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

1 HVTH: Thạch Ngọc Phú TÓM TẮT Cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm là một ứng dụng mới sử dụng công nghệ siêu âm giúp đem lại lợi ích tốt hơn so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc bi

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 1 HVTH: Thạch Ngọc Phú

ĐẠI HỌC QUÓC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thạch Ngọc Phú

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

4 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 chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

TS Lưu Phương Minh PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thạch Ngọc Phú

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Thạch Ngọc Phú

Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

MSHV: 13040395 Nơi sinh: Trà Vinh

Mã số: 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực

phẩm ứng dụng siêu âm

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Mô phỏng hệ siêu âm khuôn cắt bằng phần mềm Abaqus

2 Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm

3 Thực nghiệm cắt một số thực phẩm

4 Đưa ra một số thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm

III NGÀY GIAO NHIÊM VỤ : 11-01-2016

IV NGÀY HOÀN THANH NHIỆM VỤ: 17-06-2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Hải

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thạch Ngọc Phú

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Hải, luận văn này sẽ không được hoàn thành nếu không có sự hướng dẫn tận tình của Thầy, Thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng như 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 là động lực để tôi phấn 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 buồn trong suốt thời gian học cao học

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016

Thạch Ngọc Phú

1 HVTH: Thạch Ngọc Phú

TÓM TẮT

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

Từ khóa: khuôn cắt, siêu âm,

ABSTRACT

Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order to bring better benefits compare to the conventional method Especially for some foods which difficult to cut because of its hard, easy stick, so this method could be more efficient This research focus on cutting parameters which could effect during cutting process This result

is fundamental for designing and making prototype of sonotrode, also provide technological parameters for food cutting technology

Keywords: sonotrode, ultrasonic,

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 2 HVTH: Thạch Ngọc Phú

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một số tài liệu, luận văn, bài báo đã thực hiện

Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất 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: TS Nguyễn Thanh Hải 3 HVTH: Thạch Ngọc Phú

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN 11

1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm: 11

1.2 Tình hình nghiên cứu 12

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 12

1.2.2 Nghiên cứu trên thế giới 12

1.3 ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm 14

1.4 Lý do chọn đề tài: 15

1.5 Mục tiêu của luận văn 16

1.6 Ý nghĩa và đóng góp của đề tài: 16

1.6.1 Khoa học: 16

1.6.2 Thực tiễn: 16

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Lý thuyết sóng siêu âm: 17

2.1.1 Định nghĩasóng siêu âm: 17

2.1.2 Bản chất sóng âm: 18

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng: 18

2.1.4 Phân loại sóng âm: 19

2.1.5 Tính chất vật lý của sóng âm và siêu âm 20

2.1.6 Nguồn phát siêu âm 22

2.2 Cấu tạo và nguyên lý cắt thực phẩm bằng siêu âm 24

2.3 Các thông số cắt siêu âm 28

2.3.1 ÁplựccắtF(N) 28

2.3.2 Tần số siêu âm f (kHz) 29

2.3.3 Biên độ cắt A (pm) 29

2.3.4 Tốc độ cắt V (mm/s) 29

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 4 HVTH: Thạch Ngọc Phú

3 QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG KHUÔN CẮT 29

3.1 Cơ sở thiết kế 30

3.1.1 Sóng dọc truyền qua thanh trụ thẳng [1] 30

3.1.2 Sóng truyền qua chi tiết có biên dạng không đồng nhất 32

3.2 Lựa chọn vật liệu cho khuôn cắt 34

3.3 Mô hình phân tử hữu hạn FEM (Finite Element Modelling) 35

3.4 Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn cắt 36

3.4.1 Giới thiệu phần mềm AB AQƯS 36

3.4.2 Giới thiệu mô hình bộ siêu âm và khuôn cắt 38

3.4.3 Định nghĩa vật liệu cho các chi tiết của mô hình trong Abaqus: 39

3.4.4 Tạo lưới mô phỏng cho mô hình 44

3.4.5 Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mô hình 46

3.4.6 Thiết lập tương tác giữa các chi tiết với nhau 47

3.4.7 Gán điều kiện biên (boundary conditions) 49

3.4.8 Áp đặt lực cho bài toán (loads) 51

3.4.9 Kết quả mô phỏng: 52

3.4.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt bằng nhôm 67

3.4.11 Kết luận 71

4 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHUÔN CẮT 72

4.1 Chế tạo khuôn cắt bằng thép 72

4.2 Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm 74

4.3 Thử nghiệm khuôn cắt 75

4.3.1 Cắt bánh chocopie 76

4.3.2 Cắt bánh mì không 77

4.3.3 Cắt bánh bông lan 78

4.3.4 Các thực phẩm khác 79

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 5 HVTH: Thạch Ngọc Phú

4.4 Kết luận 80

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

5.1 Luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau: 80

5.2 Kiến nghị 81

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 6 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1: cắt bánh bông lan bằng dao siêu âm [8] 11

