.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MẠNH VỮNG

TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE
LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU XOẮN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN MẠNH VỮNG

TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG SỐ TẤM COMPOSITE
LÕI LƯỢN SÓNG CHỊU XOẮN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP ĐỒNG NHẤT HÓA
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KHOA CHUN MƠN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. DƯƠNG PHẠM TƯỜNG MINH
PHỊNG ĐÀO TẠO

Thái nguyên, tháng 8 năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Mạnh Vững
Học viên lớp cao học khóa K17 - Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun.
Hiện đang công tác tại Nhà máy Z131/Tổng cục CNQP/BQP.
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh.
Ngồi thơng tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết
quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong
bất cứ cơng trình nào khác.

Thái Ngun,ngày 8 tháng 8 năm 2017
Người thực hiện

Nguyễn Mạnh Vững

1


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học,
thầy giáo TS. Dương Phạm Tường Minh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu này.
Tơi xin cám ơn Ban Giám hiệu, phịng Đào tạo, các thầy cơ giáo trường

Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tơi
trong q trình học tập.
Tơi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp trong suốt thời gian tơi học tập và làm luận văn.

Thái Nguyên, ngày 8 tháng 8 năm 2017
Người thực hiện

Nguyễn Mạnh Vững

2


TÓM TẮT
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác
nhau. Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành
phần. Ngày nay, tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, hàng khơng, chế tạo ơtơ,
quốc phòng,…) nhờ các ưu điểm nổi bật như nhẹ, rẻ, và chịu được các mơi
trường khắc nghiệt. Do đó, việc nghiên cứu phải mơ hình hóa và dự đốn các
ứng xử cơ học của loại vật liệu này là hết sức cần thiết. Một tấm composite lõi
lượn sóng có thể được coi như là một cấu trúc 3D và được mơ hình hóa (lớp
vỏ và lõi lượn sóng) bởi các phần tử vỏ (shell), nhưng việc mơ hình hóa và
mơ phỏng số các tấm composite trực hướng kiểu này rất khó khăn và tốn kém.
Do đó, việc sử dụng một mơ hình đồng nhất hóa để mơ phỏng các cấu trúc
của nó nhằm đánh giá ứng xử cơ học sẽ nhanh hơn, giảm chi phí mà vẫn cho
kết quả tương đương.
Trong luận văn này, một mơ hình đồng nhất hóa giải tích cho tấm
composite lõi lượn sóng chịu xoắn được đề xuất. Theo mơ hình này, một tấm
composite lõi lượn sóng 3D được thay thế bởi một tấm đồng nhất 2D tương

đương. Thay vì sử dụng luật ứng xử cục bộ (quan hệ giữa ứng suất và biến
dạng) tại mỗi điểm, phép đồng nhất hóa cung cấp các độ cứng tổng thể (quan
hệ giữa biến dạng tổng thể và hợp lực) cho một tấm 2D đồng nhất tương
đương. Việc so sánh các kết quả mô phỏng số sử dụng phần tử hữu hạn cho mơ
hình Abaqus 3D, mơ hình đồng nhất hóa 2D và kết quả thí nghiệm của tấm
lượn sóng chịu xoắn chỉ ra rằng mơ hình đồng nhất hóa đề xuất rất chính xác và
cực kỳ hiệu quả.

3


BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiÖu
Tên các đại lượng
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)
Góc xoay của pháp tuyến z về x hoặc góc xoay quanh trục y
x
(x=xoay
Góc
của pháp tuyến z về y hoặc góc xoay quanh trục -x
y)
y
(
y=-
 
Véc
tơx)độ cong
x ,  y
Các góc xoay của mặt trung bình quanh trục y và trục x tương

ứng màng
N x , N y , Lực
M x , M y , Mô men uốn, xoắn
Lực cắt ngang
Tx , Ty

4


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 2
TÓM TẮT ........................................................................................................ 3
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ 4
MỤC LỤC ........................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ....................................................... 7
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 9
0.1. Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................... 9
0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .............................................................. 10
0.3. Kết quả đạt được: .................................................................................... 11
0.4. Cấu trúc của luận văn: ............................................................................. 11
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ KẾT
CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP ........................................................................ 12
1.1. Vật liệu composite. ................................................................................ 13
1.2. Tấm composite. ...................................................................................... 19
1.3. Tấm composite với các dạng lõi khác nhau ........................................... 22
1.4. Tấm composite lõi lượn sóng ................................................................ 25
1.5. Carton lõi lượn sóng .............................................................................. 26
1.6. Mục đích của luận văn. .......................................................................... 29

