng sandwich Tấm composite 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 sử dụng và mang lại hiệu quả sử dụng tốt nhất cũng như thuận tiện nhất trong quá 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)

Trang 31

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 sợi trong 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

Trang 32

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 composite còn được phân ra thành các loại

- Composite đối xứng, đúng trục: [0/90]s  (00/900/900/00); lệch trục: [15]s (150/ -150/-150/150)

- Composite xen lớp đúng trục: [0/90]N  (00/900/00/900…); lệch trục: [±15]N  (150/-150/150/-150…)

Do vật liệu composite được tạo thành từ nhiều lớp liên tiếp, trong đó phương của sợi hay phương cơ bản của mỗi lớp lại khác nhau Do vậy mà để tính toán được cơ học cho vật liệu kết cấu composite thì ta cần phải chọn một

hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật liệu theo hệ quy chiếu chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được khái niệm 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 là đồng nhất và dị hướng Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đi theo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của từng lớp vật liệu và nghiên cứu

Trang 33

ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp Khi đó ta có thể hoàn toàn biết được ứng xử cơ học của toàn bộ kết cấu composite Các phương pháp tính toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu composite có thể được chia thành 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 xác định trực tiếp Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giải tích 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 chịu lực đơn giản

Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình dạng, 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, lý thuyết tấm bậc cao,… Do đó vấn đề quan trọng mang tính quyết định đến độ chính 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 sự tích hợp chặt chẽ của các kiến thức liên quan đến các quy trình sản xuất và hiệu suất cơ học của các vật liệu thành phần Một cấu trúc tấm sandwich được hình thành bằng cách dán hoặc hàn một lõi có độ cứng thấp với hai lớp vỏ tương 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],

tỷ lệ độ dày của lõi tc và vỏ ts phải nằm trong khoảng từ 10 đến 100

Trang 34

(10  tc/ts  100) Nói chung, việc lựa chọn vật liệu tấm composite sandwich được 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, nói chung là một vật liệu có các đặc tính cơ học yếu Vai trò của nó là chống lại các ứng suất cắt gây ra bởi chuyển động trượt của vỏ khi chịu tải và để duy trì khoảng 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…

 Lõi rỗng (Hình 1.15), chủ yếu là tổ ong và thép hình, bao gồm hợp

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

Trang 35

Hình 1.15 Tấm sandwich lõi rỗng

b Lớp vỏ

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

c Chất kết dính

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

Trang 36

giảm thiểu các tải trọng động Trong thực tế, độ dày của chất kết dính được giới hạn trong khoảng 0,025  0,2 mm

Các tấm composite sandwich được chia làm các loại: cực nhẹ; độ cứng uốn 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 không tốt, khả năng chống cháy của chúng cũng không tốt và nguy cơ bị cong vênh cao 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 dụng khá phổ biến, với đặc điểm khá đơn giản trong công nghệ chế tạo nên nó ngày càng 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 theo nghĩa rộng hơn để chỉ một loạt ma trận các lỗ rỗng hình lăng trụ giống hệt nhau được liên kết với nhau để lấp đầy khoảng trống giữa hai lớp vỏ Các lỗ rỗng thường có mặt cắt ngang hình lục giác, nhưng chúng cũng có thể là mặt cắt hình tam giác hoặc hình vuông hoặc hình thoi Tổ ong được sử dụng trong nghiên cứu này là một tổ ong hình lục giác thông thường

Hình 1.16 Cấu trúc của một tấm sandwich lõi tổ ong

Trang 37

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 tỉ trọng riêng thấp nhưng có kích thước bề dày lớn hơn, với việc kết hợp đó, tấm được tạo thành sẽ tổ hợp được nhiều ưu điểm Các lớp bề mặt và lõi của kết cấu sandwich có thể là nhôm, thép, bê tông, gỗ,… Lõi có thể được cấu tạo dạng rỗng với các dạng hình học khác nhau, trong đó kết cấu dạng tổ ong thông thường được sử dụng Kết cấu tấm sandwich lõi tổ ong là dạng kết cấu tấm không đồng nhất với lõi là một loại vật liệu trực hướng được phân bố có tính tuần hoàn theo hai phương vàthể 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 dụng làm cấu trúc chính cho chân phao của thủy phi cơ Sau đó giữa Thế chiến I và Thế chiến II, lớp vỏ ván ép liên kết với lõi gỗ bông bấc được sử dụng làm cấu trúc chính của thủy phi cơ Ý

Việc sản xuất cấu trúc tấm tổ ong hiện đại có lẽ đã bắt đầu vào cuối những 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

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	4,12 MB