Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải thaco towner bằng vật liệu COMPOSITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG TUẤN VIỆT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG DƯƠNG TUẤN VIỆT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÙNG XE TẢI THACO TOWNER BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60.520.116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN VĂN LUẬN Đà Nẵng – Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Tác giả Dương Tuấn Việt ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Vật liệu composite vật liệu tổ hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhằm tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu thành phần ban đầu, có nhiều tính ưu việt có khả ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kỹ thuật sống Trong năm gần đây, có nhiều ứng dụng vật liệu composite để chế tạo linh kiện ngành công nghiệp ứng dụng: Thân vỏ tàu thủy, thiết bị đựng hóa chất, cánh tua bin… Trong ngành công nghiệp ô tô, composite hãng chế tạo ô tô ứng dụng chế tạo thân vỏ chi tiết thay khác Cùng chung xu ứng dụng vật liệu thay thế, đồng thời đáp ứng nhu cầu thị trường tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm Đề tài ‘‘nghiên cứu thiết kế thùng xe tải nhẹ Thaco Towner 750 vật liệu composite’’ hướng đến đánh giá tính khả thi mặt kỹ thuật chuyển đổi vật liệu chế tạo thùng Bên cạnh đó, đề tài sở cho việc lựa chọn cách tạo mẫu phương pháp tính tốn phù hợp để sản xuất thùng xe tải nhẹ khác lắp ráp Nhà máy vật liệu composite Từ khóa: Composite sandwich, Vỏ bao composite, công nghệ sandwich ABSTRACT Composite material is a combination of two or more materials to create a new material that is superior to that of the original material, so it has a number of advantages and potential Widely used in many fields of engineering and life In recent years, there have been many uses of composite materials for manufacturing components in the application industry: ship hulls, chemical containers, turbine blades In the automotive industry, composites have been used by automotive manufacturers to make body panels and other replacement The same trend of application of substitute materials, while meeting the needs of the market and increasing the competitiveness of products The study "Research and design the Thaco Towner 750 lightweight van with its composite material", aimed at assessing the technical feasibility of converting the materials used to make the barrels In addition, the topic will be the basis for choosing the right modeling and calculation methods to produce other lightweight truck assemblies being assembled at the Plant by composite materials Key word: Composite sandwich, composite shell, sandwich technology iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, giáo khoa Cơ khí Giao thơng, phòng Đào tạo trường Đại học Bách khoa, Phòng khoa học hợp tác Quốc tế trường Đại học Bách khoa, Ban khoa học công nghệ môi trường – Đại học Đà Nẵng, tận tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học vừa qua Đặc biệt vô biết ơn thầy TS Trần Văn Luận, hướng dẫn hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn