Tổng quan về vật liệu composite và ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ; phương pháp hút chân không VARTM; mô phỏng dòng thấm trong VARTM bằng ANSYS FLUENT. Tổng quan về vật liệu composite và ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ; phương pháp hút chân không VARTM; mô phỏng dòng thấm trong VARTM bằng ANSYS FLUENT.
VŨ DUY THỊNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ DUY THỊNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU, MƠ PHỎNG DỊNG NHỰA ĐIỀN ĐẦY KHUÔN TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG-VARTM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CA180190 HÀ NỘI 09– 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ DUY THỊNH NGHIÊN CỨU, MƠ PHỎNG DỊNG NHỰA ĐIỀN ĐẦY KHUÔN TRONG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG-VARTM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ ĐÌNH QUÝ HÀ NỘI 09– 2019 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Duy Thịnh Đề tài luận văn: Nghiên cứu, mơ dịng nhựa điền đầy khn cơng nghệ chế tạo vật liệu composite phương pháp phương pháp đúc hút chân không -VARTM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CA180190 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 12/09/2019 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lại theo phần ghi trực tiếp thuyết minh - Điều chỉnh lại để thống đề tài tên tiếng Việt công nghệ VARTM - Bổ sung sơ đồ quy trình làm thí nghiệm Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2019 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ii LỜI CAM ĐOAN Tôi – Vũ Duy Thịnh, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa 2018A Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Vũ Đình Q – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Vũ Duy Thịnh i Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Giảng viên hướng dẫn TS Vũ Đình Q ii MỤC LỤC TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ Tổng quan vật liệu composite .8 1.1 Khái niệm .8 1.2 Thành phần cấu tạo 1.2.1 Thành phần cốt .8 1.2.2 Vật liệu 1.3 Phân loại vật liệu composite 1.4 Tầm quan trọng vật liệu composite ngành hàng không Các phương pháp chế tạo vật liệu Composite 13 2.1 Phương pháp quét tay 13 2.2 Phương pháp dùng túi chân không 15 2.3 Phương pháp đúc 17 2.3.1 Đúc ép nóng ép nguội 17 2.3.2 Đúc chuyển nhựa 18 2.4 Phương pháp phun 20 2.5 Phương pháp quấn sợi 22 2.6 Phương pháp kéo định hình 22 2.7 Phương pháp đùn 23 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP HÚT CHÂN KHÔNG – VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING (VARTM) 24 Giới thiệu phương pháp đúc hút chân không-VARTM 24 1.1 Sơ đồ nguyên lí quy trình 24 1.2 Nhựa vải gia cường sử dụng cho phương pháp VARTM 26 1.3 Thực nghiệm dòng thấm phương pháp VARTM: 28 Nghiên cứu, tính tốn dịng thấm cơng nghệ chế tạo composite phương pháp đúc hút chân không 30 2.1 Các khái niệm 30 2.1.1 Hệ số thấm : K 30 2.1.2 Độ nhớt chất lỏng: µ 31 2.1.3 Độ xốp 33 2.2 Tính tốn giải tích dịng thấm VARTM 34 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG DỊNG THẤM TRONG VARTM BẰNG ANSYS FLUENT 39 Mơ dịng thấm chiều VARTM ANSYS Fluent 39 1.1 Tính tốn giải tích vị trí dịng thấm theo thời gian tốn dịng thấm chiều 39 1.2 Mơ dịng thấm chiều VARTM ANSYS fluent: 40 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng thấm phương pháp VARTM 45 Ứng dụng mô dịng thấm VARTM sản xuất vật thể có hình dạng phức tạp 50 2.1 Sản phẩm thuyền có