Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

I HC THI NGUYấN
TRNG I HC K THUT CễNG NGHIP

NGUYN QUANG HNG

TNH TON V Mễ PHNG S TM SANDWICH LếI GP NP
BNG PHNG PHP NG NHT HểA

LUN VN THC S K THUT

Thỏi nguyờn, nm 2017

Nguyễn Quang H-ng

i


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

I HC THI NGUYấN
TRNG I HC K THUT CễNG NGHIP

NGUYN QUANG HNG

TNH TON V Mễ PHNG S TM SANDWICH LếI GP

NP BNG PHNG PHP NG NHT HểA

Chuyờn ngnh: K thut C khớ
Mó s: 60520103

LUN VN THC S K THUT

KHOA CHUYấN MễN

NGI HNG DN KHOA HC

TRNG KHOA

TS. DNG PHM TNG MINH

PHềNG O TO
Thỏi nguyờn, 2017
Nguyễn Quang H-ng

ii


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

LI CAM OAN
Tờn tụi l: Nguyn Quang Hng
Hc viờn lp cao hc khúa K18 chuyờn ngnh: C k thut, trng i hc
K thut cụng nghip i hc Thỏi nguyờn.

Tụi xin cam oan, õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca tụi di s hng dn ca
T.S Dng Phm Tng Minh. Ngoi cỏc thụng tin trớch dn t cỏc ti liu tham
kho ó c lit kờ, cỏc s liu, kt qu trong lun vn l trung thc v cha tng
c ai cụng b trong bt k cụng trỡnh nghiờn cu no khỏc.
Thỏi Nguyờn, thỏng 7 nm 2017
Hc viờn

Nguyn Quang Hng

Nguyễn Quang H-ng

iii


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

LI CM N
Tụi xin by t lũng bit n sõu sc ti giỏo viờn hng dn khoa hc, thy giỏo
TS. Dng Phm Tng Minh ó tn tỡnh hng dn, ch bo v to mi iu kin
giỳp tụi hon thnh cụng trỡnh nghiờn cu ny.
Tụi xin cỏm n Ban giỏm hiu, Khoa C khớ, b mụn Thit k c khớ, cỏc
phũng ban chc nng ca trng i hc K thut cụng nghip Thỏi Nguyờn ó tn
tỡnh giỳp tụi trong quỏ trỡnh hc tp.
Tụi xin chõn thnh cm n s ng viờn khớch l ca gia ỡnh, bn bố, ng
nghip trong sut thi gian tụi hc tp v thc hin lun vn.
Thỏi Nguyờn, thỏng 8 nm 2017
Ngi thc hin


Nguyn Quang Hng

Nguyễn Quang H-ng

iv


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC.......................................................................................................................................... v
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................................... vii
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
0.1. Tính cấp thiết của đề tài: ......................................................................................................... 1
0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .............................................................................................. 2
0.3. Kết quả đạt được: .................................................................................................................... 2
0.4. Cấu trúc của luận văn: ............................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1 ....................................................................................................................................... 3
1.1 Giới thiệu ................................................................................................................................. 3
1.2 Giới thiệu vật liệu composite kết cấu tấm dạng sandwich ....................................................... 9
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................................... 18
2.1 Nhắc lại lý thuyết tấm ............................................................................................................ 18
2.2 Lý thuyết tấm nhiều lớp ......................................................................................................... 25
2.3 Áp dụng lý thuyết tấm nhiều lớp vào tấm sandwich lõi gấp nếp ........................................... 27
CHƯƠNG 3 ..................................................................................................................................... 34

3.1 Hợp thức hóa bằng mô hình đồng nhất hóa ........................................................................... 34
3.2 Độ cứng kéo theo phương x liên quan đến Nx trên mặt MD .................................................. 35
3.3. Độ cứng kéo theo phương y liên quan đến Ny trên mặt CD .................................................. 36
3.4. Độ cứng uốn quanh trục y liên quan đến Mx trên mặt MD ................................................... 37
3.5. Độ cứng uốn quanh trục x liên quan đến My trên mặt CD .................................................... 38
3.6. Độ cứng cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nxy trên mặt MD......................................... 39
3.7. Độ cứng cắt trong mặt phẳng xy liên quan đến Nyx trên mặt CD ......................................... 40
CHƯƠNG 4 ..................................................................................................................................... 42
4.1 Kết luận .................................................................................................................................. 42
4.2 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 44