Chương 2 MƠ HÌNH ĐỒNG NHẤT HÓA CHO TẤM COMPOSITE LÕI
LƯỢN SÓNG ...................................................................................................... 30
2.1. Giới thiệu................................................................................................. 30
2.2. Nhắc lại lý thuyết tấm của Mindlin......................................................... 30
2.3. Lý thuyết tấm nhiều lớp .......................................................................... 33
2.4. Áp dụng lý thuyết tấm nhiều lớp vào carton lõi lượn sóng .................... 35
Chương 3 HỢP THỨC HÓA BẰNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM CHO MƠ
HÌNH ĐỒNG NHẤT HĨA ................................................................................ 44
3.1. Hợp thức hóa bằng mơ phỏng số ............................................................ 44
3.2. Hợp thức hóa bằng thực nghiệm ............................................................. 47
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 56

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thuộc tính của các lớp giấy tạo thành tấm carton ................................................. 45
Bảng 2. So sánh giữa Abaqus-3D và Mơ hình H-2D cho xoắn MD và CD......................... 46
Bảng 3. Tính chất cơ lý đối với vật liệu hợp kim nhôm Д16 ............................................... 47
Bảng 4. Thành phần hóa học của vật liệu Д16 .................................................................... 48

6


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1. Mơ hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng ......................... 9
Hình 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn ............................................ 16
Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa ..................... 16
Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay ....................................................... 17

Hình 5. Ứng dụng trong cơng nghiệp ơtơ ....................................................... 17
Hình 6. Ứng dụng trong cơng nghiệp tàu thủy ............................................... 17
Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao ...................................................... 18
Hình 8. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng ...................................................... 18
Hình 9. Ứng dụng trong cơng nghiệp bao bì .................................................. 19
Hình 10. Các loại vật liệu composite .............................................................. 19
Hình 11. Lớp vật liệu composite ..................................................................... 20
Hình 12: Mơ hình cấu trúc của composite nhiều lớp ..................................... 20
Hình 13. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung .......................... 21
Hình 14. Tấm lõi đơn ...................................................................................... 22
Hình 15. Tấm lõi kép ....................................................................................... 23
Hình 16. Một số dạng kết cấu lõi của tấm Sandwich...................................... 23
Hình 17. Các tấm sandwich lõi đơn hướng .................................................... 24
Hình 18. Tấm sandwich đa lõi, đa hướng ....................................................... 24
Hình 19. Tấm Sandwich lõi lượn sóng ............................................................ 25
Hình 20. Carton lượn sóng lõi đơn (trên) và lõi kép (dưới). .......................... 26
Hình 21. Lực màng, mơ men uốn-xoắn và lực cắt ngang ............................... 32
Hình 22. Cấu tạo tấm nhiều lớp ...................................................................... 33
Hình 23. Hình dáng hình học của carton lõi lượn sóng ................................. 36
Hình 24. Lực và mô men nội lực trong một mặt phân tố của tấm .................. 38
Hình 25. Mơ hình xoắn cho một gridwork ...................................................... 39

7


Hình 26. Hình dáng hình học mặt CD của carton lượn sóng ......................... 44
Hình 27. Chia lưới mơ hình Abaqus-3D (trên) và mơ hình H-2D (dưới) bởi
phần tử S4R ..................................................................................................... 45
Hình 28. Chuyển vị và biến dạng của tấm carton khi chịu xoắn theo mặt MD
......................................................................................................................... 46

Hình 29. Bản vẽ mẫu thí nghiệm ..................................................................... 48
Hình 30. Bản vẽ tấm mẫu gia cơng trên máy phay CNC ................................ 49
Hình 31. Tấm lượn sóng sau khi phay và khoan lỗ trên máy phay CNC........ 49
Hình 32. Gá lắp phơi trên máy cắt dây để gia cơng tấm lượn sóng ............... 50
Hình 33. Mẫu thí nghiệm tấm lượn sóng sau khi cắt dây ............................... 50
Hình 34. Sơ đồ nguyên lý của đồ gá thử xoắn ................................................ 51
Hình 35. Đồ gá thử mơ men xoắn cho tấm lượn sóng .................................... 52
Hình 36. Chuyển vị và biến dạng của tấm hợp kim nhôm lõi lượn sóng khi
chịu xoắn theo mặt CD .................................................................................... 53
Hình 37. Quan hệ Mơ men-Góc xoắn cho tấm hợp kim nhơm lõi lượn sóng khi
chịu xoắn theo mặt CD .................................................................................... 53

8


MỞ ĐẦU
0.1. Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay, tấm composite lõi lượn sóng được sử dụng rộng rãi trong các
ngành cơng nghiệp (như bao bì, xây dựng, đóng tàu, hàng không, chế tạo
ôtô,…) 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 tốn 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 lượn sóng 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 tốn mơ
phỏng số cho các kết cấu composite thường sử dụng các công cụ FEM bằng
các phần mềm thương mại (Ansys, Abaqus…).