Hình 1.2: Hệ thống cắt bánh tự động bằng cánh tay robot của Abrigo 13

Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bông lan của hãng Bakon 13

Hình 1.4: Máy cắt sandwich của hãng Doinghaus 14

Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cắt bằng siêu âm [6] 15

Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng âm [9] 17

Hình 2.2: Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm [6] 18

Hình 2.3: a sóng dọc; b sóng ngang [9] 19

Hình 2.4: Dao động của tinh thể thạch anh [6] 22

Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9] 22

Hình 2.6: Hiện tượng từ giảo 23

Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8] 25

Hình 2.8: Bộ phát cao tần [6] 25

Hình 2.9: Bộ chuyển đổi siêu âm [6] 26

Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6] 26

Hình 2.11: Các loại khuôn cắt siều âm trong thực phẩm [6] 27

Hình 2.12: So sánh quá trình cắt vật liệu xốp trường hợp có và không có siêu âm 27 Hình 2.13: Các thông số cắt siêu âm 28

Hình 2.14: So sánh lực sử dụng ttong quá trình cắt không có và có siêu âm [3] 28

Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] 29

Hình 3.1: Sóng dọc trên thanh trụ thẳng đồng nhất [1] 30

Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khuôn có biên dạng đối xứng tâm 33

Hình 3.3: Hình dạng sóng truyền qua các biên dạng khác nhau 34

Hình 3.4: Lưu đồ mô phỏng ừong Abaqus 37

Hình 3.5: Mô hình mô phỏng khuôn cắt 38

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 7 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng khuôn cắt 39

Hình 3.7: Định nghĩa vật liệu thép trong ABAQƯS 40

Hình 3.8: Tạo hướng dao động cho vật liệu piezoelectric trong Abaqus 44

Hình 3.9: Định dạng phần tử cho các chi tiết (ngoại trừđĩa ceramic) 45

Hình 3.10: Định dạng phần tử cho đĩa piezo ceramic 45

Hình 3.11: Mô hình sau khi đã được chia lưới 46

Hình 3.12: Tạo các trạng thái trong Abaqus 47

Hình 3.13: Tương tác giữa bulong và đầu transducer 48

Hình 3.14: Định nghĩa 2 kiểu tương tác gồm general contact và frictionless 48

Hình 3.15: Tạo module tương tác cho mô hình 49

Hình 3.16: Gán điều kiện biên cho đĩa piezo ceramic 50

Hình 3.17: Điều kiện biên cho bài toán mô phỏng 50

Hình 3.18: Khống chế 6 bật tự do của booster 51

Hình 3.19: Khai báo lực bulong ở trạng thái tĩnh cho bài toán 51

Hình 3.20: Mode dao động dọc trục ở tần số từ 19162-20700 (Hz) 52

Hình 3.21: Mode dao động xoắn ở tần số 26687-28731 (Hz) 53

Hình 3.22: Mode dao động phức hợp ở tần số 20733-24215 (Hz) 54

Hình 3.23: Khảo sát biên độ dao động ở đầu ra của ừansducer 55

Hình 3.24: Phân bố ứng suất theo phương dọc trục của ttansducer 55

Hình 3.25: Chuyển vị theo 3 phương ở mặt A-A của booster 56

Hình 3.26: Biến thiên của biên độ dao động dọc trục booster 57

Hình 3.27: Biểu đồ biến thiên ứng suất dọc trục của booster 57

Hình 3.28: Khảo sát chuyển vị tại A và B 58

Hình 3.29: Đồ thị chuyển vị của điểm A và B theo tần số 59

Hình 3.30: ứng suất phân phối trong hệ mô phỏng 60

Hình 3.31: Điểm chuyển vị lớn nhất của hệ 61

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 8 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 3.32: Khuôn cắt bị biến dạng trong quá trình dao động 62