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NguyÔn Quang H-ng

v


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Tên các đại lượng

Ký hiÖu
uq, vq, wq
u, v, w

Các chuyển vị của một điểm q(x, y, z)

Các chuyển vị của điểm p(x, y, 0)

x

Góc xoay của pháp tuyến z về x hoặc góc xoay quanh trục y (

y

Góc xoay của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x (

 
x ,  y

x=

y=-

y)

x)

Véc tơ độ cong
Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương ứng

N x , N y , N xy Lực màng
Mx , My ,

M xy
Tx , Ty


Mô men uốn, xoắn
Lực cắt ngang

NguyÔn Quang H-ng

vi


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Mức độ sử dụng Composite polyme sợi cacbon những năm1980 .................5
Bảng 2: Một số tính chất của vật liệu kim loại và vật liệu composite. .......................7
Bảng 3: Đặc tính nhiệt của một số vật liệu. ................................................................7
Bảng 4: Một số ứng dụng ban đầu của vật liệu composite trên máy bay quân sự .....8
Bảng 3.1. Các thuộc tính vật liệu của 3 lớp thành phần của tấm sandwich lõi gấp
nếp .............................................................................................................................34
Bảng 3.3 So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho kéo MD .........................35
Bảng 3.4. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho kéo CD .........................37
Bảng 3.5. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho uốn MD ........................38
Bảng 3.6. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho uốn CD ........................39
Bảng 3.7. So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho cắt MD .........................40
Bảng 3.8 So sánh giữa Abaqus-3D và Mô hình H-2D cho cắt trong mặt phẳng MD
...................................................................................................................................41

NguyÔn Quang H-ng


vii


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Cấu tạo chung tấm Composite ............................................................................ 10
Hình 1.2. Phương pháp thủ công (hand lay-up) ................................................................. 11
Hình 1.3. Phương pháp phun hỗn hợp................................................................................ 11
Hình 1.4. Đúc chuyển nhựa ................................................................................................ 12
Hình 1.5. Đúc chân không .................................................................................................. 12
Hình 1.6. Phương pháp đùn ép ........................................................................................... 13
Hình 1.7. Phương pháp quấn sợi ........................................................................................ 13
Hình 1.8. Tấm lõi đơn ......................................................................................................... 13
Hình 1.9. Tấm lõi kép.......................................................................................................... 14
Hình 1.10. một số dạng kết cấu lõi của tấm Sandwich ....................................................... 14
Hình 1.11. Các tấm sandwich lõi đơn hướng ..................................................................... 15
Hình 1.12. Tấm sandwich đa lõi, đa hướng ........................................................................ 15
Hình 1.13. Tấm Sandwich lõi gấp nếp ................................................................................ 16
Hình 1.14.: Định hướng tấm sandwich lõi gấp nếp ............................................................ 16
Hình 1.15. Mô hình tương đương cho tấm sandwich lõi gấp nếp ...................................... 17
Hình 2.1. Kích thươc bao của tấm ....................................................................................... 18
Hình 2.2. Tấm composite dạng sandwich ............................................................................ 19
Hình 2.3. Tấm mỏng chịu uốn.............................................................................................. 20
Hình 2.4. Sơ đồ tấm chịu uốn .............................................................................................. 21
Hình 2.5. Giả thiết Reissner – Mindlin về biến dạng của mặt trung bình và góc xoay của
pháp tuyến ............................................................................................................................ 22

