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

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 Nx .53

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

3.3. Uốn tấm quanh trục y liên quan đến Mx .55

pdf75 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 26/02/2022 | Lượt xem: 86 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Tính toán và mô phỏng số tấm composite lõi tổ ong chịu tải bằng phương pháp đồng nhất hóa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
te 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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  (0 0/900/900/00); lệch trục: [15]s (15 0/ -150/-150/150). - Composite xen lớp đúng trục: [0/90]N  (0 0/900/00/900); lệch trục: [±15]N  (15 0/-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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN (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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 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 và thể hiện trong từng trường hợp cụ thể. Năm 1919, tấm composite sandwich đầu tiên được chế tạo bằng cách sử dụng các mặt gỗ gụ mỏng liên kết với lõi gỗ bông bấc. Nó được sử 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Kỳ). Các tấm composite sandwich bao gồm các mặt gỗ mỏng liên kết với một lõi tổ ong bằng giấy tương đối dày. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, giấy tổ ong đã được Công ty Martin sử dụng để đóng gói ăng ten radar; nhưng lõi được làm từ giấy đã hấp thụ độ ẩm. Sau đó Martin đã phát triển một tổ ong làm bằng vải cotton và sau đó sản xuất lõi tổ ong làm bằng sợi cotton, vải thủy tinh và lá nhôm. Cũng tại thời điểm đó, Công ty Máy bay Havilland đã thiết kế và chế tạo máy bay ném bom Mosquito, sử dụng các tấm sandwich ở một số bộ phận. Hiệu suất tuyệt vời được thể hiện ở máy bay này đã đưa đến sự chấp nhận của nhiều nhà thiết kế máy bay, đặc biệt là ở Anh, về sự vượt trội cơ bản của cấu trúc tấm sandwich như một phương tiện sản xuất máy bay hiệu suất cao và hiệu quả hơn. Do đó, nhiều nhóm thiết kế máy bay đã bắt đầu tìm kiếm cách tốt nhất để chế tạo các cấu trúc tấm sandwich và các vật liệu tốt nhất để tạo ra lớp lõi và vỏ. Mãi đến năm 1945, tấm sandwich hoàn toàn bằng nhôm đầu tiên được sản xuất. Bước đột phá thực sự đến với sự phát triển của chất kết dính tốt hơn để cố định lớp vỏ với lõi. Một số chất kết dính đã được phát triển để có tính chất lưu biến tốt để sử dụng cho lõi tổ ong. a. Chế tạo tấm tổ ong Các cấu trúc như tổ ong trong Hình 1.16 có thể được thực hiện theo bốn cách: dán, hàn điện trở, hàn, hàn khuếch tán và nóng chảy. Các phương pháp này được thực hiện bằng cách hàn đính tại các nút. Rõ ràng nhất là ép một vật liệu tấm thành một nửa hình lục giác và dán các tấm lượn sóng này lại với nhau. Cho đến nay, quy trình sản xuất phổ biến nhất là dán lại với nhau và có tới 95% lõi tổ ong được làm theo cách này. Hàn điện trở, hàn hoặc hàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN khuếch tán chỉ được sử dụng trên các lõi có nhiệt độ cao hoặc điều kiện môi trường khắc nghiệt. Có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng để chuyển vật liệu tấm thành lõi tổ ong, đó là quá trình mở rộng và quá trình uốn lượn sóng (Hình 1.18). Hình 1.18. Quá trình sản xuất lõi tổ ong: Bằng quá trình mở rộng (trên), Bằng quá trình cán lượn sóng (dưới) Quá