Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm

TÊN DE TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thựcpham ứng dụng siêu âm.. TOM TATCắt thực phẩm ứng dung siêu âm là một ứng dung mới sử dung công nghệ si

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

CAT THUC PHAM UNG DUNG SIEU AM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ KhíMã ngành: 60520103

LUẬN VAN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa

-ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts Nguyễn Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Phan Đình HuấnCán bộ chấm nhận xét 2: TS Phạm Sơn Minh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai Học Bach Khoa, DHQG-TP HCMngày 08 tháng 07 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS.TS Phan Dinh Huan

2 TS Phạm Sơn Minh3 PGS.TS Đặng Vũ Ngoạn4 TS Lê Thanh Danh

5 TS Lưu Phương Minh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

TS Lưu Phương Minh PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTTRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hanh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Thạch Ngọc Phú MSHV: 13040395Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989 Nơi sinh: Trà VĩnhChuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60520103IL TÊN DE TÀI:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thựcpham ứng dụng siêu âm.

Il NHIEM VU VÀ NỘI DUNG:1 Mô phỏng hệ siêu âm khuôn cat bang phần mềm Abaqus2 Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm

3 Thực nghiệm cắt một số thực phẩm4 Đưa ra một số thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩmIll NGÀY GIAO NHIỆM VU : 11-01-2016

IV NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 17-06-2016

V CAN BO HUONG DAN: TS Nguyễn Thanh Hải

Tp HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2016CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Thanh Hải TS Trần Nguyễn Duy Phương

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu

LƠI CAM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thay Nguyễn Thanh Hải, luận văn nàysẽ không được hoàn thành nếu không có sự hướng dan tận tình của Thay, Thayđã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũngnhư tháo gỡ các khúc mắc mà tôi gặp phải trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ luôn làđộng lực để tôi phân đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên

cứu.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học đã trải qua khó

khăn, vui buôn trong suôt thời gian học cao học.Tôi xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016

Thạch Ngọc Phú

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu

TOM TAT

Cắt thực phẩm ứng dung siêu âm là một ứng dung mới sử dung công nghệ siêu âmgiúp đem lại lợi ích tốt hon so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc biệt đối vớimột số thực phẩm khó cắt vì chúng có tính chất cứng, gion, mềm, déo, dễ bám dính thìphương pháp này áp dụng càng hiệu quả hơn Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu cácthông số ảnh hưởng tới quá trình cat, dé làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo thửnghiệm khuôn cắt (sonotrode), đồng thời sẽ đưa ra thông số công nghệ hợp lý chophương pháp cat thực phẩm ứng dụng siêu âm

Từ khóa: khuôn cắt, siêu âm,

ABSTRACT

Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order tobring better benefits compare to the conventional method Especially for some foodswhich difficult to cut because of its hard, easy stick, so this method could be moreefficient This research focus on cutting parameters which could effect during cuttingprocess This result is fundamental for designing and making prototype of sonotrode,also provide technological parameters for food cutting technology.

Keywords: sonotrode, ultrasonic,

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải | HVTH: Thach Ngọc Phu

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIÁ

Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một sô tài liệu, luậnvăn, bài báo đã thực hiện.

Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực, không vi phạmbat cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tôi

Tác giả

Thạch Ngọc Phú

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thach Ngọc Phu

MỤC LỤC

I_ TÔNG QUAN 2 QC TT TH ng KT HT TT TH TT HT re nưyu 111.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu AMI ee cceseecscescesscesseesceccecsceesscneeeees 111.2 — Tinh hình nghiên Cu cc eeecccccccccccessseeececeecceeeeeeeceseesseeeeeeeceeseeaeeees 121.2.1 NghiÊn cứu trong nu ccc eeesceccccceeeeeesseecceceeeaeaeeeeeeceeeeeaeeees 121.2.2 Nghiên cứu trên thé GiGi icc cccecsccscesssessscescscscesssssseevecesevscnees 121.3 Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm - - SccEsvsxEsEcxcvskskrersed 141.4 Lý do chọn để tải: SG ch HT TH HH TH ng ng ưu 151.5 Mục tiêu của luận Van oo eeccccseccceeccessccensccesccsesscseseceessceessseesceees 161.6 Ý nghĩa và đóng góp của dé tài: ceceseecscescecsceesesssescecscsesscneeeees 161.6.1 Khoa HOC? eee eee ceeecceeeceeesccescccscceessceesccsesccsesssescssesseueceusesss 161.6.2 Thực tigi: ese ceceeecseseessessseeseeecseseeereseesceeenesucseseeseeaeseaeeeeeeeneeeeesenee 162 CO SO LY THUYET wo.eeeeceecsssssesseeseeseeseeseeesecsecenseecseseesesenseneansaneaneanennen 172.1 Lý thuyết sóng siêu Am: - k1 nề HT ng ri 172.1.1 Định nghĩa sóng siêu Âm: - + S S2 s31 +ssssssss 172.1.2 Ban chất sóng âm: Gv ng nưyn 182.1.3 Các đại lượng đặc trung? cc eeecccccccceceeeeeeececceeceaeaeeesceceeeeeeenees 182.1.4 Phan loại sóng AM? - 2111112 1111 v0 11111 v2 192.1.5 _ Tính chất vật ly của sóng âm và siêu âm - se sex csrsed 202.1.6 Nguồn phát siêu âm - - tt v1 E1 ng niệu 222.2 Cau tạo và nguyên lý cắt thực phẩm băng siêu âm - 5s ss¿ 242.3 Các thông số cat siêu âm G- Gv S1 1S HT ng ngư 282.3.1 Áp lực cắt F (|) TT n ng HT n TH HH TH niệu 282.3.2 _ Tân số siêu âm f (KHHZ) - G- EkSx E1 SE về cv tre ưyg 292.3.3 Biên độ cắt A (IIm) - c1 TS TT HT ng niệu 29GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thach Ngọc Phu