Hình 1. Mơ hình đồng nhất hóa tấm composite lõi lượn sóng

Tuy nhiên, việc mơ phỏng các kết cấu composite kiểu như vậy rất tốn
kém và không hiệu quả, thậm chí là khơng 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 mơ hình hình học, thời gian cho sự chuẩn bị mơ hình phần tử hữu

9


hạn và cơng việc tính tốn mơ 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
tốn phục vụ thiết kế, mơ phỏng cho các kết cấu này mà vẫn đảm bảo độ
chính xác theo yêu cầu. Đó là phương pháp đồng nhất hóa, nó được xây
dựng để thay thế tấm composite lõi lượn sóng 3D bằng một tấm đồng nhất 2D
tương đương (Hình 1), nhằm giảm đáng kể thời gian tính tốn cũng như thời
gian xây dựng mơ hình.
Với mơ hình đồng nhất hóa dạng này, có thể nhận thấy rằng thời gian
cũng như khối lượng tính tốn sẽ giảm đi rõ rệt, và tất nhiên mơ hình này
hồn tồn 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 và hàng không.
Từ những lý do trên, có thể thấy rằng việc đặt vấn đề nghiên cứu và xây
dựng được mơ hình đồng nhất hóa cho tấm composite lõi lượn sóng là rất cấp
thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn. Sự thành cơng
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 tốn và mơ phỏng số tấm composite lõi lượn
sóng chịu xoắn bằng phương pháp đồng nhất hóa” sẽ mở ra để nghiên cứu,
giải quyết các vấn đề trên.
0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu, tính tốn và phát triển một mơ hình đồng nhất hóa để mơ
phỏng số cho tấm composite lõi lượn sóng dạng 3D chịu xoắn bằng một tấm
đồng nhất 2D tương đương nhằm tiết kiệm thời gian tính tốn (từ 15 đến 20
lần) cũng như thời gian xây dựng mơ hình bài tốn và chi phí.
10


Một kết cấu tấm composite lõi lượn sóng phổ biến, được sử dụng rộng
rãi trong cơng nghiệp bao bì cũng như đời sống hằng ngày là tấm carton lõi
lượn sóng. Chính vì vậy đề tài tập trung nghiên cứu tính tốn cho tấm carton
lõi lượn sóng, và từ đó có thể mở rộng áp dụng cho tất cả các loại tấm
composite lõi lượn sóng được làm từ các loại vật liệu khác nhau.
0.3. Kết quả đạt được:
Đề tài đã nghiên cứu xây dựng được mơ hình đồng nhất hóa 2D cho
tấm composite lõi lượn sóng 3D, từ đó áp dụng cho tính tốn tấm carton lõi
lượn sóng đơn (3 lớp).
Đăng tải 01 bài báo trên Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Vâ ̣t
liêụ và Kế t cấu Composite - Cơ học, Công nghê ̣ và Ứng dụng. Tháng Bảy
2016, Nha Trang, Việt Nam. Tr. 463-470.
0.4. 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: Mơ hình đồng nhất hóa cho tấm carton lõi lượn sóng.
Chương 3: Hợp thức hóa bằng số và thực nghiệm cho mơ hình đồng
nhất hóa.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần
cuối cùng của luận văn.


11


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CƠ HỌC VẬT LIỆU
VÀ KẾT CẤU COMPOSITE PHỨC TẠP
So với vật liệu kinh điển thì vật liệu composite có rất nhiều ưu điểm nổi
bật mà ta có thể nêu ra ở đây, đó là: nhẹ, độ bền riêng cao, mô đun đàn hồi
riêng cao, độ cách nhiệt, cách âm tốt, chịu mài mòn tốt… do vậy mà nó càng
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới
như: hàng khơng, chế tạo máy, vũ trụ, đóng tàu, ơ tơ, 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 mơ hình tính
tốn và thiết kế.
Ở Việt Nam, nói chung cũng đã có những ứng dụng đáng kể như: Vịm
che máy bay, ống phóng các loại đạn phản lực và tên lửa, xuồng cứu sinh, tàu
du lịch, cửa chắn nước, 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 mơ hình cơ học sát
thực, những phương pháp tính tốn 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.