trình mở rộng được sơ đồ hóa trong hình 1.18a. Thông thường, keo được đặt thành các dải song song trên các tấm phẳng, và các tấm được xếp chồng lên nhau để dán chúng lại với nhau dọc theo các dải. Các chồng tấm được cắt theo kích thước mong muốn và sau đó được kéo dài để tạo thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN lõi tổ ong. Đối với lõi kim loại, một lớp phủ chống ăn mòn được phủ lên các lá kim loại, và trên đó được phết các đường keo. Các lá được cắt và xếp chồng lên nhau, và chất kết dính được đông cứng lại dưới áp suất và nhiệt độ cao. Sau đó, các lát được cắt theo độ dày yêu cầu và kéo dài. Quá trình cán lượn sóng được minh họa trong hình 1.18b là kỹ thuật ban đầu được sử dụng để làm lõi tổ ong. Phương pháp này vẫn được sử dụng để sản xuất lõi kim loại và một số lõi phi kim loại. Trong quá trình tạo rãnh lượn sóng, đầu tiên các tấm được gấp nếp, sau đó dùng chất kết dính phết vào các nút và các tấm được xếp chồng lên nhau, sau đó được xử lý trong lò nung. Lõi tổ ong cũng có thể được đúc trong khuôn (tổ ong silicon) hoặc bằng cách đùn (tổ ong bằng gốm dùng để hỗ trợ xúc tác khí thải ô tô) . Lõi tổ ong có thể được chế tạo với các loại vật liệu phẳng và mỏng bất kỳ, vì vậy mà hiện nay có khoảng hơn 500 loại tổ ong khác nhau đã được sản xuất. Các vật liệu tổ ong được sử dụng phổ biến nhất là: - Lõi tổ ong bằng kim loại (hợp kim nhẹ, thép ...) ít tốn kém và chịu tải tốt hơn. - Lõi tổ ong phi kim loại (các-tông được tẩm nhựa phenolic, giấy Nomex, tấm polyamide, vải thủy tinh tẩm ...) không nhạy với ăn mòn và là chất cách nhiệt và cách âm tốt. b. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong Hình dạng của một lỗ tổ ong được minh họa trong Hình 1.19. Hình dạng này được xác định bởi các thông số khác nhau: chiều dài của các vách thẳng đứng và vách nghiêng (h và l), độ dày của các vách (t' và t), góc ghiêng của các vách nghiêng (). Các tham số này được tóm tắt trong Bảng 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Hình 1.19. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong Bảng 5: Các thông số hình học của một lỗ tổ ong Thông số Định nghĩa  Góc nghiêng của các vách nghiêng  Đường kính của lỗ (nếu là lục giác đều) l Chiều dài của vách nghiêng h Chiều dài của vách đứng t Bề dày của vách nghiêng t' Bề dày của vách đứng b Chiều cao của lõi tổ ong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Bảng 6: Các đặc điểm hình học và cơ học của một số loại lõi tổ ong thường được sử dụng Thông số Tấm polyamide dán: Nomex Hợp kim nhẹ AG3 Hợp kim nhẹ AU4 GI (2024) Đường tròn nội tiếp 6, 8, 12 4 6 Bề dày t(mm) 0.05 0.04 Khối lượng riêng (kg/m3) 64 80 46 Độ bền cắt xz (MPa) 1.7 3.2 1.5 Mô đun trượt Gxz (MPa) 58 520 280 Độ bền cắt yz (MPa) 0.85 2 0.9 Mô đun trượt Gyz (MPa) 24 250 140 Độ bền nén z (MPa) 2.8 4.4 2 c. Phạm vi áp dụng Tấm sandwich lõi tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau: - Các ngành công nghiệp máy bay và hàng không vũ trụ: các tấm bên trong máy bay (sàn, vách, trần, nhà bếp và nhà vệ sinh), các tấm bên ngoài máy bay (cạnh trước và sau, cánh máy bay trực thăng, cửa ra vào, nắp động cơ ...) - Ngành công nghiệp ô tô và đường sắt: Tấm sandwich tổ ong dùng trong chế tạo các loại xe tải, xe buýt, tàu điện ngầm và xe điện .... - Các ngành công nghiệp thể thao và giải trí: ván lướt sóng, cabin và thân tàu thuyền và tàu hiệu suất cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN - Công nghiệp xây dựng: tấm sandwich dùng làm vách, sàn, trần, cửa, vách ngăn, và cho tất cả các cấu trúc cần đạt được tỷ lệ độ cứng/trọng lượng tối ưu. Để sử dụng hiệu quả tấm dạng này ta cần phải biết được ứng xử cơ học của nó đối với các dạng chịu lực cơ bản. Đã có nhiều nghiên cứu từ lý thuyết đến thực nghiệm được thực hiện để đưa ra ứng xử cơ học của các tấm dạng này, các kết quả thu được từ các nghiên cứu đó là rất đáng ghi nhận, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất to lớn. Các phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu các ứng xử cơ học của các tấm dạng này đã được đề cập trong các luận án, bài báo như: phương pháp giải tích, phương pháp đồng nhất, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong đó thì phương pháp phần tử hữu hạn được biết đến như là một phương pháp hiệu quả nhất hiện nay. Cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự hỗ trợ của máy tính và các phần mềm ứng dụng đã tham gia tích cực vào việc hỗ trợ và phát triển các nghiên cứu. Với sự phát triển ngày càng lớn mạnh về vật liệu sử dụng và kết cấu của các tấm sandwich, việc xây dựng mô hình, tính toán và mô phỏng trên các ứng dụng của FEM bộc lộ nhiều hạn chế như:  Tốn nhiều thời gian cho việc xây dựng mô hình đặc biệt là các mô hình lõi kép, đa lõi, lõi đa hướng và các kết cấu có lõi phức tạp;  Hạn chế về năng lực của thiết bị (máy tính) khi mà kết cấu có độ phức tạp cao;  Thời gian dành cho quá trình tính toán, phân tích lớn khi các kết cấu tấm bất đối xứng, tấm có kích thước lớn hay tấm có kết cấu phức tạp. Các tấm sandwich lõi tổ ong cho phép kết hợp rất tốt giữa độ cứng, độ bền với tính nhẹ. Mô phỏng và tối ưu hóa loại tấm này có tầm quan trọng rất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN lớn về độ nhẹ và an toàn của các cấu trúc. Tuy nhiên, mô hình số của các cấu trúc tổ ong quá tốn kém vì sự phức tạp về hình dáng hình học của lõi tổ ong. Một số nghiên cứu thử nghiệm và số đã được thực hiện để xác định tính chất đàn hồi tương đương của tổ ong. Do hình dáng hình học và điều kiện biên của cấu trúc tổ ong rất phức tạp, nên sự đồng nhất hóa phân tích của tổ ong là rất hữu ích và hiệu quả. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp dựa trên mô hình ban đầu để xây dựng mô hình đồng nhất tương đương. Mô hình tương đương đưa ra là một mô hình dạng tấm solid 3D có các độ cứng quy đổi thay thế cho mô hình cấu trúc 3D dạng shell, nó sẽ giúp làm giảm rất đáng kể thời gian xây dựng mô hình, thời gian tính toán và phân tích cũng như yêu cầu đối với cấu hình phần cứng của thiết bị phân tích sẽ giảm đi nhiều. Các kết quả thu được sẽ được kiểm chứng bằng mô hình số xây dựng trên phần mềm phần tử hữu hạn ứng dụng Autodesk Abaqus và một số ứng dụng hỗ trợ. Hình 1.20. Mô hình tương đương cho tấm sandwich lõi tổ ong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA CHO TẤM COMPOSITE SANDWICH LÕI TỔ ONG 2.1. Giới thiệu Trong ngành công nghiệp, composite sandwich lõi tổ ong là vật liệu được sử dụng rộng rãi. Do đó, cần thiết phải mô hình hóa và dự đoán các ứng xử cơ học của loại vật liệu này. Một tấm composite lõi tổ ong có thể được coi như là một cấu trúc 3D và được mô hình hóa (lớp vỏ và lõi tổ ong) bởi c

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_tinh_toan_va_mo_phong_so_tam_composite_loi_to_ong_c.pdf
Tài liệu liên quan