Dương Tuấn Việt iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1.Giới thiệu kết cấu vật liệu composite 1.1.1 Chất (pha nền) 1.1.2 Pha cốt 1.1.3 Liên kết cốt 10 1.1.4 Chất xúc tác – Xúc tiến 11 1.1.5 Các chất phụ gia sử dụng trình sản xuất composite .12 1.2 Kết cấu vật liệu composite sandwich 14 1.3 Đặc tính sức bền tổng quát vật liệu composite gỗ thông 15 1.3.1 Sức bền nén gỗ thông .15 1.3.2 Đặc tính học vật liệu composite 16 1.4 Ứng dụng vật liệu composite 17 1.4.1 Thế giới 17 1.4.2 Việt Nam .19 1.5.Tổng quan kết nghiên cứu nước liên quan đến đề tài 20 1.5.1 Công nghệ lăn tay 21 1.5.2 Công nghệ VaRTM .23 1.5.3 Công nghệ quấn sợi 24 Chương CỞ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER .26 2.1 Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A 26 2.2 Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A 31 2.3 Sơ đồ phân tích tải trọng tác dụng lên thùng xe tải Thaco towner 750A 32 2.3.1 Sơ đồ phân bố khối lượng .32 v 2.3.2 Phân tích trường hợp tải trọng tác dụng lên thùng xe 32 2.4 Phương trình tính toán kết cấu dầm composite 35 2.4.1 Phương trình tính tốn phân lớp composite 35 2.4.2 Phương trình tính tốn sàn thùng xe .36 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 41 3.1 Mục tiêu thực nghiệm 41 3.2 Vật liệu thực nghiệm 41 3.3 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn 43 3.4 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén 43 3.5 Kết thực nghiệm 44 Chương TÍNH TỐN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 750A 46 4.1 Giả thiết tính tốn 46 4.2 Xác định chiều dày vỏ bao thùng 46 4.3 Kết tính tốn 47 4.4 Đánh giá kết tính tốn 48 4.5 Quy cách thùng xe vật liệu composite sandwich .50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng biểu Tên bảng biểu Trang 2.1 Thông số kỹ thuật ô tô THACO TOWNER 750A 27 3.1 Định nghĩa vật liệu thực nghiệm 42 3.2 Thành phần vật liệu lớp 42 3.3 Modul đàn hồi gỗ thông 44 3.4 Cường độ mỏi composite Kết tính toán thùng xe vật liệu composite sandwich 45 4.1 50 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Nhựa polyeter 1.2 Nhựa Epoxy thành phần 1.3 Sợi thủy tinh loại E 1.4 Sợi kenvlar 1.5 Sợi carbon 1.6 Chất xúc tác MEKP 11 1.7 Chất tách khuôn MG-WAT 13 1.8 Chất điền đầy khuôn Mold sealer FK-4 14 1.9 Cấu trúc composite sandwich 14 1.10 Phân bố nội lực bên kết cấu composite sandwich 15 1.11 Minh chứng ứng suất biến dạng gỗ thơng 16 1.12 Đặc tính học vật liệu composite 16 1.13 Ứng dụng vật liệu composite ngành hàng không 17 1.14 Ứng dụng vật liệu composite ngành vận tải 18 1.15 Ứng dụng vật liệu composite ngành đóng tàu 19 1.16 Quy trình cơng nghệ lăn tay 22 1.17 Quy trình cơng nghệ VaRTM 23 1.18 Kết tính tốn ứng suất mặt đầu xe khách giường nằm 24 1.19 Công nghệ quấn sợi 24 2.1 Tuyến hình tổng thể tơ THACO TOWNER 750A 26 2.2 Kết cấu tổng thể thùng xe THACO TOWNER 750A Kết cấu khung xương vỏ bao composite xe tải Thaco Towner 750A 26 2.4 Sơ đồ phân bố khối lượng xe tải Thaco Towner 750A 32 2.5 Tải trọng tác dụng lên sàn 33 2.6 Mô trường hợp xe leo dốc 33 2.7 Mô trường hợp xe xuống dốc 34 2.3 31 viii 2.8 Mô trường hợp xe nghiêng ngang 34 2.9 Hệ tọa độ dầm liên tục chịu uốn 