ảnh hưởng của cơ tính vật liệu đến sự lan truyền vết nứt mode 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG -o0o - LUẬN VĂN ĐẠI HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ TÍNH VẬT LIỆU ĐẾN SỰ LAN TRUYỀN VẾT NỨT MODE I SVTH: PHÙNG MINH PHÚC MSSV: V1002474 GVHD: TS NGUYỄN SONG THANH THẢO TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2018 Lời cam kết Tôi cam kết: - Đây luận văn tốt nghiệp thực - Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác - Các đoạn trích dẫn số liệu kết sử dụng để so sánh luận văn dẫn nguồn có độ xác cao phạm vi hiểu biết – iii – – iv – Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cám ơn Cô Nguyễn Song Thanh Thảo Cô định hướng hướng dẫn suốt trình làm luận văn để em hoàn thiện luận văn Em xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không – Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho em hồn tất luận văn Phùng Minh Phúc –v– – vi – Tóm tắt luận văn Ăn mòn phá hủy vấn đề nan giải ngành kỹ thuật Việc xác định ứng xử vật liệu tác động ngoại lực để tiên đoán hư hỏng, phá hủy cấu trúc vật liệu mang lại lợi ích lớn cho xã hội, Để làm việc đó, ngành học rạn nứt cung cấp nhiều lý thuyết, liệu để tính tốn thơng số dùng để đánh giá lan truyền vết nứt nhiều chế độ chịu tải khác Trong luận văn này, ta đánh giá xem liệu thay đổi tính vật liệu lan truyền vết nứt thay đổi thông qua sử dụng phần mềm mơ Abaqus Từ khóa: học rạn nứt, tính vật liệu, lan truyền vết nứt, mode I, Abaqus – vii – Abstract Fracture is a problem in enginneering Predict the damage and destruction in a structure by determining the behavior of materials under external forces will bring great benefits to society To that, fracture mechanics has provided many theories and data to calcute many parameter used to evalute and predict crack propagation in many different load modes In this thesis, we will assess wether a change in the mechanical properties of material will change the behavior of crack propagation by using Abaqus Keywords:crack propagation, fracture mechanics, Abaqus – viii – Mục lục Lời cam kết iii Lời cảm ơn v Tóm tắt luận văn vii Abstract viii Mục lục ix Danh mục hình ảnh xi Danh mục bảng xiv Danh mục biểu đồ xv Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Objectives – Mục tiêu luận văn Tổng quan 2.1 Trong nước .2 2.2 Ngoài nước .6 Cơ sở lý thuyết 3.1 Ảnh hưởng tính chất vật liệu lên ứng xử vết nứt .7 3.2 Lý thuyết vết nứt vùng đàn hồi tuyến tính 3.2.1 Phân tích ứng suất vết nứt 3.2.2 Các chế độ tải học rạn nứt 10 3.2.3 Hệ số cường độ ứng suất 11 3.2.4 Suất giải phóng lượng 14 3.2.5 Mối quan hệ K G 14 3.2.6 Phân loại số ứng xử học vật liệu miền đàn hồi tuyến tính 15 – ix – 18 Tính tốn mơ 18 4.1 Mơ hình 18 4.2 Phân tích kết 20 60 Kết luận 60 5.1 Kết đạt 60 5.2 Hạn chế 60 Danh mục tài liệu tham khảo 61 –x– TÍNH TỐN MƠ PHỎNG b Thay đổi E2 Ta so sánh khuynh hướng thay đổi suất giải phóng lượng J-integral trường ứng suất thay đổi E2 + Suất giải phóng lượng j-integral Biểu đồ 4-9 So sánh suất giải phóng lượng thay đổi E2 (t = 10mm) So sánh suất giải phóng lượng thay đổi E2 (t = 10mm) 9.00E-04 J-Integral (N/m) 8.00E-04 7.00E-04 6.00E-04 34000 5.00E-04 50000 4.00E-04 68000 3.00E-04 100000 2.00E-04 120000 1.00E-04 Thời gian (s) 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Nhận xét: Trong vật liệu trực đẳng hướng ngang, module đàn hồi E2 tăng suất giải phóng lượng có khuynh hướng giảm Khi E2 tăng J giảm Phùng Minh Phúc 48 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG + Trường ứng suất Hình 4-39 Phân bố ứng suất E2 = 34000Mpa (t = 10mm) Hình 4-40 Phân bố ứng suất E2 = 50000Mpa (t = 10mm) Phùng Minh Phúc 49 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Hình 