Hình 2.6. Lực màng, men uốn-xoắn và lực cắt ngang ......................................................... 23
Hình 2.7. Cấu hình tấm nhiều lớp........................................................................................ 25
Hình 2.8. Hình dáng hình học của tấm sandwich lõi gấp nếp ............................................. 27
Hình 2.9. Một bước của tấm composite lõi gấp nếp ............................................................ 29
Hình 2.10. Trải phẳng lõi của tấm gấp nếp ......................................................................... 29
Hình 2.11. Mô hình tương đương cho cắt ngang Ty ............................................................ 31
Hình 2.12. Cắt dọc tấm lõi gấp nếp ..................................................................................... 33
Hình 3.1. Thông số hình học mặt CD của tấm sandwich lõi gấp nếp ................................. 34

NguyÔn Quang H-ng

viii


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

Hỡnh 3.2. Mụ phng Abaqus 3D v Mụ hỡnh H-2D cho kộo MD ........................................ 35
Hỡnh 3.3. Mụ phng Abaqus 3D v Mụ hỡnh H-2D cho kộo CD ......................................... 36
Hỡnh 3.4. Mụ phng Abaqus 3D v Mụ hỡnh H-2D cho un MD ........................................ 37
Hỡnh 3.5. Mụ phng Abaqus 3D v Mụ hỡnh H-2D cho un CD......................................... 39
Hỡnh 3.6. Tớnh toỏn ct MD bi Abaqus-3D v Mụ hỡnh H-2D .......................................... 40
Hỡnh 3.7. Tớnh toỏn ct CD bi Abaqus-3D v Mụ hỡnh H-2D ........................................... 41

Nguyễn Quang H-ng

ix



Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

PHN M U
0.1. Tớnh cp thit ca ti:
Ngy nay tm composite lừi gp np c s dng rng rói trong cỏc ngnh
cụng nghip (nh bao bỡ, xõy dng, úng tu, ch to ụtụ) nh cỏc u im ni bt
nh nh, r, v chu c cỏc mụi trng khc nghit. Chớnh vỡ vy m cn thit phi
tớnh toỏn v d oỏn c ng x c hc ca loi vt liu ny nhm s dng ti u
cỏc u im ca chỳng. gii quyt c vn ny, cn phi tin hnh mt lot
cỏc thớ nghim vi nhiu kt cu lừi gp np khỏc nhau. Vic lm ny s rt tn kộm
v tiờu tn khỏ nhiu thi gian, bi vy cn thit phi tin hnh mụ phng s cho cỏc
loi kt cu composite dng 3D ny. Hin nay, vic thit k tớnh toỏn mụ phng s
cho cỏc kt cu composite thng s dng cỏc cụng c FEM bng cỏc phn mm
thng mi (Ansys, Abaqus).
Tuy nhiờn, vic mụ phng cỏc kt cu composite kiu nh vy rt tn kộm v
khụng hiu qu, thm chớ l khụng th thc hin c i vi cỏc tm cú kớch thc
ln (vỡ õy l mt tm sandwich 3D rt phc tp nờn thi gian xõy dng mụ hỡnh hc,
thi gian cho s chun b mụ hỡnh phn t hu hn v cụng vic tớnh toỏn mụ phng
s mt rt nhiu thi gian). Vỡ vy m cn thit phi phỏt trin mt phng phỏp mi
nhm rỳt ngn thi gian tớnh toỏn phc v thit k, mụ phng cho cỏc kt cu ny m
vn m bo chớnh xỏc theo yờu cu. Phng phỏp ny c gi l mụ hỡnh ng
nht húa c xõy dng thay th tm composite lừi gp np 3D bng mt tm
ng nht 2D tng ng nhm gim ỏng k thi gian tớnh toỏn cng nh thi gian
xõy dng mụ hỡnh
Vi mụ hỡnh ng nht húa dng ny, cú th nhn thy ngay rng thi gian
cng nh khi lng tớnh toỏn s gim i rừ rt, v tt nhiờn mụ hỡnh ny hon ton
cú th ng dng c d dng cho cỏc kiu tm composite phc tp lm bng cỏc vt
liu khỏc nhau, tựy thuc vo mc ớch s dng trong cỏc lnh vc nh: Bao bỡ, xõy

dng, tu thy, ụ tụ v hng khụng.