36 2.10 Mô dầm liên tục chịu uốn xoắn 39 3.1 Mẫu vật liệu thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi độ cứng vật liệu 41 43 4.1 Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén Biến thiên lực uốn biến dạng dầm composite sandwich Biến thiên độ cứng dầm composite theo khoảng cách gối đỡ Mô composite sandwich 4.2 Mô ứng suất - biến dạng thùng 47 4.3 Mô ứng suất - biến dạng sàn thùng xe 47 4.4 Mô ứng suất - biến dạng thùng xe chịu uốn – xoắn 48 4.5 Biến dạng dầm composite sandwich 48 4.6 So sánh độ cứng dầm composite Kết cấu tổng thành thùng xe tải Thaco Towner composite 49 3.2 3.3 3.4 3.5 4.7 43 44 45 46 43 41 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu thực nghiệm Các thông số chủ yếu thể đặc tính vật liệu là: Modul đàn hồi uốn (E); Modul đàn hồi cắt (G); Biến dạng đàn hồi (Ɛ ); Độ cứng vật liệu (D); Hệ số poisson ɤ Trong phương trình tính tốn sức bền vỏ bao thùng xe tải Thaco Towner 750A vật liệu composite cần giá trị thơng số Do đó, mục tiêu phần thực nghiệm chế tạo mẫu thử có kích thước theo tiêu chuẩn ASTM thử nghiệm đo đạc xác định thông số đặc trưng vật liệu nêu 3.2 Vật liệu thực nghiệm a) b) Hình 3.1 Mẫu vật liệu thí nghiệm Cấu trúc vật liệu dự kiến sử dụng để ước lượng đặc tính sức bền đúc từ vật liệu thành phần: sợi thủy tinh, nhựa polyester gỗ thông Mẫu đúc thành (hình 3.1a), cắt thành hình dạng dầm để phù hợp với máy đo phòng nghiệm khoa hóa trường Đại học Bách khoa, phòng thí nghiệm nghiên cứu nhà máy lắp ráp ô tô Trường Hải Cấu trúc composite sandwich tổng thành chế tạo từ phân lớp thành phần định nghĩa sau: 42 Bảng 3.1 Định nghĩa vật liệu thực nghiệm Code màu sắc Tên vật liệu lớp Sợi Mat 300 g/m² Sợi Mat 450 g/m² Sợi có hướng 868 g/m² Sợi Tissu 500 g/m² Lõi sandwich gỗ thơng 120 kg/m² Vải nhựa SORIC Vải thoát nhựa PET Vải thoát nhựa STOPRINT Bảng 3.2 : Thành phần vật liệu lớp Khối lượng riêng Ký hiệu Phân lớp Kg/m² A1 8,42 A2 9,53 43 3.3 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền uốn Sơ đồ bố trí mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM 6259 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định modul đàn hồi độ cứng vật liệu Modul đàn hồi tính theo cơng thức: Em,app  l13 (F2  F1 ) 48l ( w  w ) (1) Modul cắt tính theo cơng thức: G k Gh  1  l12     Em,app Em,l  3.4 Sơ đồ bố trí thực nghiệm đo sức bền nén a) b) Hình 3.3 Bố trí thực nghiệm đo sức bền nén c) 44 3.5 Kết thực nghiệm Bảng 3.3 Modul đàn hồi gỗ thơng Hình 3.4 Biến thiên lực uốn biến dạng dầm composite sandwich Từ kết thực nghiệm hình 3.4, xác định modul đàn hồi E = 7.77 103 MPa; Modul cắt G = 85.9 MPa Những kết của E G xác định nêu phù hợp với kết công bố tài liệu khác (Gay, 1997 ; Kepler, 2011) Trong đó, modul đàn hồi nhựa thành phần polyester E = 4.00 103 MPa, G = 1400 MPa, modul đàn hồi sợi thủy tinh E = 74.00 103 MPa, G = 30.00 103 MPa 45 Hình 3.5 Biến thiên độ cứng dầm composite theo khoảng cách gối đỡ Mẫu Sức bền tải va chạm (J/m) Com -1 1790 Com -2 1650 Com -3 1610 Com -4 1780 Bảng 3.4 Cường độ mỏi composite 46 Chương TÍNH TỐN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER 750A 4.1 Giả thiết tính tốn + Trọng lượng tồn khung vách tác dụng