2.3.4 Tốc độ cat v (Im/$) c- + x91 E1 vn ng nưyg 293 QUÁ TRÌNH THIET KE VA MÔ PHONG KHUÔN CẮTT 293.1 Cơ sở thiẾt kẾ Ăc c2 303.1.1 Sóng doc truyền qua thanh trụ thang [I] -¿-c < 55s +s£ss£s£se+ 303.1.2 _ Sóng truyền qua chỉ tiết có biên dạng không đồng nhất 323.2 Lua chọn vật liệu cho khuôn cắt - ¿22c ke E23 ES3 S828 E2 E+E se Esssd 343.3 Mô hinh phân tử hữu han FEM (Finite Element Modelling) 353.4 _ Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn Cat - + 6xx EsE + EeEseeevserxei 363.4.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS - 2 SE SE eEseseeersed 363.4.2 Giới thiệu mô hình bộ siêu âm và khuôn cắt -: 383.4.3 Định nghĩa vật liệu cho các chỉ tiết của mô hình trong Abaqus: 393.4.4 Tao lưới mô phỏng cho mô hình 5+ << << << sss 443.4.5 _ Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mô hình 463.4.6 _ Thiết lập tương tác giữa các chỉ tiết với nhau 5-5 s se s£ssẻ 473.4.7 Gan điều kiện biên (boundary condition$) s55 csrsed 493.4.8 Áp đặt lực cho bài toán (lOađS) ác SE net rerưyg 513.4.9 _ Kết quả mô phỏng: vec ceccecssecescssscescesscessecsceevscsecevacscecsceesscneeesas 523.4.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt băng nhôm ¿5 5¿ 673.4.11 Kết luận c2 the 714 _ QUÁ TRINH CHE TAO VÀ THU NGHIỆM KHUÔN CẮT 724.1 Chế tạo khuôn cắt bằng thép - ket SE SE SE rersed 724.2 Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm c8 E#E£kEsEskevEskserersed 744.3 Thử nghiệm khuôn cắt G- - tk k3 EE Sư ng sec 754.3.1 Cắt bánh choCOpie -c- G111 ST TT HT ng niệu 764.3.2 _ Cắt bánh mi không SG kx S1 SE về HT ng rgưyg 77GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thach Ngọc Phu

4.3.3 Cắt bánh bông lan St k1 E1 ng ru 784.3.4 Các thực phẩm khác c1 E1 vn ng rvgeryg 794.4 KẾ(luận LL c SH SnSH ThS HH1 H111 0101011101121 HH nưàg 805 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - E221 SE SE SE EEv xxrxrrưy 805.1 Luận văn đã giải quyết được các van dé Sau: c co 805.2 Kiến nghị SH s1 HT TH HT TH TT TT HH TH gu 81

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 5 HVTH: Thach Ngọc Phu

Danh sách hình vé

Hình 1.1: Cắt bánh bông lan bang dao siêu âm [§] - 2 + £+E+x+£+xzecsz 1]Hình 1.2: Hệ thông cắt bánh tự động bang cánh tay robot của Abrigo 13Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bông lan cua hãng Bakon 13Hình 1.4: Máy cat sandwich của hãng Döinghaus - 6 xxx sec se cecee 14Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cat bằng siêu âm [6 ] - - 56+ + sx£+e+xc£sesecse 15Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng AM [9] -.- <2 17Hình 2.2: Biểu đỗ biểu diễn dao động của sóng âm [6] 5-5 2 55s <sxsx s2 18Hình 2.3: a sóng doc; b sóng ngang [9] ee cccccccceceeeeseececceeceeeeeesececeeeeeaeeees 19Hình 2.4: Dao động của tinh thé thạch anh [6] 5 + + SE £E+E+e££+ezecsz 22Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9] . - - <5 << c3 3311111111111 x2 22Hình 2.6: Hiện tượng tty Ø1ảO TQ S9 1111101 100 111111111111 111v xế 23Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8] 2-5 seen 25Hình 2.8: Bộ phát cao tần [6] - - E3 3911 E1 cv yrreg 25Hình 2.9: Bộ chuyền đổi siêu âm [6] -:-G- k SE EEkEsE#vekEskekeerseeeree 26Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6] - 25+ +2 x££E+E+e+£seeecse 26Hình 2.11: Các loại khuôn cắt siêu âm trong thực phẩm [6] - 5-5 55s 5s: 27Hình 2.12: So sánh quá trình cat vật liệu xốp trường hợp có và không có siêu âm 27Hình 2.13: Các thông số cắt siêu âm ©- xxx SE SE se ceg 28Hình 2.14: So sánh lực sử dụng trong quá trình cắt không có và có siêu âm [3] 28Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] - - s2 E+E£vEsE£E£EsEekeeeeeeeese 29Hình 3.1: Sóng doc trên thanh trụ thắng đồng nhất [1] - cece eee eeeeeeeee 30Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khuôn có biên dạng đối xứng tâm 33Hình 3.3: Hình dạng sóng truyền qua các biên dạng khác nhau - 34Hình 3.4: Lưu đồ mô phỏng trong AbaqU§ - - - s58 E*E#E£EsEekexveececee 37GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 6 HVTH: Thach Ngọc Phu

Hình 3.5: Mô hình mô phỏng khuôn cắt - 2-2 + E2 k+E£#EEeE+E+E+EEeEerrereei 38Hình 3.6: Mô hình mô phỏng khuôn cắt eececesessesscscesesescseseeseeeeeseen 39Hình 3.7: Định nghĩa vật liệu thép trong ABAQUS c2 40Hình 3.8: Tạo hướng dao động cho vật liệu piezoelectric trong Abaqus 44Hình 3.9: Dinh dang phan tử cho các chỉ tiết (ngoại trừ đĩa ceramie) - 45Hình 3.10: Dinh dạng phan tử cho đĩa piezo ceraImic ¿- ¿+ s+s+s£ec+zzezee 45Hình 3.11: Mô hình sau khi đã được chia TưƯỚi . . - <<< << <<<<<<<s< <2 46Hình 3.12: Tạo các trạng thái trong AbaQqus - << + s33 2<++ssssssss 47Hình 3.13: Tương tác giữa bulong và đầu transducer s-s + +s+sxsc+z+ezee 48Hình 3.14: Định nghĩa 2 kiểu tương tác gồm general contact và frictionless 48Hình 3.15: Tạo module tương tac cho mô hình + «<< << <4 49Hình 3.16: Gan điều kiện biên cho đĩa piezo ceraimic 5s s se ssxsecse 50Hình 3.17: Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng . ¿- 6+2 sex csz 50Hình 3.18: Không chế 6 bật tự do của boosfer ¿ác ta nan na se set sseessed S1Hình 3.19: Khai báo lực bulong ở trạng thai tĩnh cho bài toán . 51Hình 3.20: Mode dao động doc trục ở tan số tir 19162-20700 (Hz) -: 52Hình 3.21: Mode dao động xoắn ở tan số 26687-28731 (Hz) ¿ -ssscs: 53Hình 3.22: Mode dao động phức hop ở tan số 20733-24215 (Hz) : 54Hình 3.23: Khao sat biên độ dao động ở đầu ra của transducer -. -ss: 55Hình 3.24: Phân bố ứng suất theo phương dọc trục của transducer - 55Hình 3.25: Chuyến vị theo 3 phương ở mặt A-A của boosfer -s- «se: 56Hình 3.26: Bién thiên của biên độ dao động dọc trục boosfer - 57Hinh 3.27: Biéu dé bién thién ung suất doc trục của boosf€r cccc se sec: 57Hình 3.28: Khao sát chuyển vị tai A và B óc kh HH HH ng 58Hình 3.29: Đồ thị chuyền vi của điểm A và B theo tan số 2-5-2 2 x5: 59GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 7 HVTH: Thach Ngọc Phu