Nguyễn Quang H-ng

1


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

T nhng lý do trờn, cú th thy rng vic t vn nghiờn cu v xõy dng
c mụ hỡnh ng nht húa cho tm composite lừi gp np l rt cp thit, cú ý ngha
khoa hc v ý ngha thc tin vụ cựng to ln. S thnh cụng ca phng phỏp ny s
cú tớnh t phỏ, cho phộp m ra mt tim nng v mụ phng s cho cỏc cu trỳc tm
composite phc tp, thc t c s dng rng rói trong cỏc ngnh cụng nghip ti
Vit Nam cng nh trờn th gii.
Theo ú, ti Tớnh toỏn v mụ phng s tm sandwich lừi gp np bng
phng phỏp ng nht húa s m ra nghiờn cu, gii quyt cỏc vn trờn.
0.2. Mc tiờu nghiờn cu ca ti:
Nghiờn cu, tớnh toỏn v phỏt trin mt mụ hỡnh ng nht húa mụ phng
s cho tm composite lừi gp np dng 3D bng mt tm ng nht 2D tng ng
nhm tit kim thi gian tớnh toỏn cng nh thi gian xõy dng mụ hỡnh bi toỏn v
chi phớ.
0.3. Kt qu t c:
- ti ó nghiờn cu xõy dng c mụ hỡnh ng nht húa 2D cho tm
composite lừi gp np 3D, t ú ỏp dng cho tớnh toỏn tm composite lừi gp np n.
- 01 bi bỏo ng trờn Tuyn tp Hi ngh khoa hc ton quc Vt liu v kt
cu Composite: C hc, Cụng ngh v ng dng Nha Trang 28 -29/7/2016 Tr.
321-327.

- 01 bi bỏo quc t: Homogenization Model for the Folded Core Sandwich
Plates under the Transverse Loading - IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN)
0.4. Cu trỳc ca lun vn:
Ngoi phn gii thiu v phn kt lun chung, lun vn c chia thnh 3
chng vi cỏc ni dung nh sau:
Chng 1: Tng quan v nghiờn cu c hc vt liu v kt cu composite phc tp.
Chng 2: Mụ hỡnh ng nht húa cho tm composite lừi gp np.
Chng 3: Hp thc húa bng s cho mụ hỡnh ng nht húa.
Chng 4: Kt lun v xut

Nguyễn Quang H-ng

2


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ COMPOSITE
DẠNG SANDWICH
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, 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, nếu có như vậy thì sẽ mãi tụt hậu. Trong một số lĩnh
vực, ngành như công nghệ hàng không, vũ trụ, công nghiệp đường sắt cao tốc, công
nghiệp tầu biển [1]…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.
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.
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 (hay compozit) có thể 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

NguyÔn Quang H-ng

3


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

hỡnh thnh v bt u phỏt trin vo nhng nm 1950 ti M. T ú n nay, khoa
hc v cụng ngh vt liu composite ó phỏt trin trờn ton th gii v nhng ng

dng ca nú ó cho thy nhng hiu qu cc k to ln úng gúp v thỳc y phỏt
trin cho cỏc ngnh k thut v khoa hc cụng ngh.
u im ln nht ca vt liu composite l cú th thay i cu trỳc hỡnh hc, s
phõn b v cỏc vt liu thnh phn to ra vt liu mi cú bn theo mong mun.
Rt nhiu nhng ũi hi kht khe ca k thut hin i (nh, chu nhit tt, chu n
mũn tt, hp th bc x tt) m ch cú composite mi ỏp ng c, vỡ vy vt liu
composite gi vai trũ then cht trong cuc cỏch mng v vt liu mi. Quỏ trỡnh to
nờn composite l s tin húa trong ngnh vt liu, t vt liu ch cú mt cu t ngi
ta ó bit tn dng tớnh u vit ca cỏc cu t to ra cỏc vt liu cú hai hay nhiu
cu t (hp kim), ri t ba nhúm vt liu ó bit l kim loi, vt liu vụ c ceramic
v hu c polyme, ngi ta ó tỡm cỏch to ra composite vt liu ca cỏc vt liu
kt hp v s dng kim loi hp kim, cỏc vt liu vụ c v hu c mt cỏch
ng thi, hp lý. V hin nay l nanocomposite, super-composite: composite ca
composite (loi vt liu m cỏc thnh phn ca nú cng l composite)
Nhng nm gn õy, vt liu composite c quan tõm phỏt trin theo mt s
hng nh: phỏt trin vt liu theo cụng ngh mi, phỏt trin vt liu vi tớnh cht
c, húa, lý c bit. Mt s vớ d c th cho thy rừ hiu qu ca vic s dng vt
liu composite, tu ln Antonov-124 ca Nga c xut xng vo nhng nm 1980
ca th k 20 s dng composite polyme si cacbon (CPSC) (Bng 1):