Hình 3.33: Các đường cần khảo sát 62

Hình 3.34: Quan hệ giữa chuyển vị và ứng suất dọc trục của đố số 1 63

Hình 3.35: Quan hệ chuyển vị và ứng suất của đường lưỡidao (đường số 2) 64

Hình 3.36: Chuyển vị dọc trục của khuôn cắt 64

Hình 3.37: ứng suất theo chiều dọc trục của khuôn cắt 65

Hình 3.38: Chuyển vị và ứng suất của đường trung tâm (đường số 3) 65

Hình 3.39: Phân phối phản lực của hệ thống 66

Hình 3.40: Tổng áp lực của hệ siêu âm 66

Hình 3.41: Mô hình khuôn nhôm 67

Hình 3.42: Khảo sát 2 điểm trên lưỡi cắt của khuôn nhôm 67

Hình 3.43: Biểu độ chuyển vị của điểm A và B theo tần số 68

Hình 3.44: Biểu đồ chuyển vị và ứng suất dọc trục tại tần số 20547(Hz) 69

Hình 3.45: Chuyển vị dọc trục và ứng suất dọc trục 69

Hình 3.46: Biểu đồ chuyển vị và ứng suất dọc trục theo chiều dàilưỡi dao 70

Hình 3.47: Biểu đồ áp lực tại vị trí định vị 70

Hình 4.1: Khuôn cắt bánh bông lan 72

Hình 4.2: Hệ thống cắt gồm 3 hệ siêu âm 73

Hình 4.3: Khuôn cắt 120mm bằng thép 73

Hình 4.4: Bản vẽ khuôn cắt bằng nhôm 74

Hình 4.5: Khuôn cắt bằng nhôm 75

Hình 4.6: Hệ siêu âm chưa gắn khuôn cắt 75

Hình 4.7: Mô hình thử khuôn cắt 76

Hình 4.8: cắt bánh chocopie 76

Hình 4.9: Quá trình cắt bánh mì 77

Hình 4.10: Mặt cắt bánh mì sau khi cắt 78

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 9 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 4.11: Mặt cắt bánh bông lan 78

Hình 4.12: Khả năng cắt mỏng của hai phương pháp 79

Hình 4.13: cắt không và có siêu âm bánh dẻo 79

Hình 4.14: cắt bánh in bằng siêu âm 79

Hình 4.15: cắt xúc xích bằng siêu âm 80

Danh sách bảng Bảng 3.1: Một số vật liệu thường được dùng làm khuôn cắt [5] 35

Bảng 3.2: Bảng các thông số vật liệu của các chi tiết [9] 40

Bảng 3.3: Các thông số của piezoelectric P8 [4] 41

Bảng 3.4: Các thông số vật liệu của PIC 181 [4] 42

Bảng 3.5: Độ lớn dao động tại A và B tại các tần số 68

Bảng 3.6: Thông số công nghệ theo kết quả mô phỏng của khuôn thép: 71

Bảng 3.7: Thông số công nghệ của khuôn nhôm: 71

Danh sách ký hiệu và từ viết tắt

Ấ bước sóng (pm)

T chu kỳ songs (s)

/tần só của sóng (Hz)

V vận tố trường sóng (mm)

A biên độ sóng (pm)

E module đàn hồi của vật liệu (Pa)

ơ ứng suất (N/m2)

E biến dạng tương đối (đơn vị)

p khối lượng riêng (kg/m3)

m khối lượng (kg)

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 10 HVTH: Thạch Ngọc Phú

5 diện tích mặt cắt (m2) công thức 3.15

F lực (N)

Q hệ số chất lượng công thức 3.19

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 11 HVTH: Thạch Ngọc Phú

1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm:

Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng khá lâu ửong công nghiệp như là siêu âm ửong

y học, hàn siêu âm, kiểm ha không phá hủy bằng siêu âm, Tuy nhiên, cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm thì chỉ thực sự được áp dụng khá phổ biến vào những năm 1990 [1], Các nhà khoa học thực phẩm không những ngày càng chú họng đến những thực phẩm an toàn về mặt vi sinh mà còn đặc biệt quan tâm đến những thực phẩm có mẫu mã đẹp Ngoài ra, do lợi ích thương mại mà người ta ngày càng có xu hướng sản xuất những chiếc bánh to, từng mảng lớn, điều này giúp làm giảm chi phí sản xuất Do đó khâu cắt thực phẩm ưở nên rất cần thiết để có thể cắt nhỏ những chiếc bánh này theo kích thước 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 vào dụng cụ cắt thì công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm càng ưở nên phù hợp hơn Với ưu điểm như vết cắt hoàn hảo, hạn chế bám dính, ít tổn thất thực phẩm, thực phẩm không biến dạng sau cắt,

Cũng giống như phương pháp cắt truyền thống, cắt bằng siêu âm cũng tạo vết cắt nhờ

sự tác động của dao cắt tới vật cần cắt Tuy nhiên, dao cắt siêu âm được cấp một nguồn siêu âm nên nó dao động với tần số cao, điều này làm giảm ma sát giữa lưỡi dao với vật liệu cần cắt nên việc chia tách vật liệu diễn ra dễ dàng hơn mà không phải sử dụng nhiều

áp lực cắt như phương pháp truyền thống

Hình 1.1: cắt bánh bông lan bằng dao siêu âm [8]