4-41 Phân bố ứng suất E2 = 68000Mpa (t = 10mm) Hình 4-42 Phân bố ứng suất E2 = 100000Mpa (t = 10mm) Phùng Minh Phúc 50 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Hình 4-43 Phân bố ứng suất E2 = 120000Mpa (t = 10mm) Nhận xét: Khi module đàn hồi E2 tăng, phân bố ứng suất mẫu có khuynh hướng tăng Điều thể qua bảng 4-10, kết thu từ mô Bảng 4-9 Ứng suất mũi vết nứt E2 tăng (t = 10mm) Phùng Minh Phúc E2  yy 34000 50000 68000 100000 120000 467.912 487.238 507.08 538.454 556.572 51 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG c Thay đổi E3 Ta so sánh khuynh hướng thay đổi suất giải phóng lượng J-integral trường ứng suất thay đổi E3 + Suất giải phóng lượng J-integral Biểu đồ 4-10 So sánh suất giải phóng lượng thay đổi E3 (t = 10mm) So sánh suất giải phóng lượng thay đổi E3 (t = 10mm) 4.00E-04 J-Integral (N/m) 3.50E-04 3.00E-04 2.50E-04 34000 2.00E-04 50000 68000 1.50E-04 100000 1.00E-04 120000 5.00E-05 Thời gian (s) 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Nhận xét: Trong vật liệu trực đẳng hướng ngang, module đàn hồi E3 tăng suất giải phóng lượng có khuynh hướng giảm Khi E3 tăng J giảm Phùng Minh Phúc 52 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG + Trường ứng suất Hình 4-44 Phân bố ứng suất E3 = 34000Mpa (t = 10mm) Hình 4-45 Phân bố ứng suất E3 = 50000Mpa (t = 10mm) Phùng Minh Phúc 53 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Hình 4-46 Phân bố ứng suất E3 = 68000Mpa (t = 10mm) Hình 4-47 Phân bố ứng suất E3 = 100000Mpa (t = 10mm) Phùng Minh Phúc 54 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Hình 4-48 Phân bố ứng suất E3 = 120000Mpa (t = 10mm) Nhận xét: Khi module đàn hồi E3 tăng, phân bố ứng suất mẫu có khuynh hướng giảm Điều thể qua bảng 4-11, kết thu từ mô Bảng 4-10 Ứng suất mũi vết nứt E3 tăng (t = 10mm) E3  yy 34000 50000 68000 100000 120000 548.822 523.141 507.08 489.603 482.061 Kết luận: Qua kết trên, ta thấy E1, E2, E3 tăng dần, suất giải phóng lượng giảm dần khơng tuyến tính Trong E2, độ cứng phương với lực tác động có ảnh hưởng lớn đến suất giải phóng lượng so với E1 E3, độ cứng vng góc với lực tác động Về trường ứng suất, E1 E3 tăng dần, tập trung ứng suất có khuynh hướng giảm dần Ngược lai, E2 tăng dần ứng suất có khuynh hướng tăng dần Phùng Minh Phúc 55 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG d So sánh kết Hình 4-49 Mẫu thử chịu uốn [8] Bảng 4-11 Thơng số kích thước, tính vật liệu kết thực nghiệm [8] Kích thước mẫu S (mm) 120 Cơ tính vật liệu 46 𝐸𝐿 (GN/m2 ) W (mm) 30 𝐸𝜏 (GN/m2 ) 11.4 B (mm) A (mm) 𝜈𝑳𝝉 𝜈𝝉𝑳 𝐺𝑳𝝉 (GN/m2 ) 0.33 0.082 5.3 Kết thực nghiệm P=100N 30,24.10 −3 P=80N 20,89.10 −3 Nhận xét: so sánh kết thực nghiệm Wang.A, Feng B, Yang.W [8] với kết thu từ mô phỏng, ta thấy J-Integral từ mơ thực nghiệm có bậc độ lớn, vào khoảng 10-3 Như vậy, kết suất giải phóng lượng J-integral từ mơ chấp nhận Phùng Minh Phúc 56 TÍNH TỐN MÔ PHỎNG 4) Ảnh hưởng bề dày vật liệu đến suất giải phóng lượng a Vật liệu đẳng hướng đàn hồi tuyến tính Sự ảnh hưởng độ dày vật liệu đẳng hướng lên suất giải phóng lượng trình bày biểu đồ 4-11 Biểu đồ 4-11 Ảnh hưởng độ dày đến suất giải phóng lượng vật liệu đẳng hướng đàn hồi tuyến tính Ảnh hưởng độ dày đến tốc độ giải phóng lượng 3.50E-04 J-Integral (N/m) 3.00E-04 2.50E-04 2.00E-04 1mm 1.50E-04 5mm 1.00E-04 10mm 5.00E-05 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Thời gian (s) Nhận xét: vật liệu đẳng hướng, độ dày vật liệu tăng suất giải phóng lượng giảm khơng tuyến tính Khi độ dày tăng, suất giải phóng lượng giảm Phùng Minh Phúc 57 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG b Vật liệu đẳng hướng ngang Ta xem xét ảnh hướng module đàn hồi bề dày khác để xem ảnh hướng chúng lên thay