Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành : Kỹ Thuật khí Mã số : 85.20.10.3 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TÀO QUANG BẢNG Phản biện 1: PGS.TS Đinh Minh Diệm Phản biện 2: PGS TS Thái Thế Hùng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 12 tháng 10 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Với tiến công nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết (cấu kiện) thiết bị kỹ thuật chế tạo ngày trở nên nhỏ hơn, tốn với tuổi thọ dài Trước thành phần đưa vào sử dụng ứng dụng kỹ thuật, đặc tính chúng tỉ lệ vi mơ (micro) phải thí nghiệm, tính tốn phân tích tỉ lệ tương đương Đối với thiết bị điện tử, việc xác định tính mối hàn có ý nghĩa quan trọng và, nay, có nhiều loại thiết bị kỹ thuật thí nghiệm nhà nghiên cứu sử dụng để đưa tính ứng với loại vật liệu hàn Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu kỹ thuật đo biến dạng sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin chế phá hủy vật liệu Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích đại trở nên cần thiết nhận quan tâm lớn nhà khoa học giới Bên cạnh đó, ngành công nghiệp ôtô, loại vật liệu hàn thuộc nhóm vật liệu hàn khơng chì (lead-free solders) có tên gọi InnoLot, bắt đầu đưa vào sử dụng thiết bị, chi tiết vi mạch điện tử Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu xuất việc kết hợp phương pháp thực nghiệm phần tử hữu hạn (FEM) để xác định trường biến dạng toàn cấu kiện vật liệu InnoLot Do đó, đề tài “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số phần tử hữu hạn” cần thiết, có tính ứng dụng cao phù hợp với xu tương lai II Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu xác định trường biến dạng toàn mẫu thử vật liệu hàn khơng chì InnoLot với độ phân giải khơng gian thời gian cao kết hợp phương pháp tương quan ảnh số (DIC) phần tử hữu hạn (FEM) III Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu đề tài trường biến dạng mẫu thử vật liệu hàn 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Tổng quan phương pháp tương quan ảnh số (DIC) phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) - Ứng dụng phương pháp tương quan ảnh số (DIC) phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) xác định trường biến dạng vật liệu IV Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực 4.1 Cách tiếp cận: - Thiết kế lắp đặt hệ thống DIC: nghiên cứu tính tốn, lựa chọn CCD camera có độ phân giải tốt phù hợp với mục tiêu nghiên cứu Thiết kế chế tạo lắp đặt canh chỉnh cấu kiện hệ thống DIC để độ xác cao Từ đó, tính tốn sai số phương pháp DIC để không vượt giới hạn cho phép phương pháp 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình chế tạo cấu kiện thí nghiệm - Thiết lập chương trình điều khiển LabVIEW để điều khiển hệ thống mô tả tín hiệu phát thu thí nghiệm - Thiết lập chương trình tính tốn Matlab dựa cơng thức tốn mơ tả phương pháp DIC để xử lý số liệu, hình ảnh thu từ phương pháp DIC từ xuất kết trường biến dạng - Thiết lập chương trình tính tốn phân tích FEM Kết q trình mơ so sánh với thực nghiệm 4.3 Kỹ thuật sử dụng - Kỹ thuật sử dụng phương pháp đồng thông số vật liệu Anand dựa luật phi tuyến tối thiểu NLS - Kỹ thuật thứ liên quan đến việc sử dụng công thức phương pháp DIC để xác định trường biến