Nguyễn Quang H-ng

4


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

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 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 nhưng trong các ngành công nghiệp hàng hải, tàu biển, xây dựng, công
nghiệp ô tô… nhưng 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 át 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.
Vật liệu composite thường được chia ra làm 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)

NguyÔn Quang H-ng

5


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

v th hai l vt liu ct hay vt liu gia cng (reinfocement) thng l mt pha
giỏn on:
o Vt liu nn: thng c s dng vi cht liu nn polyme nhit rn,
polyme nhit do, nn cacbon, nn kim loi..
o Vt liu ct: Nhúm si khoỏng cht c s dng nhiu lm vt liu
ct nh: si thy tinh, si cacbon, si gm; nhúm th hai cng c s dng
tng i nhiu ú l nhúm si tng hp n nh nhit: Kermel, si Nomex, si

Kynol, si Apyeil; cỏc nhúm si khỏc thỡ ớt ph bin hn: si gc thc vt (g,
xenlulụ): giy, si ay, si gai, si da, s da,...; si gc khoỏng cht:
si Aming, si Silic,...; si nha tng hp: si polyeste (tergal, dacron,..),
si polyamit,...; si kim loi: thộp, ng, nhụm,..
T nhng c im v kt cu nh vy, vt liu composite thng cú mt s
tớnh cht chung nh sau:
o Khi lng riờng nh: Tớnh nng c, lý riờng cao hn cỏc vt liu truyn
thng khỏc (g, gm, s) rt nhiu;
o Chu c mụi trng khc nghit, khỏng húa cht cao, ớt tn kộm trong
vic bo qun chng n mũn;
o Cỏch nhit, cỏch in tt;
o Bn lõu;
o n gin trong cụng ngh ch to, gia cụng, to hỡnh, chi phớ gia cụng
thp;
o bn mi cng nh kh nng chu phỏ hy cao;
o Mt s yu t nh hng n tớnh c tớnh ca vt liu composite:
- Bn cht vt liu: ct, nn;
- bn liờn kt mt tip xỳc pha;
- T l vt liu: ct, nn;
- Hỡnh dng v kớch thc vt liu gia cng;
- S phõn b v nh hng ca vt liu gia cng.

Nguyễn Quang H-ng

6


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp


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

STT

Vật liệu

Tỉ trọng

Module

Giới hạn

Giới

riêng

đàn hồi

bền kéo

hạn

(g/cm3)

(Mpa)

(Mpa)

chảy


Giới

Module

hạn

đàn hồi/tỉ

bền/tỉ

trọng

trọng

riêng

riêng

1

SAE 101 stell

7.87

207

365

303


2.68

4.72

2

AISI 4340 stell

7.87

207

1722

1515

2.68

22.3

2.70

68.9

310

275

2.60


11.7

4.43

110

1171

1068

2.53

26.9

1.55

137.8

1550

-

9.06

101.9

1.63

215


1240

-

13.44

77.5

1.85

39.3

965

-

2.16

53.2

1.38

75.8

1378

-

5.6


101.8

2.35

220

1109

-

9.54

48.1

3
4

6060-T6 Alualloy
Ti-6Al-4V alloy
H-trength

5

Cacbon fiberepoxy matrix
H-modulus

6

Cacbon fiberepoxy matrix


7

8

E-glass fiberepoxy matrix
Kevlar 49 fiberepoxy matrix
Boron fiber-

9

6061 A1 alloy
matrix

Bảng 3: Đặc tính nhiệt của một số vật liệu.