lên dầm ngang điểm đầu dầm ngang; + Mặt sàn thùng vách thùng chịu tải trọng phân bố đều; + Giả thiết khung xương thùng xe nguyên thủy tuyệt đối cứng, dầm ngang có tiết diện khơng thay; + Sàn thùng xe dầm liên tục chịu tải trọng tĩnh, phân bố tựa gối đỡ (số gối đỡ số dầm ngang khung xe nguyên thủy; + Các vách thùng dầm tựa đầu ngàm, chịu tải trọng tĩnh phân bố 4.2 Xác định chiều dày vỏ bao thùng Hình 4.1 Mơ composite sandwich Hằng số thủy tinh: Ct  Hằng số resin: Cm  m t    0,391 1,56  0,885 1,13 Hằng số gỗ thông : Cg = Chiều dày lớp sợi thủy tinh: ef = × Gf × Ct = 4×0,6×0,4 = 0,96 mm Chiều dày lớp resin: em=4×Gm×Cm=4×0,6×0,9 = 2,16 mm 47 Chiều dày vỏ bao thùng: e = ef + em + eg = 16 mm 4.3 Kết tính tốn Trường hợp 1: Xe chở đầy tải, giả thiết tải trọng phân bố lên tồn diện tích mặt sàn thùng xe lên vách Do đó, trạng thái chịu lực sàn thùng vách momen uốn lực cắt gây Hình 4.2 Mơ ứng suất - biến dạng thùng Trường hợp 2: (Tính sức bền sàn thùng) Xe chở đầy tải, giả thiết tải trọng phân bố lên tồn diện tích mặt sàn thùng xe Do đó, ứng suất sinh sàn thùng momen uốn lực cắt gây Hình 4.3 Mô ứng suất - biến dạng sàn thùng xe 48 Trường hợp 3: Xe chở đầy tải chạy đoạn đường gập ghềnh làm cho tải trọng phân bố khơng tồn diện tích sàn diện tích bề mặt vách Do đó, trạng thái chịu lực sàn thùng vách momen uốn, momen xoắn lực cắt gây Hình 4.4 Mơ ứng suất - biến dạng thùng xe chịu uốn – xoắn 4.4 Đánh giá kết tính tốn Hình 4.5 Biến dạng dầm composite sandwich ( lý thuyết thực nghiệm) 49 Hình 4.6 So sánh độ cứng dầm composite (- lý thuyết thực nghiệm) Hình 4.5 rằng, cấu trúc vật liệu composite sandwich để làm vỏ bao thùng xe kết cấu từ nhiều lớp vật liệu thành phần ứng xử vật liệu tác dụng tải trọng giống vật liệu đồng Đường cong biểu diễn biến thiên lực biến dạng miền đàn hồi tuyến tính Kết tính tốn sử dụng phương trình phân lớp composite tương đương với kết từ thực nghiệm (hình 4.5) Hình 4.6 biểu thị kết biến thiên độ cứng dầm composite sandwich phụ thuộc vào khoảng cách gối đỡ Trên hình kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm tương đồng Kết lý thuyết tính từ phương trình phân lớp composite với điều kiện biên giả thiết dầm composite sandwich liên tục tựa nhiều gối đỡ Kết thực nghiệm đạt từ phương pháp uốn thử độ bền uốn hình 3.2 với khoảng cách gối đỡ tăng dần từ 70mm đến 160 mm Từ kết thực nghiệm hình 4.5 4.6 cho phép kết luận chương trình tính tốn sức bền vỏ bao thùng xe tải Thaco Towner 750A hợp lý Khoảng cách dầm ngang khung xương nguyên thủy phù hợp cho trường hợp sử dụng kết cấu composite sandwich làm vỏ bao thùng thay cho vật liệu thép truyền thống 50 Kết mơ tính tốn độ chịu tải trọng thùng (Hình 4.2), với trọng lượng tác động vào thùng xe 900 kgf, chiều dài thùng chịu tác động 2.611 m, thùng xe có độ võng 0,0025 m, thùng xe đảm bảo độ bền Khi mơ tính tốn độ cứng thùng xe bị tác động lực xoắn (Hình 4.4), mô men xoắn tác động vào thùng 800 (kgf x m), tác động 2.531 m, góc xoắn thùng 0.191 rad, độ cứng bị xoắn 1.2456 x 104 (kgf x m2/ rad) Với kết mô trên, vỏ bao thùng xe làm composite sandwich hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đưa Khi sản phẩm đảm bảo yêu cầu 