Hình 3.30: Ứng suất phân phối trong hệ mô phỏng 2 + s£+x+x+s£+xzxc+z 60Hình 3.31: Điểm chuyển vị lớn nhất của hệ -¿- -c ca Ea E3 E3 ES3 SE se se Esz sa 61Hình 3.32: Khuôn cat bị biến dang trong quá trình dao động 5s: 62Hình 3.33: Các đường cần khảo sát -:- + k k1 Ev cv ng ng ng 62Hình 3.34: Quan hệ giữa chuyển vi và ứng suất dọc trục của đồ số l 63Hình 3.35: Quan hệ chuyển vị và ứng suất của đường lưỡi dao (đường số 2) 64Hình 3.36: Chuyển vị doc trục của khuôn cắt - c2 cc Se Ea S3 S22 ssssd 64Hình 3.37: Ứng suất theo chiều doc trục của khuôn cắt . - -sccscss sec: 65Hình 3.38: Chuyén vị va ứng suất của đường trung tâm (đường số 3) 65Hình 3.39: Phân phối phan lực của hệ thống ¿2 + xk++EE+E+E+EEeEserereei 66Hình 3.40: Tong áp lực của hệ siêu 4m cceceseseeccesessessccesestseseseeseetseseen 66Hình 3.41: Mô hình khuôn nhom ce ecsccncccecccecceccecceceecceeceeeeceeeeeseeeeeeseeees 67Hình 3.42: Khảo sát 2 điểm trên lưỡi cắt của khuôn nhôm 5 2 55: 67Hình 3.43: Biéu độ chuyển vị của điểm A và B theo tần số c se csesszsss2 68Hình 3.44: Biểu đồ chuyển vi và ứng suất dọc trục tại tần số 20547 (Hz) 69Hình 3.45: Chuyển vị dọc trục và ứng suất dỌC TUC ccccccccsessescesceccescescesceseeseescsees 69Hình 3.46: Biểu đồ chuyển vi và ứng suất dọc trục theo chiều dài lưỡi dao 70Hình 3.47: Biểu đồ áp lực tại vị trí định vVị sec +x+k+eEx ke rerrrrreee 70Hình 4.1: Khuôn cắt bánh bông lan - -cc c1 srxéi 72Hình 4.2: Hệ thống cắt gồm 3 hệ siêu âm . - ¿2 + x+k+2EE+E+E+E+EEeEerrereei 73Hình 4.3: Khuôn cắt 120mm băng thép - - sxxE*ESESESE#EEEsEekexveececee 73Hình 4.4: Bản vẽ khuôn cắt bằng nhôm E8 SE ve cee 74Hình 4.5: Khuôn cắt bằng nhôm G- EsE E1 SE SE SE SE cv reg 75Hình 4.6: Hệ siêu âm chưa gắn khuôn cắt c2 x SE sE#v#EsEekcx se cecee 75Hình 4.7: Mô hình thử khuôn cắt ¿5:52 +ct 2x +tzktrttrrtrttrtrrtrrrrrrrrrrke 76GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 8 HVTH: Thach Ngoc Phu

Hình 4.8: Cắt bánh cho€OpIe G13 191 E1 vn ng ng 76Hình 4.9: Quá trình cắt bánh mÌ -¿- G6 SE E11 vn Hy ng re 77Hình 4.10: Mặt cắt bánh mì sau khi cắt is kSs SE SE SE SE ESESEseEserrersees 78Hình 4.11: Mặt cắt bánh bông lan G-G- < -EStSS1 E3 SE SE cty reg 78Hình 4.12: Khả năng cắt mong của hai phương pháp ¿- 5s 2 + se csz 79Hình 4.13: Cat không và có siêu âm bánh dẻo - 5 52+ 2 +E+e+eEsEserezeei 79Hình 4.14: Cắt bánh in bang siêu âm - -G- xxx SE SE ve cee 79Hình 4.15: Cắt xúc xích bằng siêu âm - -:- xxx SE Yg nvc vrereg 80

Danh sách bảngBảng 3.1: Một số vật liệu thường được dùng làm khuôn cắt [5] -: 35Bang 3.2: Bảng các thông số vật liệu của các chỉ tiết [9] -¿-¿ s +5 cscsxsecse 40Bang 3.3: Các thông số của piezoelectric P8 [4] - 5s + se sex seEseexeeseeeese 41Bảng 3.4: Các thông số vật liệu của PIC 181 [4| - - 5s se £+e+xcs£sesecse 42Bảng 3.5: Độ lớn dao động tại A và B tại các tẦn SO eececcccceccescsscsscsscsscsscsceseeseesees 68Bang 3.6: Thông số công nghệ theo kết quả mô phỏng của khuôn thép: 71Bảng 3.7: Thông số công nghệ của khuôn nhOM? 0 eee scesessecessessceessceceessceees 71

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 9 HVTH: Thach Ngoc Phu

Danh sách ký hiệu và từ viết tắtA bước sóng (um)

T chu ky songs (s)f tan só của song (Hz)

v vận tô trường sóng (mm)4 biên độ sóng (um)E module đàn hồi của vật liệu (Pa)o ứng suất (N/m?)

e biến dạng tương đối (đơn vị)ø khối lượng riêng (kg/m?)m khỗi lượng (kg)

S diện tích mặt cat (m?) công thức 3.15F luc (N)

O hệ số chất lượng công thức 3.19

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 10 HVTH: Thach Ngọc Phu

1 TONG QUAN

1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm:Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng khá lâu trong công nghiệp như là siêu âmtrong y hoc, han siêu âm, kiểm tra không phá hủy băng siêu 4m, Tuy nhiên, cắt thựcphẩm ứng dụng siêu âm thì chỉ thực sự được áp dụng khá phố biến vào những năm 1990[1] Các nhà khoa học thực phẩm không những ngày càng chú trọng đến những thựcphẩm an toàn về mặt vi sinh ma còn đặc biệt quan tâm đến những thực phẩm có mẫu mãđẹp Ngoài ra, do lợi ích thương mại mà người ta ngày càng có xu hướng sản xuất nhữngchiếc bánh to, từng mảng lớn, điều này giúp làm giảm chi phí sản xuất Do đó khâucắt thực phẩm trở nên rất cần thiết dé có thé cat nhỏ những chiếc bánh này theo kíchthước mong muốn mà ít tốn kém, đáp ứng nhanh, hợp vệ sinh mà mẫu mã vẫn đảm bảo.Bên cạnh đó, một số thực phẩm gặp khó khăn khi cắt xén hoặc chúng dễ bám dính vàodụng cu cắt thì công nghệ cắt thực phẩm bang siêu âm càng trở nên phù hop hơn Vớiưu điểm như vết cắt hoàn hảo, hạn chế bám dính, ít ton that thực phẩm, thực phẩm khôngbiên dạng sau cat,