STT

Vật liệu

Tỉ trọng
riêng (g/cm3)

Hệ số giãn
nở nhiệt
(10-6/oC)

Độ dẫn nhiệt
(W/moK)


Tỉ số độ dẫn
nhiệt/tỉ trọng
riêng

1

Thép các bon

7.87

11.7

52

6.6

2

Đồng

8.9

17

388

43.6

3


Hợp kim nhôm

2.7

23.5

130-220

48.1-81.5

4

Ti-6Al-4V alloy

4.43

8.6

6.7

1.51

NguyÔn Quang H-ng

7


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp


Invar

5

K1100 Cacbon

6

fiber-epoxy matrix
Glass fiber-epoxy

7

matrix

8.05

1.6

10

1.24

1.8

-1.1

300


166.7

2.1

11-20

0.16-0.26

0.08-0.12

Vi nhng u im ni bt ú, vt liu composite ngy cng c ph bin
trong nhiu lnh vc, khi u t nhng ng dng trong mt s ngnh k thut cao,
hng khụng, v tr..v dn ph bin trong cỏc ngnh xõy dng, cụng nghip núi chung
v trong dõn dng (bng 4).
Bng 4: Mt s ng dng ban u ca vt liu composite trờn mỏy bay quõn s
T l gim trng
STT

Model

B phn/kt cu

Vt liu

lng so vi VL kim
loi (%)

1

2


3

4

5

F14 (1969)

Stabilizer box

Boron-fiber
epoxy

F15 (1975)

Wing fairings

Cacbon-fiber
epoxy

F17 (1977)

Fin leading edge

Boron-fiber
epoxy

F/A 18 (1978) Wing skins


Cacbon-fiber
epoxy

AV-8B

Wing skins,

Cacbon-fiber

(1982)

structure

epoxy

19

25

23

35

25

thun tin trong nghiờn cu, ch to v ng dng ngi ta xp vt liu
composite thnh cỏc lp, cỏc nhúm theo cỏc tiờu chớ chung nht nh:
oTheo vt liu: Composite polyme, composite cacbon-cacbon,
composite gm, composite kim loi, composite g, composite tp lai.;
oTheo bn cht vt liu nn v ct: Composite nn hu c, composite

nn khoỏng cht, composite nn kim loi..;

Nguyễn Quang H-ng

8


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

oTheo hỡnh dng ct liu: Composite ct ht, composite ct si,
composite ct ht v si;
oTheo cụng ngh ch to: Cụng ngh khuụn tip xỳc, cụng ngh khuụn
vi diaphragm n hi, cụng ngh tm, cụng ngh dp, cụng ngh qun v cụng
ngh pulltrustion.
1.2 Gii thiu vt liu composite kt cu tm dng sandwich
Trong cỏc dng composite, composite tm dnh c khỏ nhiu s quan tõm
v u t nghiờn cu trong c hc, kt cu v ng dng bi tớnh ph dng ca nú
trong a ngnh k thut. Cỏc kt cu sandwich tm th hin nhiu u im ni bt so
vi cỏc dng tm s dng vt liu truyn thng, do ú s xut hin ca nú ngy cng
nhiu v chim u th so vi cỏc dng vt liu c s dng trc õy. c bit trong
mt s ngnh nh cụng ngh hng khụng, v tr, cụng ngh hng hi, tu bin, cụng
nghip xõy dng v giao thụng cỏc kt cu tm composite chim u th, cựng vi
s ci tin, phỏt trin trong nhiu hng nghiờn cu, cỏc dng kt cu tm composite
nhiu lp c phỏt trin mnh m c bit l cỏc tm dng sandwich. Tm composite
dng sandwich c hỡnh thnh bi s kt hp ca cỏc tm mng b trớ xen k nhau
trong kt cu tng th ca tm, trong ú c tớnh, s b trớ, sp xp cỏc lp, tm c
la chn sao cho phự hp nht vi mc ớch s dng v mang li hiu qu s dng
tt nht cng nh thun tin nht trong quỏ trỡnh ch to.