dạng toàn chi tiết - Kỹ thuật thứ liên quan đến việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với hàm vùng dính kết - Kỹ thuật thứ liên quan đến mơ hình hóa phụ sử dụng để nghiên cứu xác vùng trọng điểm mối hàn với thời gian tính tốn giảm đáng kể - Kỹ thuật thứ phương pháp phần tử biên hạt V Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Phạm vi dự án bao gồm phạm vi khoa học đại thể tính sáng tạo nó: phương pháp DIC, phương pháp phần tử hữu hạn - Ý nghĩa thực tiễn: Vật liệu hàn khơng chì InnoLot bắt đầu sử dụng nhiều cấu kiện điện tử đặc biệt ngành công nghiệp ôtô có nhiều ưu điểm so với vật liệu hàn truyền thống VI Dự kiến kết đạt - Mơ hình thí nghiệm phương pháp DIC - Mơ hình tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn - Kết trường biến dạng chi tiết phương pháp thực nghiệm, phương pháp DIC mô phần mềm phần tử hữa hạn - Xác định đường vủa vết nứt bề mặt vật liệu VII Cấu trúc luận văn Đề tài luận văn: “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số phần tử hữu hạn” gồm 05 chương sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp tương quan ảnh số phương pháp phần tử hữu hạn Chương 3: Vật liệu q trình thí nghiệm Chương 4: Kết thảo luận Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước Ngồi nước Phương pháp DIC đề xuất nhà nghiên cứu Đại học Southern Carolina (Mỹ) vào đầu năm 1980 Tuy nhiên, năm gần đây, phương pháp DIC quan tâm để đo trường chuyển vị biến dạng nhiều lĩnh vực ứng dụng khác Cụ thể, sử dụng nhiều lĩnh vực cho vật liệu khác vật liệu sinh học, kim loại – hợp kim, polyme, geomaterials Hơn nữa, kết hợp DIC với việc đo (kiểm tra) độ bền chỗ phát triển để xác định biến dạng chi tiết kích thước micro nano Sự kết hợp sử dụng rộng rãi để xác định trường phân bố biến dạng, trường biến dạng gần vết nứt, tính chất học vật liệu bao gồm module đàn hồi, hệ số Poisson hệ số cường độ ứng suất 1.1 1.1.1 Hiện nay, có nghiên cứu việc áp dụng kỹ thuật DIC kết hợp với phương pháp FEM việc xác định tính vật liệu hàn Phương pháp DIC sử dụng cho toàn chi tiết áp dụng để kiểm tra phân tích biến dạng cục vật liệu hàn SAC SAC105, SAC305, SAC405, SAC387 đề cập nghiên cứu Bằng cách sử dụng phương pháp DIC, việc đo biến dạng mối hàn vi mạch điện tử thực cách kết hợp thí nghiệm nén xử lý DIC Ngồi ra, mơ hình 3D cài đặt HYPERWORKS để mơ thí nghiệm trình bày nghiên cứu Những tính chất tính (hệ số Poisson, module đàn hồi, …) vật liệu hàn trích xuất cách so sánh tương quan kết phương pháp tính tốn số phương pháp thí nghiệm Thêm vào đó, kết đo từ thí nghiệm so sánh với kết từ FEM cho biến dạng mối liên kết hàn mảng mạch điện tử dạng cầu PBGA) chi tiết tác dụng tải trọng nhiệt chu kỳ Do thiết bị điện tử ôtô đối mặt với nhiều thách thứ yêu cầu đặc tính cơ-nhiệt mối hàn Thứ nhất, cấu kiện làm việc môi trường hoạt động khắc nghiệt nhiệt độ, rung động,… Bên cạnh đó, ngành sản xuất ôtô, người sử dụng ngày yêu cầu cao tuổi thọ Tuy nhiên, hợp kim hàn tiêu chuẩn SAC có hiệu suất tốt khơng đáp ứng với yêu cầu khắc nghiệt Do đó, hợp kim hàn có tên gọi InnoLot chế tạo để thích ứng với điều kiện khắc nghiệt InnoLot tạo dựa tảng SAC387 với việc bổ sung nguyên tố có lợi Bi, Sb Ni Ngoài ra, sau sàng lọc tài liệu nghiên cứu cho thấy chưa có nghiên cứu xuất việc kết