kích thước nhỏ 50 2.2 Sản phẩm đầu Dome tên lửa 61 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Vải đan từ sợi Cacbon Hình 2: Tỷ trọng vật liệu composite dịng máy bay airbus boeing Hình 3: Tỷ trọng khối lượng loại vật liệu máy bay boeing 777 10 Hình 4: Ống đẩy tên lựa làm composite Cacbon - cacbon 12 Hình 5: Vỏ động máy bay cỡ nhỏ thân máy bay đúc VARTM 13 Hình 6: Phương pháp lăn tay 13 Hình 7: Phương pháp dung túi chân không 15 Hình 8: Phương pháp đúc chuyển nhựa 19 Hình 9: Phương pháp phun 21 Hình 10: Phương pháp sợi 22 Hình 11: Phương pháp kéo định hình 23 Hình 12: Phương pháp đùn 23 Hình 13: Sơ đồ nguyên lí phương pháp VARTM 24 Hình 14: Các lớp vật liệu sử dụng VARTM 25 Hình 15: Mơ hình thực nghiệm dòng thấm VARTM 28 Hình 16: Trình tự dịng thấm VARTM 29 Hình 17: Độ nhớt chất lỏng 31 Hình 18: Sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ áp suất 32 Hình 19: Độ xốp vật liệu 33 Hình 20: Sơ đồ dịng thấm VARTM 35 Hình 21:Độ trễ dịng nhựa phương pháp VARTM 38 Hình 22: Mơ hình lưới phân phối 40 Hình 23: Mơ hình lưới vải gia cường 40 Hình 24: Phân bố áp suất khuôn 41 Hình 25: Biểu đồ vị trí dịng thấm theo thời gian 42 Hình 26: Độ trễ dòng thấm 43 Hình 27:Quá trình điền đầy nhựa thực nghiệm mô 44 Hình 28: Tên lửa VCM 01 61 Hình 29: Đầu dome tên lửa 62 Hình 30: Nhựa Epoxy Gurit SP106 63 LỜI NÓI ĐẦU Vật liệu composite vật liệu tổ hợp chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, nhằm mục đích tạo vật liệu có tính ưu việt hẳn vật liệu thành phần ban đầu Tính ưu việt vật liệu composite khả thiết kế kết cấu vật liệu theo yêu cầu kỹ thuật khác mà ta mong muốn Các thành phần cốt composite có độ cứng, độ bền học cao, vật liệu thành phần liên kết tạo nên kết cấu có khả chịu nhiệt chịu ăn mòn vật liệu điều kiện khắc nghiệt mơi trường Đặc tính bật vật liệu composite nhẹ, độ bền riêng cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mịn hóa học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo nhiệt độ, áp suất định dễ triển khai phương pháp công nghệ, thuận lợi cho trình sản xuất Ngày nay, nhu cầu vật liệu cung cấp cho ngành công nghiệp hàng hải, ô tô, hàng không ngày lớn mạnh Do đó, phần lớn vật liệu composite sản xuất để đáp ứng nhu cầu Với ưu điểm độ bền riêng lớn, chế tạo chi tiết phức tạp Vật liệu composite ứng dụng rộng rãi đời sống Trong luận văn này, em tìm hiểu tổng quan vật liệu composite, phương pháp chế tạo vật liệu composite đúc hút chân không, nghiên cứu dịng thấm phương pháp đúc hút chân khơng, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc dòng thấm mơ dịng thấm phương pháp Trong trình làm luận văn thạc sĩ em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thầy cô giáo môn, đặc biệt thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đình Q để em thực tốt công việc đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên với hạn chế thời gian, kiến thức kinh nghiệm làm việc nên sai sót xảy tránh khỏi Em mong nhận nhận xét thẳng thắn từ thầy cô để em có thêm kinh nghiệm viết báo cáo kỹ làm việc Chương 1: Tổng quan ứng dụng vật liệu composite CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ Tổng quan vật liệu composite 1.1 Khái niệm Vật liệu composite, gọi Vật liệu compozit hay composite vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác tạo lên vật liệu có tính hẳn vật liệu ban đầu, vật liệu làm việc riêng rẽ Hình 1: Vải đan từ sợi Cacbon 1.2 Thành phần cấu tạo Nhìn chung, vật liệu