Vi mc tiờu chớnh l m bo bn c hc trong khi gim thiu c t
trng riờng, hng lot cỏc kt cu tm nhiu lp ra i ỏp ng c v thc s phự
hp vi mc ớch s dng hay núi cỏch khỏc l nú tha món c ng thi nhiu
ch tiờu ca bi toỏn thit k (hỡnh 1.1).

Nguyễn Quang H-ng
1. Lp v (skin)
2. Lừi (core)
3. Lp kt dớnh, keo

1. Lp bo v di
2. Lp v di
3. Lp kt dớnh

4. Lừi
5. V trờn
6. Lp trờn

9


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Hình 1.1. Cấu tạo chung tấm Composite

Với việc kết hợp giữa nhiều loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu làm lõi có tỉ trọng
riêng thấp và các tấm vỏ có cơ tính cao đã mang lại cho tấm composite dạng sandwich
những ưu điểm nổi bật:

o Tỉ trọng riêng trên một đơn vị tấm thấp;
o Có độ bền cơ học tốt;
o Thích ứng cao với môi trường;
o Thời gian sử dụng lâu dài;
o Chi phí thấp.
Hiện nay, có nhiều phương pháp chế tạo các dạng tấm composite, tùy thuộc
vào yêu cầu sản phẩm, quy mô sản xuất người ta sẽ lựa chọn công nghệ cho phù hợp.
Có một số phương pháp chế tạo các sản phẩm composite thường dùng như sau:
 Phương pháp thủ công (Hand lay-up): Với phương pháp này sản phẩm
có thể đạt được một cách linh động, dễ dàng, khuôn mẫu đơn giản. Tuy
nhiên, do khuôn hở nên sản phẩm đạt được có chất lượng bề mặt không
đều (thường chỉ có một mặt nhẵn), thời gian đóng rắn dài, chất lượng
sản phẩm phụ thuộc nhiều vào tay nghề.

NguyÔn Quang H-ng

10


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Hình 1.2. Phương pháp thủ công (hand lay-up)

 Phương pháp phun hỗn hợp: Súng phun được sử dụng để phun hỗn hợp
vật liệu kết dính và vật liệu gia cường vào khuôn. Phương pháp này cho
chất lượng bề mặt sản phẩm tốt, nó được sử dụng khi yêu cầu chế tạo các
sản phẩm có hình dạng phức tạp và yêu cầu về cơ tính không cao.


Hình 1.3. Phương pháp phun hỗn hợp

 Phương pháp đúc chuyển nhựa: Với phương pháp này vật liệu gia cường
được đặt trước trong khuôn, khuôn kín sẽ cho chất lượng bề mặt sản phẩm
tốt, giảm thiểu được sức lao động và đặc biệt là vấn đề môi trường. Tuy
nhiên, phương pháp gia công này lại có chi phí thiết bị khá cao và phù hợp
với những sản phẩm có kích thước nhỏ.

NguyÔn Quang H-ng

11


Luận văn thạc sĩ

Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp

Hỡnh 1.4. ỳc chuyn nha

Phng phỏp ỳc chõn khụng: Li dng s chờnh ỏp gia lũng khuụn v
b cha in y vt liu vo khuụn. Phng phỏp ny n gin, chi
phớ thp nhng li khú kim soỏt c cht lng sn phm vỡ s dng
khuụn mt mt.

Hỡnh 1.5. ỳc chõn khụng

Phng phỏp ựn ộp: Thit b ộp dng trc vớt thng c s dng
y hn hp vt liu nn v vt liu si vo khuụn v gi c nh trong
thi gian úng rn. Phng phỏp ny cho nng sut ln, cú kh nng t
ng húa cao phự hp vi sn xut hng khi, lot ln tuy vy nú vn cũn

hn ch l t l vt liu gia cng thp nờn c tớnh sn phm khụng cao.