hợp phương pháp DIC mô FEM để xác định biến dạng toàn chi tiết vật liệu InnoLot 1.1.2 Trong nước Hiện nay, Việt Nam chưa có nghiên cứu ngồi nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách khoa – Đại học Đà Nẵng vật liệu hàn Một vài nghiên cứu nhà nghiên cứu đến từ Việt Nam NCS nước liên quan tới việc sử dụng phương pháp DIC việc xác định trường ứng suất biến dạng thiết bị điện tử sử dụng vật liệu hàn khơng chì SAC CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Phương pháp tương quan ảnh số (DIC) 2.1.1 Giới thiệu chung DIC Phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation DIC) phương pháp không tiếp xúc, không phá hủy để đo lường chuyển vị chủng Bởi điều này, có tiềm tốt cho ứng dụng hạt nhân nhà máy điện để thực phép đo thành phần cấu trúc chủ động thụ động DIC đặc biệt hữu ích ứng dụng nhà máy điện hạt nhân thời gian lưu trú hạn chế khả truy cập thành phần bị hạn chế trường xạ bề mặt bị ô nhiễm DIC phương pháp quang học sử dụng khớp mẫu hình ảnh kỹ thuật đăng ký để đo lường xác hai ba chiều thay đổi hình dạng vật phẩm kiểm tra Phương pháp sử dụng để đo hình dạng, biến dạng, chuyển vị, biến dạng Kỹ thuật DIC tìm thấy ứng dụng rộng rãi phương pháp kỹ thuật sản xuất để đo lường thay đổi cung cấp dịch chuyển hiểu biết đo lường cho phân tích vật liệu cấu trúc, xác minh phân tích phần tử hữu hạn, kiểm soát chất lượng Phương pháp tương quan ảnh số phương pháp mạnh mẽ để phát biến dạng bề mặt vật liệu thành phần khác sử dụng phổ biến ứng dụng liên quan đến:  Kiểm tra vật liệu đặc tính  Nghiên cứu phá hủy mỏi  Theo dõi độ tin cậy chi tiết  Vật liệu có thành phần hình dạng phức tạp  Đo tĩnh động biến dạng chuyển động 2.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC) Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) đề cập đến kỹ thuật đo quang không tiếp xúc, bao gồm bước thu nhận, lưu trữ tương quan hình ảnh phát minh kể từ năm 1980 Nó tạo trường biến dạng tồn chi tiết theo tất hướng Phương pháp DIC phát triển thành kỹ thuật cho thử nghiệm học chỗ với độ nhạy cao 2.1.2 Ưu điểm ứng dụng phương pháp DIC a) Ưu điểm phương pháp DIC: Phương pháp tương quan ảnh số sử dụng nhiều dụng cụ thiết bị chi phí rẻ dể chế tạo Ngồi ra, phương pháp khơng q đòi hỏi chuẩn bị mẫu q cơng phu sử dụng mơi trường, vị trí khác Nó sử dụng nhiều với ưu điểm sau:  Không ảnh hưởng tới chi tiết thí nghiệm  Khơng tạo ứng suất  Đo biến dạng tồn chi tiết  Chính xác dể dàng sử dụng Hình 2.2 Phương pháp tương quan ảnh số b) Ứng dụng phương pháp DIC: Phương pháp DIC ứng dụng nhiều kỹ thuật đời sống ưu điểm vượt trội liệt kê trên, cụ thể:  Ứng dụng vào thí nghiệm kéo, nén: Hình 2.3 Phương pháp tương quan ảnh số thí nghiệm kéo  Ứng dụng xác định đường vết nứt chi tiết: Hình 2.4 Phương pháp tương quan ảnh số xác định đường vết nứt  Ứng dụng địa kỹ thuật: Hình 2.5 Phương pháp tương quan ảnh số địa kỹ thuật  Ứng dụng y sinh: Hình 2.6 Phương pháp tương quan ảnh số y sinh 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hạn (Finite Element Method) công cụ số mạnh mẽ để giải phương trình vi phân dạo hàm riêng phương trình tích phân Phương pháp dựa việc rời rạc hóa miền khảo sát thành miền con,có hình dạng tùy ý, liên kết thông qua nút phần tử Các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, thơng