1.2 Tình hình nghiên cứu

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 12 HVTH: Thạch Ngọc Phú

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Ở nước ta, ứng dụng công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm còn khá mới mẻ và xa lạ

với nhiều người tuy rằng công nghệ hàn siêu âm cũng khá phổ biến ngày nay Ở các trường

đại học, các trung tâm nghiên cứu thì chưa có bài báo khoa học chính thức nào được công

bố về ứng dụng này Phương pháp này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái quát

Tuy nhiên, nhận thấy tiềm năng cũng như ưu điểm và lợi ích của phương pháp này

mang lại một một số công ty như là Vietsonic, đã và đang nghiên cứu và đã cho ra một

số sản phẩm đáp ứng nhu cầu cắt một số thực phẩm như là bánh bông lan, cá đông lạnh,

1.2.2 Nghiên cứu trên thế giói

Từ những năm 1990, trên thế giới đã bắt đầu sử dụng phương pháp cắt này khá phổ

biến nhờ tính ưu việt của nó trong lĩnh vực cắt thực phẩm Phương pháp này được thừa kế

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 này mà người tiên phong là Merkulov [1], Ông đã

nghiên cứu lý thuyết thiết kế khuôn cắt (hàn) bằng cách phân tích sự tập trung sóng siêu

âm, và cho ra một loạt định nghĩa và công thức tính toán, ông cũng nhiêu cứu về trường

hợp sóng siêu âm truyền qua các chi tiết có biên dạng khác nhau Sau này có nhiều 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 dễ dàng hơn nhờ

có một số phần mềm mô phỏng hộ trợ như là Abaqus, Ansys, hypermesh, nhờ đó người

ta có thể thiết kế một số thiết bị phức tạp như dao mổ, dao cắt xương trong y học, Sau

đây là một số bài báo, luận văn đã được công bố ở các trường đại học trên thế giới:

Luận văn tiến sĩ của Euan McCulloch, "Experimental and Finte Element Modeling of

Ultrasonic Cutting of Food", năm 2008

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

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 13 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Luận văn tiến sĩ của Hassan Dakhil Al-Budairi, "Design and Analysis of Ultrasonic

Homs Operating in Longitudinal and Torsional Vibration" năm 2012

Trên thế giới cũng đã có nhiều hãng chuyên cung cấp các thiết bị máy móc ứng dụng

công nghệ này phải kể đến là Dukane, Abrigo, Bakon, Doeinghaus, Matiss,

Hình 1.2: Hệ thống cắt bánh tự động bằng cánh tay robot của Abrigo

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

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 14 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 1.4: Máy cắt sandwich của hãng Dõỉnghaus

Được ứng dụng khá phổ biến ở nước ngoài trong lĩnh vực bánh kẹo, rau quả, và một số thực phẩm cao cấp trong các nhà hàng Đây sẽ là một công nghệ cắt tiềm năng cho ngành thực phẩm của Việt Nam ưong thời gian sắp tới Sản phẩm cắt khá đa dạng

• Frozen cakes and pies

• Frozen fish

• Snack and health bars

• Fresh/frozen prepared meats

• Dough or baked cookies

• Soft and hard cheeses

• Fresh/frozen vegetables

• Candy and confections

V

Product guider [Opton module]

Height ad|u stable Gttlori

Stainless steel machine mmc

ultra IO IX tultaijs hud

PrơtectiMP co wrs

\

Stindwich

(einvryor

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 15 HVTH: Thạch Ngọc Phú

• Ice cream bars

và sản xuất theo từng mảng, theo dây chuyền tự động được rì nó làm giảm chi phí sản xuất

Để chia nhỏ những chiếc bánh này một cách hiệu quả thì phương pháp truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu nữa, đặc biệt đối với một số sản phẩm như là bánh kẹo, cá đông lạnh, là những thực phẩm dễ biến dạng, có tính bám dính, giòn thì phương pháp cắt thực phẩm này càng nên được ứng dụng Tuy là một phương pháp cắt thực phẩm tiềm năng và

đã được sử dụng rộng rãi ở ttên thế giới, nhưng ở nước ta nó chưa thực sự được nghiên cứu

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 16 HVTH: Thạch Ngọc Phú

- Chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về công nghệ cắt thực phẩm ứng dụng siêu

âm ở trong nước

Do đó, với tầm quan trọng của công nghệ này, việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của các

thông số công nghệ ửong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm” là hết sức cần thiết

1.5 Mục tiêu của luận văn

- Thiết kế khuôn cắt (sonotrode), mô phỏng quá trình truyền sóng ửong khuôn cắt

sử dụng FEM

- Chế tạo khuôn cắt thử nghiêm

- Tiến hành thực nghiệm ửên các loại thực phẩm

- Đưa ra các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình cắt

1.6 Ý nghĩa và đóng góp của đề tài:

• Triển khai và áp dụng từ lý thuyết đi vào thực tiễn

• Đáp ứng nhu cầu thị trường khó tính về thực phẩm như hiện nay

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 17 HVTH: Thạch Ngọc Phú

2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết sóng siêu âm:

2.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm:

Siêu âm được định nghĩa là năng lượng được tạo ra bởi sóng âm thanh khi truyền qua môi trường vật chất với tần số lớn hơn hoặc bằng 20 (kHz) Tần số nhỏ nhất của siêu âm được xác định là tần số tối đa mà con người có thể nghe được hay còn gọi là ngưỡng nghe hên Trong khi tần số lớn nhất của siêu âm được giới hạn bởi khả năng tạo tín hiệu của nó [1],

Power ultra sounds

20 kHZ-10DKH2 Cleaning Plastic, welding

Sonocliomistry

High frequency

2MMz-10MHz Medical di agnostic

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 18 HVTH: Thạch Ngọc Phú

2.1.2 Bản chất sóng âm:

Các môi trường vật chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền Nếu tác động một lực lên phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác động bởi lực bên ngoài nên phần tử A sẽ di chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa

là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạng dao động cơ có tính chất lặp 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 dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng

về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ,

có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng:

Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất, còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

Hình 2.2: Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm [6], Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

• Chu kỳ T (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

• Tần số f (Hz) là số chu kỳ thực hiện được ửong 1 giây

X » tvaveleitgfh

V “ antfitifudr

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 19 HVTH: Thạch Ngọc Phú

• Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn

vị thời gian

• Bước sóng Ầ (pm): quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng

1 chu kỳ (Ầ.=v.T=v/f) [6],

2.1.4 Phân loại sóng âm:

Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra làm 2 loại: sóng dọc và sóng ngang

Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng Tính chất này chỉ có ở vật rắn

Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trong các vật rắn 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>

Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasoun) f<16Hz Ví dụ: sóng địa chấn

Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): 16Hz < f <20kHz

Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz [6],

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 20 HVTH: Thạch Ngọc Phú

2.1.5 Tính chất vật lý của sóng âm và siêu âm

2.1.5.1 Hiện tượng phản xạ

Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có âm trở khác nhau sẽ tạo nên hiện tượng phản xạ siêu âm, còn một phần siêu âm xuyên qua môi trường và tuân theo định luật quang hình học:

Hệ số phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ số 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 nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến chùm siêu âm phản xạ

và kết quả chẩn đoán, vì thế phải hết sức tránh hiện tượng khúc xạ

Trong kỹ thuật siêu âm cần làm giảm khúc xạ có nghĩa là phải để nguồn siêu âm tới thẳng góc [6]

2.1.5.3 Hiện tượng nhiễu xạ

Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản Hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng 1 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 truyền một phần năng lượng cho môi trường đó hay nói cách khác nó bị môi trường đó hấp thụ

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 21 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trường siêu âm truyền qua, tần số siêu âm và

hệ số hấp thụ của môi trường Sự hấp thụ biểu hiện ở cường độ siêu âm càng thấp dần

Ix=7o.e-^

Trong đó:

lo, 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 dày 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 trong môi trường vật chất bất kỳ với vận tốc giống vận tốc âm Tuy nhiên do đặc tính tần số lớn nên

có một số điểm khác biệt Siêu ấm ít bị tản mạn nên có thể tạo thành những chùm tia có cường độ khá lớn cỡ 103W/m 2 và nếu được hội tụ có thể đạt tới cỡ 104 đến 105W/m2 Trong không khí ở tần số cỡ 100kHz trở lên, siêu âm bị tắt rất nhanh vì bị hấp thụ mạnh, trái lại trong các môi trường lỏng như nước chẳng hạn, siêu âm ít bị hấp thụ Do đó nguồn siêu âm thường được đặt trong một chất lỏng nào đó

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 22 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Sóng siêu âm phản xạ trên bề mặt phân cách giữa các môi trường khác nhau có tính 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, nấm Khi cường độ đủ lớn có thể làm chết các động vật nhỏ [6],

2.1.6 Nguồn phát siêu âm

Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một vật rắn, một màng căng hay một dây căng dao động đàn hồi Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi phải có tần số trên 20 (kHz) nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh, tinh thể Niken Dưới đây trình bày hai cách phát siêu âm phổ biến [6]

2.1.6.1 Nguồn phát siêu âm dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch

Hình 2.4: Dao động của tinh thể thạch anh [6],

Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9],

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 23 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện Người ta mạ hai mặt của bản để tạo thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phẳng