Nguyễn Quang H-ng

12


LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Hình 1.6. Phương pháp đùn ép

 Phương pháp quấn sợi: Được sử dụng để chế tạo các sản phẩm dạng trụ,
tròn xoay rỗng. Phương pháp này nhanh, cơ tính sản phẩm cao và cho hiệu
quả kinh tế cao nhưng dạng sản phẩm chế tạo được bị giới hạn (rỗng – tròn
xoay).

Hình 1.7. Phương pháp quấn sợi

Dạng kết cấu tấm đã và đang được sử dụng hết sức đa dạng, để phù hợp với
từng mục đích sử dụng và công nghệ chế tạo của từng cơ sở sản xuất:
 Theo số lớp sử dụng: tấm lõi đơn, tấm lõi kép, tấm đa lõi…;

Hình 1.8. Tấm lõi đơn

NguyÔn Quang H-ng

13



LuËn v¨n th¹c sÜ

Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Hình 1.9. Tấm lõi kép

 Theo kết cấu lõi: dạng lõi lượn sóng, lõi gấp nếp, lõi tổ ong, lõi kim tự tháp,
lõi dạng bọt biển (foam)…;

a. Lõi tổ ong
d. Lõi tứ giác
g. Lõi tứ diện
b. Lõi tứ giác
e. Lõi kim cương
h. Lõi kim tự tháp
c. Lõi tam giác
f. Lõi hình mũ
i. Lõi Kagome 3D
Hình 5: Một số dạng lõi tấm
sandwich

Hình 1.10. một số dạng kết cấu lõi của tấm Sandwich

NguyÔn Quang H-ng

14


LuËn v¨n th¹c sÜ


Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

 Theo định hướng lớp cốt liệu: tấm lõi đơn hướng, tấm lõi đa hướng..

Hình 1.11. Các tấm sandwich lõi đơn hướng

Hình 1.12. Tấm sandwich đa lõi, đa hướng

Với các dạng tấm composite lõi không liên tục, hiện nay công nghệ chế tạo
vẫn còn khá mới mẻ, các phương pháp chế tạo truyền thống cho các dạng tấm
composite thông thường cho thấy nhiều hạn chế khi áp dụng đối với các tấm dạng
này. Nhu cầu đó đặt ra yêu cầu thường xuyên cải tiến, nâng cấp và áp dụng những
phương pháp chế tạo mới cho phù hợp, gần đây với công nghệ in 3D (three dierection)
cũng đã mở ra một hướng mới cho việc chế tạo các dạng tấm composite kết cấu lõi
phức tạp. Đặc biệt, không chỉ với những vật liệu như trước (chất dẻo), giờ đây in 3D
với vật liệu kim loại, thậm chí là kết hợp nhiều loại vật liệu trên một bản in cũng
không còn là xa lạ và những bản in được thương mại hóa sẽ sớm có mặt trên thị
trường.
Trong các dạng tấm sandwich trên thì dạng tấm sandwich với lõi gấp nếp đơn
được sử dụng khá phổ biến, với đặc điểm khá đơn giản trong công nghệ chế tạo nên
nó ngày càng phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống.

NguyÔn Quang H-ng

15


LuËn v¨n th¹c sÜ


Tr-êng §¹i häc Kü thuËt c«ng nghiÖp

Hình 1.13. Tấm Sandwich lõi gấp nếp

Tấm sandwich lõi gấp nếp lõi đơn 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 thể hiện trong từng trường hợp cụ thể.
Quá trình chế tạo tấm sandwich cho ta ba đặc tính phương của tấm như sau:
 phương mặt cắt ngang (cross direction – CD);
 phương máy (mechine direction – MD);
 phương theo chiều dày tấm (thickness direction – ZD).

Hình 1.14.: Định hướng tấm sandwich lõi gấp nếp

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 [2÷5], 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

NguyÔn Quang H-ng

16