Cũng giống như phương pháp cat truyền thống, cắt băng siêu âm cũng tạo vết catnhờ sự tác động của dao cắt tới vật cần cắt Tuy nhiên, dao cắt siêu âm được cấp mộtnguôn siêu âm nên nó dao động với tan số cao, điều nay làm giảm ma sát giữa lưỡi daovới vật liệu cần cắt nên việc chia tách vật liệu diễn ra dễ dàng hơn mà không phải sửdụng nhiều áp lực cắt như phương pháp truyền thống

Hình 1.1: Cắt bánh bông lan băng dao siêu âm [8]

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 11 HVTH: Thach Ngoc Phu

1.2 Tinh hình nghiên cứu1.2.1 Nghiên cứu trong nướcỞ nước ta, ứng dụng công nghệ cắt thực phẩm băng siêu âm còn khá mới mẻ và xalạ với nhiều người tuy răng công nghệ hàn siêu âm cũng khá phố biến ngày nay Ở cáctrường đại học, các trung tâm nghiên cứu thì chưa có bài báo khoa học chính thức nàođược công bồ về ứng dụng nay Phương pháp nay chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu kháiquát.

Tuy nhiên, nhận thấy tiềm năng cũng như ưu điểm và lợi ích của phương pháp nàymang lại một một số công ty như là Vietsonic, đã và đang nghiên cứu va đã cho ra mộtsố sản phẩm đáp ứng nhu cầu cắt một số thực phẩm như là bánh bông lan, cá đônglạnh

1.2.2 Nghiên cứu trên thé giớiTừ những năm 1990, trên thế giới đã bắt đầu sử dụng phương pháp cắt nay khá phobiến nhờ tính ưu việt của nó trong lĩnh vực cắt thực phẩm Phương pháp này được thừakế từ công nghệ hàn siêu âm, nó chỉ khác với hàn siêu âm ở khuôn cắt và tần số sử dụng.Có rất nhiều nghiên cứu về công nghệ nảy mà người tiên phong là Merkulov [1] Ôngđã nghiên cứu lý thuyết thiết kế khuôn cất (hàn) băng cách phân tích sự tập trung sóngsiêu âm, và cho ra một loạt định nghĩa và công thức tính toán, ông cũng nhiêu cứu vềtrường hợp sóng siêu âm truyền qua các chỉ tiết có biên dạng khác nhau Sau nảy cónhiều nghiên cứu dựa trên lý thuyết của ông đã đưa ra

Ngày nay, với sự phát triển của máy tính thì việc thiết kế càng trở nên dé dàng honnhờ có một số phan mềm mô phỏng hộ trợ như là Abaqus, Ansys, hypermesh, nho đóngười ta có thé thiết kế một số thiết bị phức tạp như dao mồ, dao cắt xương trong yhọc, Sau đây là một số bài báo, luận văn đã được công bố ở các trường đại học trênthế giới:

Luận văn tiễn sĩ của Euan McCulloch, "Experimental and Finte Element Modelingof Ultrasonic Cutting of Food", năm 2008.

Luận văn tiễn sĩ của Alan MacBeath, "Ultrasonic Bone Cutting”, năm 2006

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 12 HVTH: Thach Ngọc Phu

Luận văn tiễn sĩ của Hassan Dakhil Al-Budairi, "Design and Analysis of UltrasonicHorns Operating in Longitudinal and Torsional Vibration" nam 2012.

Trên thé giới cũng đã có nhiều hãng chuyên cung cấp các thiết bị may móc ứng dụngcông nghệ này phải kế đến là Dukane, Abrigo, Bakon, Doeinghaus, Matiss

Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bông lan của hãng Bakon

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 13 HVTH: Thach Ngọc Phu

= Control elementsStainless steel |

machine frame tt

ee b

Ultrasoniccutting head

e Frozen cakes and piese Frozen fish

e Snack and health barse Fresh/frozen prepared meatse Dough or baked cookiese Soft and hard cheesese Fresh/frozen vegetables

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 14 HVTH: Thach Ngọc Phu

e Candy and confectionse Ice cream bars

e Pizzae Sandwiches

1.4 Lý do chọn đề tài:Nước ta đang trong quá trình hội nhập do đó ngành thực phẩm cũng phát triển va đadạng hóa theo Các doanh nghiệp thực phẩm đang có xu hướng mở rộng quy mô sảnxuất và sản xuất theo từng mảng, theo dây chuyên tự động được vì nó làm giảm chỉ phísản xuất Dé chia nhỏ những chiếc bánh này một cách hiệu quả thì phương pháp truyềnthống không còn đáp ứng được nhu cầu nữa, đặc biệt đối với một số sản phẩm như làbánh kẹo, cá đông lạnh, là những thực phẩm dễ biến dang, có tính bám dính, giòn thìphương pháp cắt thực phẩm này càng nên được ứng dụng Tuy là một phương pháp cắtthực phẩm tiềm năng và đã được sử dụng rộng rãi ở trên thế giới, nhưng ở nước ta nóchưa thực sự được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.

- Vét cắt hoàn hảo, thực phẩm it bị biến dang sau khi cắt, đặc biệt đối với mộtsố thực phẩm don, xốp, dé bám dính vì dao cắt siêu âm không cân áp lực cắtlớn, nó dao động với tần số siêu âm nên thực phẩm không bi bám dính vàokhuôn cat.

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 15 HVTH: Thach Ngọc Phu

Chưa được đánh giá đúng tầm quan trọng của phương pháp cắt nảy trong lĩnhvực thực phẩm ở trong nước, có thể áp dụng công nghệ cắt này cho các loạithực phâm trong nước như kẹo dừa, ca ba sa, su-shi,

Chưa có một nghiên cứu cụ thé nào về công nghệ cat thực phẩm ứng dungsiêu âm ở trong nước.