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều bản thạch anh bị biến dạng cong về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngược lại Khi ta thay nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sê liên 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 Ỏ đây năng lượng của nguồn điện đã biến thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan truyền vào môi trường xung quanh với tần

đó là hiện tượng từ giảo

Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với một nguồn điện một chiều

Do hiện tượng từ giảo làm độ dài của thanh sắt từ ngắn đi một ít Khi ngắt dòng điện, từ trường trong lòng cuộn dây không còn làm chiều dài của thanh sắt từ trở về bình thường Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay chiều có tần số cao Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên liên tục với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động gấp đôi tần số dao động của dòng điện và sẽ phát ra siêu

âm khi tần số > 20 (kHz) Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của thanh sắt từ Nguồn phát siêu âm loại này có thể lên

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 24 HVTH: Thạch Ngọc Phú

đến 1000 (MHz) [6],

2.2 Cấu tạo và nguyên lý cắt thực phẩm bằng siêu âm

Phương pháp cắt bằng siêu âm hoàn toàn tương tự với phương pháp cắt thông thường,

chỉ có điều sự chuyển động của thiết bị cắt được kích thích một nguồn siêu âm làm cho

dao cắt ngoài chuyển động tịnh tiến nó còn dao động theo hướng cắt với tần số siêu âm

Cấu tạo của một hệ thống cắt bằng siêu âm gồm 4 thành phần chính là: bộ phát cao tần (HF

generator); bộ chuyển đổi (Converter/transducer); bộ khuếch đại (booster); và khuôn cắt

(sonoUode)

Bộ phát cao tần (HF generator) sử dụng điện công nghiệp có tần số 50/60 (Hz) tạo ra

một nguồn điện xoay chiều (AC) với tần số siêu âm mong muốn, thường là Uong khoảng

20-50 (kHz) Dao động điện này được chuyển thành dao động cơ với tần số tương ứng nhờ

bộ chuyển đổi (Uansducer) Tiếp theo sau là bộ khuếch đại (booster) có thể làm tăng hoặc

giảm biên độ của dao động cơ này và truyền trực tiếp đến thanh truyền sonotrode Thanh

truyền sonoưode hoạt động như một bộ cộng hưởng cơ học, mà dao động chủ yếu theo

chiều dọc của hướng cắt Một số sonoưode thẩm chí có thể hoạt động như các công cụ cắt

hoặc có thể hoạt động như một bộ ghép nối cho một lưỡi dao cắt độc lập

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 25 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8],

Bộ phát cao tần (HF generator): chuyển đổi nguồn điện có tần 50/60 (Hz) thành dao động điện có tần số từ 20-40 kHz, nguồn này sau đó được nối với bộ chuyển đổi siêu âm bằng sởi cáp [6],

Hình 2.8: Bộ phát cao tần [6],

Bộ chuyển đổi (ttansducer/converter): bộ chuyển đổi siêu âm là một thiết bị điện- cơ,

nó nhận nguồn điện cao tần (20-40kHz) từ bộ phát, tại đây dao động điện cao tần sẽ được chuyển đổi thành dao động cơ có tần số tương ứng bằng cách làm cho những đĩa ceramic giãn nở liên tục nhờ nguyên lý PZT (piezoelectric)

Convârter

Sonotrorie

MochanicaJ oscillation

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 26 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 2.9: Bộ chuyển đổi siêu âm [6],

Bộ khuếch đại (Booster): được sử dụng để duy trì, giảm hoặc tăng biên bộ của dao cắt Nó đóng vai trò như bộ phận lắp ghép trung gian

Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6]

Dao cắt siêu âm hay khuôn cắt (sonotrodes): khuôn cắt được lắp vào bộ khuếch đại Đây là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với vật cần cắt và làm nhiệm vụ cắt Thường dao cắt được chế tạo bằng vật liệu hợp kim Titan hoặc nhôm để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, và đặc biệt vật liệu này có tính chất truyền âm rất tốt, bề mặt sáng bóng và cứng, chịu mỏi tốt

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 27 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 2.11: Các loại khuôn cắt siêu âm trong thực phẩm [6]

Quá trình cắt diễn ra tương tự như cắt truyền thống Tuy nhiên, ngoài áp lực từ máy

cắt, dao cắt còn dao động với tần số siêu âm cùng với độ sắc của nó làm đứt liên kết giữa

các phần tử vật liệu tại điểm cắt một cách dễ dàng trong thời gian cực ngắn Với phương

pháp cắt này thì không cần áp lực cắt lớn như phương pháp cắt truyền thống Do đó, nó

có thể cắt được vật liệu xốp, giòn một cách dễ dàng

Without uiýasoiiic support

With ultrasonic support

Increasing progress

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

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 28 HVTH: Thạch Ngọc Phú

2.3 Các thông số cắt siêu âm

Không giống như phương pháp cắt truyền thống ngoài áp lực cắt ra thì phương pháp cắt bằng siêu âm còn có thêm các thông số cắt khác ảnh hưởng đến quá trình cắt cũng như chất lượng cắt