4.5 Quy cách thùng xe vật liệu composite sandwich Bảng 4.1 Kết tính tốn thùng xe vật liệu composite sandwich TT Các chi tiết kết cấu Quy cách (mm) Số lượng Đơn giá (m2) Thành tiền (VNĐ) (m2) THÙNG XE TẢI SANWICH COMPOSITER Vách trái+vách phải 2220x300x12 1,34 m2 600.000/m2 804.000 Vách trước + vách sau 1330x300x12 0,8 m2 600.000/m2 480.000 Sàn thùng 2220x1330x16 m2 700.000/m2 2.100.000 Hệ thống dầm liên kết U30x40 7,2m 50.000/m 300.000 4,5m 70.000/m 315.000 5,32m 45.000/m 240.000 10 40.000/cái 400.000 90.000/cái 180.000 vách hông Hệ thống dầm liên kết sàn Vhộp với vách hông 60x60;20x30 Đà ngàng sàn Bản lề Bát chốt Vlỗ 30x30x2 Tổng chi phí dự toán 5.033.000 51 Kết cấu tổng thành thùng xe tải Thaco Towner 750A sau: 52 53 I-I Hình 4.7 Kết cấu tổng thành thùng xe tải Thaco Towner composite 54 KẾT LUẬN Cấu trúc vật liệu ghép composite sandwich – gỗ thơng chế tạo làm vỏ thùng xe tải Thaco Towner; Luận văn xác modul đàn hồi modul cắt vật liệu ghép gỗ thông – Composite sandwich: E = 7.77 103 MPa; G = 85.9 MPa; Độ dày sàn thùng xe vách thõa mãn sức bền độ cứng cần thiết tương ứng : 15mm (tấm sàn) 12 mm (tấm vách); Giá thành tổng thể thùng 5.033.000 đồng, (so với thùng xe truyền thống 17.000.000 đ); Chi phí giảm gần 68% so với thùng xe truyền thống HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đánh giá tính tốn sức bền thùng xe tải Thaco Towner 750A vật liệu composite sandwich có xét đến ảnh hưởng môi trường như: độ ẩm nhiệt độ; Tính tốn sức bền thùng xe tác dụng tải trọng động; Chế tạo mẫu thùng để lắp đặt thử nghiệm xe thật 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] RTM suits ezech manufaturers, Reinforced Plastics, November 2007 [2] RTM-past, present and future, Reinforced Plastics, November 2009 [3] Murat Danisman, Goker Tuncol et al Monitoring of resin flow in the resin transfer molding (RTM) process using point-voltage sensors, Composits Science and Technology, 67(2007) [4] D.A Steenkamer, D.J.Wilkins, V.M.karbhari The influence of perform joints on the processing of RTM composits, Composits Manufacturing, (1995) [5] Po Jin kim, Dai Gil Lee Surface quality and shrinkage of the composit bus housing panel manufactured by RTM, Composit Structures, 57 (2002) [6] G.-W Lee, N.-J.Lee, J.Jang et al Effect of surface modification on the RTM of glass -fibre/unsaturated polyester composits, Composits Science & Technology, 62 (2002) [7] Báo cáo tổng kết đề tài NĐT VN – Bỉ 2007-2009 [8] Thaco Tài liệu công nghệ CSM lưu hành nội công ty sản xuất linh kiện nhựa Chu Lai – Trường Hải, 2014 ... TỐN THÙNG XE TẢI THACO TOWNER .26 2.1 Khảo sát kết cấu thùng xe tải thaco towner 750A 26 2.2 Phương án thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750A 31 2.3 Sơ đồ phân tích tải. .. NGHIÊN CỨU Tính tốn thiết kế thùng xe tải Thaco Towner 750 vật liệu composite phù hợp với tiêu chuẩn chuyên ngành ĐỐI TƯỢNG & PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu đề tài thùng lững xe tải Thaco. .. đầu kết luận luận văn Nghiên cứu thiết kế thùng xe tải Thaco Towner vật liệu composite trình bày chương có cấu trúc sau: Chương Tổng quan Chương Cơ sở lý thuyết tính tốn thùng xe tải Thaco Towner