Do đó, với tâm quan trọng của công nghệ này, việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của cácthông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm” là hết sức cầnthiết

1.5 Mục tiêu của luận văn

Thiết kế khuôn cắt (sonotrode), mô phỏng quá trình truyền sóng trong khuôncắt sử dụng FEM

Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm

Tiến hành thực nghiệm trên các loại thực phẩm

Đưa ra các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình cắt.1.6 Y nghĩa và đóng góp của đề tài:

1.6.1 Khoa học:Đưa ra được thông số tính toán cho hệ thống như tốc tần số cắt, biên dạngdao,

Thiết kế mô hình mô phỏng quá trình cắt bang cách sử dung phần mémABAQUS

Là cơ sở lý thuyết cho quá trình thiết kế các dụng cụ cắt.1.6.2 Thực tiễn:

Tìm ra phương pháp cắt hiệu quả va tiết kiệm áp dụng cho các sản phẩm cầnthiết

Triển khai và áp dụng từ lý thuyết đi vào thực tiễn.Đáp ứng nhu câu thị trường khó tính về thực phẩm như hiện nay

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 16 HVTH: Thach Ngoc Phu

2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Ly thuyết sóng siêu âm:2.1.1 Dinh nghĩa sóng siêu Âm:Siêu âm được định nghĩa là năng lượng được tạo ra bởi sóng âm thanh khi truyềnqua môi trường vật chất với tần số lớn hơn hoặc bang 20 (kHz) Tan số nhỏ nhất củasiêu âm được xác định là tần số tối đa mà con người có thể nghe được hay còn gọi làngưỡng nghe trên Trong khi tần số lớn nhất của siêu âm được giới hạn bởi khả năng tạotín hiệu của nó [1].

Infrasound Sound Ultrasound

Cleaning Sonochemistry Medical diagnostic

Plastic welding Chemical analysisSonochemistry

Hình 2.1: Các vùng tan số của sóng âm [9]Siêu âm có tần số lớn hơn 100 kHz được ứng dụng những nơi mà sự truyền sóngkhông gây ảnh hưởng nào lên vật thé mà nó truyền qua, bao gồm các ứng dụng như siêuâm trong y học, kiểm tra không phá hủy Năng lượng tại nơi mà những sóng này đượctao ra là tương đối nhỏ với cường độ trong khoảng 0.1-0.5W/cm? [1]

Siêu âm có tần số từ 20-100 (kHz) được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi mộtlượng năng lượng lớn ví dụ như quá trình gia công chế tạo (gọi là siêu âm năng lươngcao) Cường độ thông thường được sử dụng trong siêu âm năng lương cao là trên10W/cm? Năng lượng cần thiết của những ứng dung này được truyền tới vật liệu cầnđược gia công thông qua một hoặc nhiều chi tiết siêu âm nhờ bộ chuyên đôi, chuyên đổitừ dao động điện thành dao động co [1]

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 17 HVTH: Thach Ngọc Phu

2.1.2 Ban chất sóng âm:Các môi trường vật chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môitrường liên tục gồm những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗiphan tử có một vi trí cân băng bên Nếu tác động một lực lên phần tử A nào đó bên trongmôi trường nay, nó sẽ rời khỏi vi trí cân băng bên Do tương tác tạo nên bởi các mối liên

kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phan tử A bị kéo về vị tri cân băng, một mặt nó

cũng chịu tác động bởi lực bên ngoài nên phan tử A sẽ di chuyền qua lại quanh vị trí cânbăng, có nghĩa là phan tử A thực hiện chuyến động dưới dang dao động Hiện tượng nàytiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạng dao động cơ có tính chấtlặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ,nói một cách khác, sóng là hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dướidạng dao động của các phân tử vật chât của môi trường truyền sóng.

Về bản chât, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đôi với sóngcơ, có thê tạo ra sóng âm băng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng:Hình bên đưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãnthay đối tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thé hiện áp lực cao nhất, còncác đáy sóng thé hiện áp lực thấp nhất

e_ Chu kỳ T (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dan.e Tần số f (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây.

e Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau mộtđơn vi thời gian.

e Bước song A (um): quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gianbang 1 chu kỳ (A=v.T=Vv/f) [6]

2.1.4 Phan loại sóng âm:Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ralàm 2 loại: sóng dọc và sóng ngang.

Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường vuônggóc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hìnhdạng Tính chất nay chỉ có ở vật ran

Sóng doc là sóng mà phương dao động của các phan tử trong môi trường trùng vớitia sóng Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thé tích, do đó nótruyền được trong các vật răn cũng như trong môi trưởng lỏng và khí [6]

Hình 2.3: a sóng dọc; b sóng ngang [9|Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dãy tần số thành 3 vùng chính>

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 19 HVTH: Thach Ngọc Phu

Sóng âm tan số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasoun) f<16Hz Vi dụ: sóngđịa chan.

Sóng âm tan số nghe thay được (Audible sound): 16Hz < f <20kHz.Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz [6].

2.1.5 Tính chất vật ly của sóng âm và siêu âm2.1.5.1 Hiện tượng phan xa

Khi một nguôn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có âm trở khác nhau sẽ taonên hiện tượng phản xạ siêu âm, còn một phân siêu âm xuyên qua môi trường vàtuân theo định luật quang hình học:

Hệ sô phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ sô phản xạ siêu âm khác

nhau Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào âm trở của hai môi trường [6]

Sự khúc xạ siêu âm làm lệch nguôn siêu âm và ảnh hưởng đên chùm siêu âm phản

xạ và kết quả chân đoán, vì thế phải hêt sức tránh hiện tượng khúc xạ

Trong kỹ thuật siêu âm cân làm giảm khúc xạ có nghĩa là phải đề nguôn siêu âm

tới thang góc [6]

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 20 HVTH: Thach Ngọc Phu

2.1.5.3 Hiện tượng nhiễu xa.

Là hiện tượng chùm siêu âm có thé vòng qua vật cản Hiện tượng này phụ thuộcvào khoảng cách dau dò đến mặt phăng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng | siêu âm,đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra [6]

2.1.5.4 Hiện tượng hấp thụ:Khi chùm siêu âm truyền qua một môi trường vật chất chùm siêu âm đã truyềnmột phân năng lượng cho môi trường đó hay nói cách khác nó bị môi trường đó hấp

thụ.Sự hâp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trường siêu âm truyên qua, tân sô siêuâm và hệ sô hap thu của môi trường Sự hap thụ biêu hiện ở cường độ siêu âm càng

thấp dân

L=lo.e*Trong do:

Io, Ix: cường độ siêu âm lúc đầu và cường độ siêu âm đo được ở độ sâu x

f : hệ số hấp thụ của môi trường, x: chiều day của môi trường siêu âm đi qua

Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm càng đi xa càng bị suy giảm.