đổi suất giải phóng lượng Biểu đồ 4-12 Ảnh hưởng độ dày E1 thay đổi Ảnh hưởng độ dày E1 thay đổi (E1 = 34000MPa) 6.00E-04 J-Integral (N/m) 5.00E-04 4.00E-04 3.00E-04 1mm 5mm 2.00E-04 10mm 1.00E-04 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Thời gian (s) Nhận xét: Khi xét ảnh hưởng E1, độ dày vật liệu tăng suất giải phóng lượng giảm khơng đáng kể Khi độ dày tăng J giảm Biểu đồ 4-13 Ảnh hưởng độ dày E2 thay đổi J-Integral (N/m) Ảnh hưởng độ dày E2 thay đổi (E2 = 34000MPa) 1.20E-03 1.00E-03 8.00E-04 6.00E-04 1mm 4.00E-04 5mm 10mm 2.00E-04 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Thời gian (s) Phùng Minh Phúc 58 TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Nhận xét: Khi xét ảnh hưởng E2, độ dày vật liệu tăng suất giải phóng lượng giảm khơng đáng kể Khi độ dày tăng J giảm Biểu đồ 4-14 Ảnh hưởng độ dày E3 thay đổi Ảnh hưởng độ dày E3 thay đổi 8.00E-04 J-Integral (N/m) 7.00E-04 6.00E-04 5.00E-04 1mm 4.00E-04 5mm 3.00E-04 10mm 2.00E-04 1.00E-04 Thời gian (s) 0.00E+00 20 40 60 80 100 120 Nhận xét: Khi xét ảnh hưởng E3, độ dày vật liệu tăng suất giải phóng lượng giảm nhiều trường hợp trước Khi độ dày tăng J giảm Kết luận: độ dày thay đổi việc thay đổi E3 có ảnh hưởng lớn so với module đàn hồi E1 E2 Phùng Minh Phúc 59 KẾT LUẬN Kết luận 5.1 Kết đạt Qua kết mô phỏng, chịu điều kiện biên suất giải phóng lượng vật liệu trực giao nhỏ nhiều so với vật liệu đàn hồi tuyến tính Ta nhận thấy độ cứng có phương với phương chịu tải tác dụng có ảnh hưởng nhiều đến suất giải phóng lượng Kết áp dụng cho nghiên cứu vật liệu composite xếp lớp (khi độ cứng vật liệu theo phương vng góc sợi phương ngồi mặt phẳng xem tương đương) 5.2 Hạn chế Do hạn chế thời gian nên việc mô vết nứt thực với vật liệu trực giao mà chưa xem xét tới vật liệu đẳng hướng ngang để đưa kết luận ảnh hưởng tính vật liệu.Và vấn đề tài nguyên máy nên việc mô vết nứt nhiều sai số thiếu sót Đây hướng phát triển luận văn Phùng Minh Phúc 60 KẾT LUẬN Danh mục tài liệu tham khảo [1] T Nguyễn et al "Phân tích dự đoán phát triển vết nứt sử dụng phương pháp XFEM" [2] T Tích, B.Kim "Ứng dụng phầntử suy biến điểm phầntư phương pháp phần tử hữu hạn để mô ứng xử đỉnh vết nứt," Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 13,Số K3, 2010 [3] J D.Garrett, "Experimentation of mode I & mode II fracture of unidirectional composites and finite element analysis of mode I fracture using cohesive contact," M.S thesis, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, 2016 [4]J.Zhang, V.C.Li, "Modeling of Mode I Crack Propagation in Fiber Reinforced Concrete by Fracture Mechanics", University of Michigan, Ann Arbor, U.S.A [5] T.L.Anderson Fracture Mechanics - Fundamentals and Applications NW: CRC [6]L.N.Bình "Mơ lan truyền vết nứt tải học mode I XFEM," Đại học Bách Khoa TPHCM, TPHCM [7] N.S.T.Thảo, Topic "Fracture & Fatigue", Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách Khoa TPHCM [8] Wang.A, Feng B, Yang.W “A study of J-integral of the orthotropic composite material”, Taiyuan heavy Machinery Institute, Taiyuan Phùng Minh Phúc 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Phùng Minh Phúc 62 ... 4 -1 Tính chất học vật liệu sử dụng 19 Bảng 4-2 Ứng suất mũi vết nứt E1 tăng (t=1mm) 25 Bảng 4-3 Ứng suất mũi vết nứt E2 tăng (t=1mm) 28 Bảng 4-4 Ứng suất mũi vết nứt E3 tăng (t=1mm)... phương với hướng lan truyền vết nứt Chế độ III: Tải trượt mặt phẳng vết nứt, chuyển vị bề mặt vết nứt vng góc với hướng lan truyền vết nứt Trong luận văn này, ta quan tâm đến ứng xử vật liệu chịu tải... xử học vật liệu miền đàn hồi tuyến tính Định luật Hooke tổng quát cho vật liệu đàn hồi tuyến tính    C 11   C    21   C 31     C 41   C 51      C 61 C12 C13 C22