2.3.1 Áp lực cắt F (N)

Ap lực căt là lực mà hệ thông câp cho con dao, không tính áp lực từ siêu âm Với công nghệ cắt này thì không đòi hỏi áp lực cắt lớn như phương pháp truyền thống

Hình 2.14: So sánh lực sử dụng trong quá trình cắt không có và có siêu âm [3]

Hình 2.13: Các thông số cắt siêu âm

Without ullrasu nlc support

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 29 HVTH: Thạch Ngọc Phú

2.3.2 Tần số siêu âm f (kHz)

Là tần số mà nguồn phát siêu âm cấp cho dao cắt Tùy vào từng loại thực phẩm, cách

cắt mà ta sử dụng tần số cắt khác nhau để đạt được chất lượng tốt nhất

2.3.3 Biên độ cắt A (|im)

Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3]

Là biên độ dao động của dao cắt Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cắt, đến năng

xuất cắt Biên độ này có thể thay đổi được nhờ bộ khuếch đại

2.3.4 Tốc độ cắt V (mm/s)

Là tốc độ tiến dao cắt hay lượng ăn dao trên một đơn vị thời gian

3 QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG KHUÔN CẨT

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

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 30 HVTH: Thạch Ngọc Phú

3.1 Cơ sở thiết kế 3.1.1 Sóng dọc truyền qua thanh trụ thẳng [1]

Khi sự dao động dịch chuyển trong mặt phẳng dọc theo biên dạng của một thanh trụ thẳng được kích thích thì sóng dọc sẽ xuất hiện trong thanh đó Gọi độ dịch chuyển là u, X

là vị trí mặt phẳng đang xét, thời gian t

Đối với thanh trụ đàn hồi, đẳng hướng, đồng nhất thì công thức dao động có thể tìm thấy bằng cách xét một phần tử nhỏ của thanh là dx cái mà được áp một lực p, dịch chuyển tại X là u và tại x+dx là u +dx. Phần tử dx lúc này tăng chiều dài thêm một đoạn dx và ứng

suất của phần tử bị kéo dãn ra này là (hình)

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 31 HVTH: Thạch Ngọc Phú

8 2 u 1 8 2 u

Trong đó c2 = I 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 phần là kết

quả được xét dưới dạng:

u(x, t) = ổ(x)H(t) (3.6) Thay (3.6) vào (3.5)

Nghiệm tổng quát được viết dưới dạng:

G(x) = Asin X + Bsin X và H(t) = Csinùìt + Dcosùìt c c (3.10)

Trong đó A, B, c và D là phụ thuộc vào điều kiện biên ban đầu Phương trình tổng quát của u như sau:

u(x, i) ' Asin—X + Bsin—X ) (Csinart + Dcosùìi) ú) ù) X

Đối với một thanh tự do, tần số tự nhiên tìm được là:

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 32 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Trong đó n là mode-order, l là chiều dài sóng Đối với một tần số âm cố định, chiều dài chi tiết siêu âm được tính như sau:

Từ công thức (3.13), tần số tự nhiên fn phụ thuộc vào module đàn hồi và khối lượng riêng của vật liệu là E vàp. Công thức 3.13 chỉ chính xác đối với chi tiết mode order thấp

tức là có chiều dài thanh gấp nhiều lần đường kính thanh

3.1.2 Sóng truyền qua chi tiết có biên dạng không đồng nhất

Trong các thiết bị siêu âm năng lượng cao, biên dạng khuôn không đồng nhất được

sử dụng để khuếch đại biên độ dao động được cấp bởi bộ chuyển đổi Khuôn cắt dạng này có hệ số khuếch đại (gain) được xác định bởi tỷ lệ giữa biên độ đầu ra so với biên độ

đầu vào bằng cách điều chỉnh mặt cắt ở đầu vào và đầu ra của khuôn

Theo nguyên lý của sóng dọc ưên thanh trụ tròn, công thức cho biên dạng conical, exponential và catenoial được lấy từ công thức của Merkulov [1], Công thức được xác định bằng cách giả sử rằng ứng suất sóng vẫn duy trì trong mặt phẳng một cách lý tưởng

và ứng suất này được phân phối đi đồng đều qua các mặt cắt tiếp theo, có thể thấy ở hình

3.2

n

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 33 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Ả Ị(n7ỳ) 2