Cũng như âm, siêu âm không truyền được trong chân không, nó truyền được trongmôi trường vật chất bat kỳ với vận tốc giống vận tốc âm Tuy nhiên do đặc tinh tansố lớn nên có một số điểm khác biệt Siêu 4m ít bị tản mạn nên có thé tạo thành nhữngchùm tia có cường độ khá lớn cỡ 103W/m 2 và nếu được hội tụ có thể đạt tới cỡ

10 đến 107W/m? Trong không khí ở tần số cỡ 100kHz trở lên, siêu âm bị tắt rấtnhanh vì bị hấp thụ mạnh, trái lại trong các môi trường lỏng như nước chăng hạn,

siêu âm ít bị hap thụ Do đó nguồn siêu âm thường được đặt trong một chat lỏng nao

đó.

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 21 HVTH: Thach Ngoc Phu

Sóng siêu âm phản xạ trên bề mặt phân cách giữa các môi trường khác nhau cótính chất khác nhau, khi tác dụng vào vật chất sóng siêu âm gây tác dụng phức tạp

như cơ, hóa lý, nhiệt Chính tác dụng hỗn hợp này gây tác dụng sinh lý của siêu

âm: làm chết các virus, vi khuẩn, nam Khi cường độ đủ lớn có thể làm chết các

động vật nhỏ [6].

2.1.6 Nguồn phát siêu âm

Nguyên lý chung dé tạo ra sóng âm là làm cho một vật ran, một màng căng haymột dây căng dao động đàn hồi Nhung để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồiphải có tần số trên 20 (kHz) nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động của tinhthé thạch anh, tinh thé Niken Dưới đây trình bay hai cách phát siêu âm phô bién

Electrical Current (off Electrical Current Gn

Hinh 2.5: Hién tuong piezo-electric [9].

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 22 HVTH: Thach Ngọc Phu

Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với quangtrục tạo thành một bản thạch anh áp điện Người ta mạ hai mặt của bản dé tạo thành

một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phăng.

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều bản thạch anh bị biến dạng

cong về một bên, khi đổi chiều dong điện thì bản thạch anh bi cong ngược lại Khi tathay nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay chiều có tần số lớn thi bản thạch anh sẽliên tục bị biến dạng theo tần số của dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số trên 20

(KHz) Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi tần số dao động điện tác dụng vào

bản thạch anh phù hợp với tần số dao động riêng của bản thạch anh Ở đây nănglượng của nguồn điện đã bién thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan truyềnvào môi trường xung quanh với tần số có thé lên đến 50 (MHz) [6]

2.1.6.2 Nguồn phát siêu âm dựa vào hiện tượng từ giao:

(CPD)

———-Hình 2.6: Hiện tượng từ giảo

Một thanh sắt từ hoặc một thanh kén khi bi từ hoá thì độ dài của nó sẽ ngăn di

chút ít, đó là hiện tượng từ giao.

Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nỗi với một nguồn điện mộtchiêu Do hiện tượng từ giao làm độ dài của thanh sắt từ ngắn đi một ít Khi ngắtdòng điện, từ trường trong lòng cuộn dây không còn làm chiều dài của thanh sắt từtrở về bình thường Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay chiều có tan số cao Từtrường trong lòng cuộn dây biến thiên liên tục với tan số băng tân số của dòng điệnxoay chiều Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động gấp đôi tần sốdao động của dòng điện và sẽ phát ra siêu âm khi tần số > 20 (kHz) Siêu âm phát ra

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 23 HVTH: Thach Ngọc Phu

có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng củathanh sat từ Nguôn phát siêu âm loại này có thể lên đến 1000 (MHz) [6].

2.2 Cấu tạo và nguyên lý cắt thực phẩm bằng siêu âmPhương pháp cắt bằng siêu âm hoản toàn tương tự với phương pháp cắt thôngthường, chỉ có điều sự chuyển động của thiết bị cắt được kích thích một nguồn siêu âmlàm cho dao cắt ngoài chuyển động tịnh tiến nó còn dao động theo hướng cất với tần sốsiêu âm Cau tạo của một hệ thống cắt bang siêu âm gồm 4 thành phan chính là: bộ phátcao tan (HF generator); bộ chuyển đổi (Converter/transducer); bộ khuếch đại (booster);và khuôn cat (sonotrode).

Bộ phat cao tần (HF generator) sử dụng điện công nghiệp có tan số 50/60 (Hz) taora một nguồn điện xoay chiều (AC) với tần số siêu âm mong muốn, thường là trongkhoảng 20-50 (kHz) Dao động điện này được chuyển thành dao động cơ với tần sốtương ứng nhờ bộ chuyển đổi (transducer) Tiếp theo sau là bộ khuếch đại (booster) cóthé làm tăng hoặc giảm biên độ của dao động cơ này và truyền trực tiếp đến thanh truyềnsonotrode Thanh truyén sonotrode hoạt động như một bộ cộng hưởng cơ hoc, ma daođộng chủ yếu theo chiều dọc của hướng cat Một số sonotrode thâm chí có thé hoạt độngnhư các công cụ cắt hoặc có thé hoạt động như một bộ ghép nối cho một lưỡi dao catđộc lập.

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 24 HVTH: Thach Ngọc Phu

cron

° 2 | HF generator

Electricaloscillation

H

ConverterAmplifier

i for the cutting too!

Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8].Bộ phát cao tần (HF generator): chuyển đôi nguồn điện có tần 50/60 (Hz) thànhdao động điện có tần số từ 20-40 kHz, nguồn nảy sau đó được nối với bộ chuyển đôisiêu âm băng sởi cáp [6]

Bộ chuyển đổi (transducer/converter): bộ chuyển đổi siêu âm là một thiết bị cơ, nó nhận nguồn điện cao tần (20-40kHz) từ bộ phát, tại đây dao động điện cao tần

điện-GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 25 HVTH: Thach Ngọc Phu

sẽ được chuyển đôi thành dao động cơ có tần số tương ứng bang cách làm cho nhữngđĩa ceramic giãn nở liên tục nhờ nguyên lý PZT (piezoelectric).

Hình 2.9: Bộ chuyển đổi siêu âm [6].Bộ khuếch đại (Booster): được sử dụng dé duy trì, giảm hoặc tăng biên bộ của daocắt Nó đóng vai trò như bộ phận lắp ghép trung gian

Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6].Dao cất siêu âm hay khuôn cắt (sonotrodes): khuôn cat được lắp vào bộ khuếch đại.Đây là bộ phận tiếp xuc truc tiép với vat cần cat và lam nhiệm vụ cắt Thường dao cắtđược chế tạo bang vật liệu hợp kim Titan hoặc nhôm để đảm bảo an toàn vệ sinh thựcphẩm, và đặc biệt vật liệu này có tính chất truyền âm rất tốt, bề mặt sáng bóng vàcứng, chịu mỏi tôt.