thường có phương pháp để giải bao gồm: phương pháp phân tích tốn học, phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp thử nghiệm thực tiễn + Phương pháp phân tích tốn học: Có tính khách quan kết xác 100% thường áp dụng cho tốn đơn giản, mơ hình khơng phức tạp + Phương pháp phần tử hữu hạn: Áp dụng quy luật vật lý, hàm toán học…vào phần mềm mơ để tính tốn Kết tính tốn xấp xỉ xác, phụ thuộc vào khối lượng tính tốn cách xây dựng mơ hình tính phần mềm + Phương pháp thử nghiệm thực tiễn: Thực phương pháp đo, thử nghiệm, quan sát Kết tính tốn xấp xỉ xác yếu tố chủ quan, cách thử nghiệm, thiết bị đo đạc… Hình 2.7 Các phương pháp giải vấn đề kỹ thuật a) Phân tích tốn học; b)Phần tử hữu hạn; c) Thử nghiệm thực tiễn Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp số đặc biệt có hiệu để tìm dạng gần hàm chưa biết miền xác định V Phương pháp phần tử hữu hạn khơng tìm dạng xấp xỉ hàm tồn miền xác định V mà miền Ve thuộc miền xác định hàm 2.2.2 Các giai đoạn toán phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn thực ba giai đoạn: tiền xử lý, xử lý hậu xử lý + Tiền xử lý (Pre Processing): Trước xử lý giai đoạn chuẩn bị (chia lưới) chi tiết để phân tích Dạng hình học phức tạp chia nhỏ thành dạng hình học đơn giản (phần tử) trình chia lưới Các phần tử sau chia lưới định nghĩa cho loại, độ dày, vật liệu sau thêm lực 10 tấm, phân bố theo bề dày (Hình 2.11) Người ta chấp nhận giả thiết rằng:   z   xz   yz   Các ứng suất mặt phẳng không thay đổi theo bề dày z  Biến dạng theo phương z tự nên (  z  ) Khi đó, người ta nói kết cấu làm việc trạng thái ứng suất phẳng Hình 2.13 Mơ hình tốn ứng suất phẳng a) Quan hệ ứng suất - biến dạng – nhiệt độ Đối với vật liệu đẳng hướng đàn hồi, có:  x   / E   / E   x   x         . y    y   y     / E / E     0 / G   xy   xy   xy       (2.1) Viết dạng ma trận,    [C]1      (2.2) Trong đó:   vector biến dạng ban đầu; [C ] ma trận hệ số đàn hồi (hay ma trận ứng xử); E module đàn hồi;  hệ số possion; G module trượt 11 Với: G E 2(1  ) (2.3) Từ phương trình (2.1), ta tìm quan hệ:  x  1     x   x     E  .         y      y   y0       0 (1   ) / 2           xy   xy    xy  (2.4) Hay:    [C]     (2.5) Trong đó:    [C ]  ứng suất ban đầu Biến dạng ban đầu   thay đổi nhiệt độ, xác định  x  T       y   T    0    xy   (2.6) Trong đó:  hệ số giãn nhiệt, T độ thay đổi nhiệt độ b) Quan hệ biến dạng – chuyển vị Với giả thuyết biến dạng bé, ta có: u v v u  x  ;  y  ;  xy   x y x y (2.7) Viết dạng ma trận:  x   / x     u   / y     y        / y  / x  v     xy  (2.8) 12 Hay:    [D]u (2.9) Như vậy, biến dạng đạo hàm bậc chuyển vị c) Phương trình cân Các thành phần ứng suất kết cấu phải thỏa phương trình cân Cauchy  x  xy   fx   y  x    xy   y  f  y  x y (2.10) Trong đó: f x , f y lực khối (như lực trọng trường) đơn vị khối lượng d) Điều kiện biên Hình 2.14 Biên S vật thể Biên S vật thể gồm hai thành phần: biên Su biên tự nhiên St Khi ta có:  Trên biên u  u0 , v  v0  Trên biên tự nhiên t x  t x , t y  t y Trong đó: u0 , v0 , t x , t y thành phần biết trước t x , t y lực biên theo phương x, y tương ứng 13 2.3.2 Cơ học rạn nứt a) Lý thuyết Do giới hạn đề tài, phần trình bày đặc trưng vết nứt phạm vi học rạn nứt đàn hồi tuyến tính, làm sở để giải vấn