+ (ZnN)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 phần tử nhỏ trong biên dạng đối xứng tâm với một mặt cắt Sỉ và bán kính n vuốt nhọn tới mặt cắt Ố2, bán kính r2 (hình 3.2) được xác định dựa vào định luật II Newton là 2 F trong đó F là lực, m là khối lượng, “77 là

gia tốc Công thức dao động của một phần tử nhỏ được biểu diễn là tiết diện gạch chéo ở hình 3.2 có thể được xác định bởi công thức 3.14 trong đó 5 là diện tích mặt cắt, m là khối lượng của phần tử, p là khối lượng riêng, ỗz là chiều dài của phần tử, z là trục theo hướng dọc của sóng, r là bán kính, Uz là độ dịch chuyển theo trục z Thể tích của phần tử

được xác định như sau:

Tổng lực được xác định F=ơS trong đó F là lực, a là ứng suất trong phần tử và 5 là

tiết diện mặt cắt Tổng lực được viết lại như sau:

Merkulov sử dụng công thức sau để miêu tả làm thế nào có được chiều dài sóng

của một số kiểu khuôn cắt Một minh họa trong số các khuôn có biên dạng đối xứng tâm được nêu ở hình 3.3 Công thức tưorng ứng để tính chiều dài sóng âm l là:

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 34 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Đối khuôn Catenoidal, k' = y/k 2 — Y 2 , /v = 7^, Ấ = 7vày=7 cos121, kĩ là ?2 f l r 2

nguồn gốc của công thức trên

Hình 3.3: Hình dạng sóng truyên qua các biên dạng khác nhau 3.2 Lựa chọn vật liệu cho khuôn cắt

Khi một nguồn sóng siêu âm truyền dao động qua một môi trường trung gian, cường độ của nó sẽ giảm dần Hai nguyên nhân dẫn đến sự mất năng lượng của sóng trong quá trình truyền dao động là sự phân tán (sự phản xạ của sóng theo hướng khác so với hướng sóng ban đầu) và sự hấp thụ (sự chuyển đổi năng lượng sóng thành nhiệt do ma sát nội), kết hợp hai

nguyên nhân này gọi là sự tắt dần công thức 3.16 chỉ độ suy giảm biên độ của sóng:

Ao là biên độ ban đầu của sóng, A là biên độ của sóng sau khi đã truyền qua một đoạn đường X tính từ nguồn sóng ban đầu Trong khi đó, hệ số tắt dần sóng a là hệ số chỉ ra mức

độ khó dễ khi một sóng âm truyền dao động qua vật thể trung gian

Một cách hiểu khác, có thể xem việc mất năng lượng trong lức truyền dao động như là

sự mất mất độ trong một chu kỳ 5 là tỉ lệ mà biên độ sóng giảm và được biểu diễn như sau:

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 35 HVTH: Thạch Ngọc Phú

Và do đó, trong trường hợp ô=ax. Tổn thất năng lượng trong hệ thống có thể được xác

ở các loại vật liệu khác nhau Chỉ số chất lượng của hợp kim nhẹ như là nhôm, Magie, titan

thấp hơn so với hợp kim nặng như là thép hợp kim

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

(MPa)

1 It in Late Tensile Strength (MPa)

Hardness (Brinell)

Fracture Toughness (MPami)

3.3 Mô hình phân tử hữu hạn FEM (Finite Element Modelling)

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của số học cũng như sự giảm phí sử dụng của các phần mềm FE nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi Phương pháp FE làm việc trên một mô hình máy tính sử dụng lưới phần tử được kết nối với nhau bằng các điểm Các phần tử có thể có tính chất vật liệu đơn giản hoặc phức tạp được áp đặt để mô tả đặc tính của

mô hình phân tích Điều kiện biên và các nội ngoại lực có thể được mô phỏng trên các điểm hoặc các phần tử của lưới và kết quả có thể được tính toán tùy thuộc vào từng loại phân tích

mà người mô phỏng mong muốn Nhiều kỹ thuật mô phỏng có thể được phân tích trên cả

mô hình 2D lẫn 3D

3.4 Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn cắt

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải 36 HVTH: Thạch Ngọc Phú

3.4.1 Giói thiệu phần mềm ABAQUS

Khuôn cắt sẽ được mô phỏng trên phần mềm ABAQƯS Phần mềm ABAQƯS ban đầu được sử dụng trong ngành kỹ thuật hạt nhân Sau đó được ứng dụng tính toán kết cấu giàn khoan dầu và khí đốt ngoài biển, trong ngành ôtô để mô phỏng các phần tử động học Hiện nay ABAQƯS là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp AB AQƯS có kho phần tử phong phú, có thể

mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép, ABAQƯS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất, chuyển vị), vần có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực

khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

ABAQƯS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQƯS/Standard và ABAQƯS/Explicit Ngoài

ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt: ABAQƯS/Aqua và

ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evữonment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả [10]