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 26 HVTH: Thach Ngọc Phu

Hình 2.11: Các loại khuôn cắt siêu âm trong thực phẩm [6].Quá trình cat diễn ra tương tự như cắt truyền thống Tuy nhiên, ngoài áp lực từ máycắt, dao cắt còn dao động với tần số siêu âm cùng với độ sắc của nó làm đứt liên kếtgiữa các phan tử vật liệu tại điểm cat một cách dé dàng trong thời gian cực ngắn Vớiphương pháp cắt này thì không cần áp lực cắt lớn như phương pháp cắt truyền thống.Do đó, nó có thê cat được vật liệu xôp, giòn một cach dê dàng.

With ultrasonic support

Increasing progress

Hình 2.12: So sánh quá trình cat vật liệu xốp trường hợp có và không có siêu âm

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 27 HVTH: Thach Ngọc Phu

2.3 Cac thông so cắt siêu ÂmKhông giống như phương pháp cắt truyền thông ngoài áp lực cắt ra thì phương phápcắt bằng siêu âm còn có thêm các thông số cắt khác ảnh hưởng đến quá trình cắt cũngnhư chất lượng cắt.

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 28 HVTH: Thach Ngọc Phu

2.3.2 Tần số siêu âm f (kHz)La tan sô mà nguôn phát siêu âm cap cho dao cat Tuy vào từng loại thực phâm, cáchcat mà ta sử dụng tần số cắt khác nhau để đạt được chất lượng tốt nhất.

2.3.3 Biên độ cat A (um)

Piezoelectric Crystals

Tightening Bolt F——Mlass

and Electrical Contact„“ - ~sS A (jum)⁄ `

Piezoelectric Ultrasonic Cutting

Hình 2.15: Sơ đỗ hệ thống cat siêu âm [3]Là biên độ dao động của dao cắt Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cắt, đếnnăng xuất cat Biên độ này có thé thay đôi được nhờ bộ khuếch đại

2.3.4 Tốc độ cắt v (mm/s)Là tốc độ tiễn dao cắt hay lượng ăn dao trên một đơn vị thời gian

3_ QUÁ TRÌNH THIET KE VÀ MO PHONG KHUÔN CAT

Đối với các chỉ tiết siêu âm đơn giản thì có thể tính sự truyền sóng một cách chínhxác dựa vào lý thuyết sóng dọc truyền qua một thanh thăng Tuy nhiên đối với dao cắtcó biên dạng phức tạp thì phương pháp này không cho kết quả chính xác hoặc phải giảimột bài toán phức tạp Do đó phương pháp FE trên các phần mềm mô phỏng là mộtphương pháp hữu hiệu nhất

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 29 HVTH: Thach Ngọc Phu

3.1 Cơ sở thiết kế3.1.1 Sóng dọc truyền qua thanh trụ thắng [1]Khi sự dao động dịch chuyển trong mặt phăng dọc theo biên dạng của một thanh trụthăng được kích thích thì sóng dọc sẽ xuất hiện trong thanh đó Gọi độ dịch chuyển làu, x là vi tri mặt phang đang xét, thời gian /.

Đối với thanh trụ đàn hồi, đăng hướng, đồng nhất thì công thức dao động có thé tìmthay bang cach xét mot phan tử nhỏ cua thanh là dx cái ma được áp một lực P, dịch

Ậ to Ta LQ: ` 0 Rg AC vx oR ans yan ^

chuyên tại x là và tại x+dx lau + > dx Phan tu dx luc nay tang chiéu dai them mot

Ou ` Lá AR Kẻ a» Kẻ bd La ~ ` ` Ou `

đoạn 2x dx và ứng suat của phân tử bị kéo dan ra này là 2x (hình )

Hình 3.1: Sóng dọc trên thanh trụ thang đồng nhất [1]Nếu o = €£, trong đó o là ứng suất của phan tử, ¢ là bién dạng tương đối, E là danhồi, do đó với mặt cắt A, áp lực P ta có:

"¬" h P 34

An Ox _ 8x EA 1)

Ap dụng định luật 2 Newton:

Trong đó ø là khối lượng riêng.GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 30 HVTH: Thach Ngọc Phu

Thay (3.2) vào (3.1):

67u 67u

AE a ax = pAdx > (3.3)ô u _ Ed*u 3.4

bt? p 8x? G4)

Công thức chuyển động có thé được xác định như sau:

du 1ô°u 35

6x2 c2 St? (3.5)

Trong đó c? = h và là vận tốc của sóng ứng suất trong thanh.

Phương trình vi phân có thể được sử dụng để giải bài toán vi phân từng phân là kếtquả được xét dưới dạng:

Nghiệm tổng quát được viết dưới dạng:

@) W ` G(x) = Asin — x + Bsin—x va H(t) = Csinwt + Dcoswt (3.10)

Trong đó A, B, C va D là phụ thuộc vào điều kiện biên ban đầu Phương trình tongquát cua như sau:

n |En= FT 2 (3.12)Trong đó ø là mode-order, / là chiều dài sóng

Đôi với một tân sô âm cô định, chiêu dài chi tiệt siêu âm được tính như sau:

Từ công thức (3.13), tần số tự nhiên /; phụ thuộc vào module dan hồi và khối lượngriêng của vật liệu là và p Công thức 3.13 chỉ chính xác đối với chi tiết mode orderthấp tức là có chiều dài thanh gấp nhiều lần đường kính thanh

3.1.2 Sóng truyền qua chỉ tiết có biên dạng không đồng nhấtTrong các thiết bị siêu âm năng lượng cao, biên dạng khuôn không đồng nhất đượcsử dụng để khuếch đại biên độ dao động được cấp bởi bộ chuyển đôi Khuôn cắt dạngnày có hệ số khuếch đại (gain) được xác định bởi ty lệ giữa biên độ đầu ra so với biênđộ dau vào băng cách điêu chỉnh mặt cat ở đầu vào va dau ra của khuôn.