12



Một số lý thuyết tấm bậc nhất đơn giản và 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.
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
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 ngun
khối, liên tục, đảm bảo cho composite có độ bền nhiệt, bền hố 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.
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 địi 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
mà vật liệu composite giữ vai trị then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu
mới. Thực ra, q 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

13



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 hồn tồn sang trạng
thái khơng trật tự (vơ định hình). Kim loại thơng 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 mơi trường kiềm và axit, dễ bị
oxi hóa, và nhiều kim loại có độ bền nhiệt khơng 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 hố trị, tạo thành mạng tinh thể (có trật tự), hoặc trạng thái
vơ 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
mơi trường kiềm và axít, tuy nhiên gốm lại giịn, khơng biến dạng dẻo.
Vật liệu polyme có hai loại: nhiệt rắn (đơng rắn ở nhiệt độ cao, q
trình polyme hố khơng có tính thuận nghịch) và nhiệt dẻo (q trình thuận

14



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 ngun tố chủ yếu là
cacbon và hyđrơ, có chứa thêm oxy, clo, nitơ,…. Polyme có ưu điểm là nhẹ,
cách điện, bền vững với các mơi trường hố học, tuy nhiên lại có mơ đun đàn
hồi thấp và khả năng chịu nhiệt không cao.
Trong các vật liệu kể trên, trước đây 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 yếu điểm. Trong khi
cơng nghiệp hiện đại, nhất là cơng nghiệp quốc phịng 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, lại vừa bền nhiệt, …là những tính chất lý tưởng mà
khơng vật liệu tự nhiên nào có được. Từ đó con người đã nảy sinh ý tưởng, và
sau đó đã trở thành hiện thực là chế tạo những vật liệu mới, tổ hợp được các
ưu điểm của các loại vật liệu nói trên. Vật liệu mới composite, có thể có các
chỉ tiêu cơ lý cao hơn kim loại và hợp kim, lại bền với cả mơi trường hố học
và rất nhẹ. Ngày nay, composite ngày càng chiếm ưu thế, đã 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.
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 2):
15



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 2. Tỷ lệ composite trong máy bay tàu lượn
Ngày nay vật liệu composite đã có mặt ở hầu hết mọi lĩnh vực cũng như
trong đời sống hàng ngày. Từ Hình 3 đến Hình 9 thể hiện một số ứng dụng
của vật liệu composite trong hầu hết các lĩnh vực như ô tơ, xây dựng, máy
bay, tên lửa…

Hình 3. Ứng dụng trong chế tạo động cơ tên lửa xuyên lục địa

16


Hình 4. Ứng dụng trong chế tạo máy bay

Hình 5. Ứng dụng trong cơng nghiệp ơtơ

Hình 6. Ứng dụng trong công nghiệp tàu thủy

17


Hình 7. Ứng dụng trong dụng cụ thể thao

Hình 8. Ứng dụng trong kết cấu xây dựng
18



Hình 9. Ứng dụng trong cơng nghiệp bao bì
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 khơng 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 lớp và 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 ơtơ, hàng khơng vũ trụ…).
Dưới góc độ cơ học thì vật liệu composite được phân thành 3 nhóm
chính, đó là: composite đẳng hướng (Hình 10a), composite đẳng hướng ngang
(Hình 10b), composite trực hướng (Hình 10c).

a

b

c

Hình 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”.

19


a

b


c

Hình 11. Lớp vật liệu composite
Lớp đồng phương (Hình 11a), lớp “mat” (Hình 11b) và lớp vải, băng
(Hình 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…
Để thấy rõ cấu trúc của tấm composite nhiều lớp, có thể tham khảo mơ
hình của vật liệu composite nhiều lớp như Hình 12.

Hình 12: Mơ hình cấu trúc của composite nhiều lớp
Ngoài ra tùy thuộc vào sự phân bố của các lớp mà vật liệu composite
còn được phân ra thành các loại.
20


- 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 tốn 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 13.

z,3
y


2

1

x

Hình 13. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung
Để tính tốn 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
ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp. Khi đó ta có thể hồn tồn biết
được ứng xử cơ học của toàn bộ kết cấu composite. Các phương pháp tính
tốn 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:

21


Nhóm giải tích: Các thơng 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 khơng q 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 tốn phụ thuộc rất nhiều vào
lý thuyết (mơ 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 tốn chính là lý thuyết mà ta sử dụng.
1.3. Tấm composite với các dạng lõi khác nhau
Dạng kết cấu tấm đã và đang được sử dụng hết sức đa dạng, để phù hợp
với từng mục đích sử dụng và cơng nghệ chế tạo của từng cơ sở sản xuất,
người ta phân ra làm các dạng tấm sandwich khác nhau:
 Theo số lớp sử dụng: tấm lõi đơn, tấm lõi kép, tấm đa lõi…;

Hình 14. Tấm lõi đơn
22


Hình 15. 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 16. Một số dạng kết cấu lõi của tấm Sandwich
 Theo định hướng lớp cốt liệu: tấm lõi đơn hướng, tấm lõi đa hướng..


23