đề đề Trong học rạn nứt, người ta phân biệt dạng mở rộng vết nứt sau: a) Kiểu I b) Kiểu II c) Kiểu III Hình 2.15 Các kiểu hình thành vết nứt Kiểu I: Vết nứt có dạng mở rộng lực kéo chiều hay hai chiều Bề mặt vết nứt di chuyển theo phương vng góc với mặt phẳng có chứa vết nứt - Kiểu II: Vết nứt mở rộng lực trượt nằm mặt phẳng tấm, chuyển dịch nằm mặt phẳng vết nứt vuông góc với cạnh có chứa vết nứt - Kiểu III: Vết nứt có dạng trượt ngang (trượt chiều) thường xãy thép mỏng lực cắt nằm mặt phẳng Sự chuyển dịch nằm mặt phẳng vết nứt song song với cạnh có chứa vết nứt b) Sự hình thành biến dạng dẻo đáy vết nứt Trong thực tế, loại vật liệu có giới hạn chảy riêng định, ứng suất kết cấu đạt đến giới hạn chảy xuất biến dạng dẻo Điều có nghĩa đáy vết nứt tồn vùng biến dạng dẻo, vùng biến dạng dẻo có kích thước nhỏ mang tính chất cục lân cận đáy vết nứt 2.4 Giới thiệu chung phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks HyperWorks phần mềm CAE tiếng ứng dụng nhiều lĩnh vực với khả phân tích xác dựa phương pháp phần tử hữu hạn Phần mềm phục vụ cho việc tính tốn, mơ phỏng, tối ưu hóa chi tiết, kết cấu nhằm giảm chi phí, - 14 giảm thời gian đưa sản phẩm thị trường, tăng độ tin cậy sản phẩm 2.4.1 HyperMesh 2.4.2 HyperViews 2.4.3 HyperGraph 2.4.4 HyperCrash 2.4.5 Radioss 2.4.6 Optistruct 2.4.7 MotionView 2.4.8 Simlab 2.5 Ứng dụng phương pháp DIC nghiên cứu phát triển vết nứt Theo giả định độ đàn hồi tuyến tính đứt gãy, nhà khoa học Williams đề xuất giải pháp cho trường biến dạng ứng suất gần mặt trước vết nứt dạng phát triển chuỗi Trong trường hợp xảy cố mặt phẳng (Hình 2b), trường chuyển vị xung quanh vết nứt, nhúng môi trường đẳng hướng đồng đưa bởi:  n n n n   n  cos         1  cos n2  u   r  2  2   An     n1  n n n  n   2   n v   sin         1  sin  2 2      Trong đó:  : môđun cắt,  =  4 : điều kiện biến dạng phẳng 3   1  : điều kiện ứng suất phẳng  : hệ số Poisson r  tọa độ cực điểm đo tương ứng với đầu vết nứt Các hệ số An chuỗi Williams phụ thuộc vào tham số hình học a W , a độ dài vết nứt Wchiều rộng mẫu Cụ thể, hệ số thứ liên quan đến hệ số cường độ ứng suất loại I, A1  K I 2 hệ số thứ hai "ứng suất T", A2   ox Các chuyển vị phương trình (3) viết lại là: 15 u  n1 An f In r ,   v  n1 An g In r ,     với f In r ,   g In r ,   hàm biết phụ thuộc vào tọa độ cực Xem xét chuyển động vật rắn kèm với biến dạng trường chuyển vị biểu thị điểm tọa độ trở thành: uk  n1 An f In rk ,  k   Tx  Ryk N vk  n1 An g In rk ,  k   Ty  Rxk N Trong đó: Tx Ty : đại diện cho thành phần dịch theo hướng x y, R: trục quay 2.6 Kết luận Chương trình bày tổng quan phương pháp tương quan ảnh số phương pháp phần tử hữu hạn Các ưu điểm, nhược điểm ứng dụng phương pháp cho lĩnh vực kỹ thuật đời sống trình bày phần Ngoài ra, lý thuyết đàn hồi học rạn nứt nêu Cuối cùng, phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks, mô-đun ứng dụng giới thiệu chương CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ Q TRÌNH THÍ NGHIỆM 3.1 Vật liệu chi tiết thí nghiệm 3.1.1 Vật liệu hàn Như trình bày trên, nghiên cứu này, vật liệu hàn khơng chì InnoLot chọn để nghiên cứu Thành phần hóa học vật liệu thể Bảng Bảng 3.1: Thành phần hóa học vật liệu hàn InnoLot Sn A C Sb Bi Fe Al As Ni Tchảy Tngu g u ội 90 1.5 0.00