Theo nguyên lý của sóng dọc trên thanh trụ tròn, công thức cho biên dang conical,exponential và catenoial được lay từ công thức của Merkulov [1] Công thức được xácđịnh bang cách gia sử rang ứng suất sóng vẫn duy trì trong mặt phăng một cách lýtưởng và ứng suất này được phân phối đi đồng đều qua các mặt cắt tiếp theo, có thểthấy ở hình 3.2

Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khuôn có biên dạng đối xứng tâm [1]Công thức dao động của một phan tử nhỏ trong biên dạng đối xứng tâm với mộtmặt cat Š; và bán kính z; vuốt nhọn tới mặt cắt S2, bán kính r2 (hình 3.2) được xác định

dựa vào định luật II Newton là Ð F = m — OT Uzuz bt2

t2 trong đó F là lực, m là khối lượng, la

gia tốc Công thức dao động của một phan tử nhỏ được biểu diễn là tiết điện gạch chéo

ở hình 3.2 có thé được xác định bởi công thức 3.14 trong đó Š là diện tích mặt cắt, m là

khối lượng của phan tử, ø là khối lượng riêng, ởỏz la chiều dài của phan tu, z la truc

theo hướng doc cua sóng, z là ban kính, wz là độ dich chuyển theo trục z Thể tích củaphân tử được xác định như sau:

yr —_ 6*uz

2

(s+<az)a =(S (s+<az) dz = Sd 3.14Bz z]dz = Bz Z z = Sdz (3.14)Tổng lực được xác định F=oS trong đó F là lực, o là ứng suất trong phan tử va S làtiết diện mặt cắt Tổng lực được viết lại như sau:

Thay thé (3.14) và (3.15) và công thức định luật II Newton, ta được công thức maMerkulov đã tìm ra:

ồ?u, 66 5S0SðzZ 52 = 5 Sdz + — odz (3.16)Merkulov sử dụng công thức sau đê miêu tả làm thé nào có được chiêu dai sóngcủa một sô kiêu khuôn cat Một minh họa trong sô các khuôn có biên dạng đôi xứngtâm được nêu ở hình 3.3 Công thức tương ứng đê tính chiêu dài sóng âm / là:

Đối với biên dang exponential, N = =, A= „và n=1, 2, 3,

2

A |(k'D2 + (cos~1N)22 1?

Đối khuôn Catenoidal, k’ = /k2—y2,N=4,a= = va y= -c0s~12, k1 là

T2 T2

nguôn gôc của công thức trên.

| | | ' ` " “ —

\ i \ I \ I

2 \ \ \ ¡ i \ 1}

Uniform Conical Catenoidal

Hình 3.3: Hình dang sóng truyền qua các biên dạng khác nhau3.2 Lựa chọn vật liệu cho khuôn cat

Khi một nguồn sóng siêu âm truyền dao động qua một môi trường trung gian, cườngđộ của nó sẽ giảm dân Hai nguyên nhân dân dén su mat năng lượng của sóng trong quatrình truyền dao động là sự phân tán (sự phản xạ của sóng theo hướng khác so với hướngsóng ban đầu) và sự hap thụ (sự chuyển đổi năng lượng sóng thành nhiệt do ma sát nội),kết hop hai nguyên nhân nảy gọi là sự tắt dan công thức 3.16 chỉ độ suy giảm biên độcủa sóng:

A=A,e~% (3.16)

Ao là biên độ ban dau của song, A là biên độ của sóng sau khi đã truyên qua một đoạnđường x tính từ nguôn sóng ban đâu Trong khi đó, hệ sô tat dân sóng a là hệ sô chi ramức độ khó dé khi một sóng âm truyền dao động qua vật thé trung gian

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 34 HVTH: Thach Ngọc Phu

Một cách hiệu khác, có thê xem việc mat năng lượng trong lic truyên dao động nhưlà sự mat mat độ trong một chu ky 6 là tỉ lệ mà biên độ sóng giảm và được biêu diễnnhư sau:

An

d=lIn (3.17)

AniVà do đó, trong trường hop d=ax Tén that nang lượng trong hệ thống có thé đượcxác định như sau:

năng lương tiéu hao trong một chu ky

_ g tượTg g me y (3.18)

2m X nang lượng dự trữCong thuc 3.18 duoc viét lai theo ty lệ nghịch của hệ số chất lượng QO

Bang 3.1: Một số vật liệu thường được dùng làm khuôn cắt [5]

Material Yield Strength | Ultimate Tensile | Hardness | Fracture Toughness

(MPa) Strength (MPa) | (Brinell) (MPam2 )

Ti6%A14%V 830 960 334 55-75

Duraluminium 190-470 190-500 115-135 26-44

316 Stainless steel 210-240 460-860 160-190 16-19Tungsten Alloys! 723.9 896.3 287-333 7-19

3.3 Mô hình phan tử hữu han FEM (Finite Element Modelling)Ngày nay với su phát triển nhanh chong của số học cũng như sự giảm phi sử dungcủa các phần mềm FE nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi Phương pháp FElàm việc trên một mô hình máy tính sử dụng lưới phan tử được kết nối với nhau băngcác điểm Các phần tử có thể có tính chất vật liệu đơn giản hoặc phức tạp được áp đặtGVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 35 HVTH: Thach Ngọc Phu

dé mô tả đặc tinh của mô hình phân tích Điêu kiện biên và các nội ngoại lực có thê đượcmô phỏng trên các diém hoặc các phân tử của lưới và kêt quả có thê được tính toán tùythuộc vào từng loại phân tích mà người mô phỏng mong muôn Nhiéu kỹ thuật mô phỏngcó thé được phân tích trên cả mô hình 2D lẫn 3D.

3.4 Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn cắt3.4.1 Giới thiệu phan mềm ABAQUSKhuôn cắt sẽ được mô phỏng trên phan mềm ABAQUS Phần mềm ABAQUS banđầu được sử dụng trong ngành kỹ thuật hạt nhân Sau đó được ứng dụng tính toán kếtcầu giàn khoan dau và khí đốt ngoài biển, trong ngành ôtô dé mô phỏng các phần tửđộng học Hiện nay ABAQUS là một bộ phan mềm lớn dùng để mô phỏng công trình,kết cau dựa trên phương pháp phan tử hữu hạn, phạm vi giải quyết van đề của nó từphân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vẫn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp.ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời khomô hình vật liệu có thé mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trongđó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép ABAQUS không chỉ giải quyết van dé trong phân tích kết cau (ứng suất , chuyển vi),van có khả năng mô phỏng và nghiên cứu van dé trong lĩnh vực khác như truyền dannhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp.

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit.Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt : ABAQUS/Aqua vàABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evironment) là khối giaotiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gan đặc tinh vađiều kiện biên, phân chia mạng lưới ABAQUS/Viewer dùng dé tiến hành phân tíchvà xử lý kết quả [10]

GVHD: 7S Nguyễn Thanh Hải 36 HVTH: Thach Ngọc Phu