composite gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục (Pha loại vật liệu thành phần nằm cấu trúc vật liệu composite) Pha liên tục gọi vật liệu (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết pha gián đoạn lại Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) trộn vào pha làm tăng tính, tính kết dính, chống mịn, chống xước 1.2.1 Thành phần cốt - Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Trường hợp 1: Chỉ có cửa nhựa vào cách mũi thuyền 10 cm : Kết mô sau 1200s Phân số thể tích 52 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Phân bố áp suất: Nhận xét: Sau khoảng thời gian 1200s, có khu vực 60cm chiều dài phía mũi thuyền điền đầy, khu vực phía hồn tồn chưa xuất dòng chảy Khu vực điền đầy khu vực xung quanh cửa nhựa vào, vận tốc dòng thấm lúc đầu nhanh, sau giảm dần Nguyên nhân độ chênh áp suất giảm dần từ cửa nhựa khu vực xung quanh 53 Chương 3: Mô dòng thấm VARTM Ansys Fluent Trường hợp 2: Hai cửa nhựa vào cách 145cm Cửa nhựa cách mũi thuyền 10 cm, cửa nhựa cách đáy thuyền cm Kết mô sau 1200s: Phân số thể tích: 54 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Phân bố áp suất: Nhận xét: Sau khoảng thời gian 1200s, có khoảng 60 cm chiều dài đầu khuôn cuối khuôn - khu vực xung quanh cửa nhựa điền đầy Khoảng 50 cm chiều dài khuôn – khu vực cách xa hai cửa nhựa vào hồn tồn khơng có dòng chảy Vận tốc dòng thấm cửa nhựa có độ lớn tương đương có xu hướng giảm nhanh độ chênh áp giảm dần từ cửa nhựa vào diện tích xung quanh 55 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Trường hợp 3: Hai cửa nhựa vào cách đoạn 80 cm, cửa nhựa cách mũi thuyền 40 cm, cửa nhựa cách đáy thuyền 40 cm Kết mô sau 1200s: Phân số thể tích: 56 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Phân bố áp suất: Nhận xét: Sau khoảng thời gian 1200s, thuyền gần điền đầy hoàn toàn, trừ khu vực nhỏ mũi thuyền chưa có dịng chảy thành đáy thuyền thấm chưa hoàn toàn Đây khu vực xa phía cựa nhựa Vận tốc dòng thấm tương tự trường hợp giảm dần khu vực xung quanh cửa nhựa độ chênh áp suất giảm dần Trường hợp 4: Ba cửa nhựa vào cách đoạn 50 cm 57 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Kết mô sau 1200s: Phân số thể tích: Phân bố áp suất: 58 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Nhận xét: Sau khoảng thời gian 600 s toàn thể tích khn điền đầy, vận tốc dịng thấm có xu hướng giảm dần xa cửa nhựa độ chênh áp suất đầu vào ( áp suất khí ) áp suất mơi trường bên giảm dần Vùng màu đỏ khu vực có áp suất lớn vị trí cửa nhựa vào, xa áp suất giảm, áp suất thấp khu vực nhựa bị hút vào có màu xanh Vận tốc hình dáng dịng thấm cửa nhựa có tương đồng nguyên nhân độ lớn phân bố áp suất cửa nhựa giống Các rãnh phân phối có tác dụng định hướng làm tăng vận tốc dịng thấm, giúp q trình điền đầy diễn nhanh Quan sát mặt mặt khn suốt q trình điền đầy, ta thấy có đồng vị trí dịng thấm, khơng xảy tượng trễ sử dụng phân phối nhựa Đây ưu điểm lớn phương pháp VARTM sử dụng rãnh phân phối tiết kiệm thời gian sản xuất, đồng thời không yêu cầu khn phải làm vật liệu suốt để quan sát dịng thấm từ mặt, từ tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu sản xuất Khi tăng lên thành cửa nhựa cách đoạn 35cm thời gian điền đầy giảm xuống cịn 360s Điều chứng tỏ nhiều cửa nhựa trình điền đầy giảm nhanh 59 Chương 3: Mơ dòng thấm VARTM Ansys Fluent Phân số thể tích Việc mơ dịng thấm VARTM có ý nghĩa quan trọng Nó giúp ta dễ dàng bố trí số lượng khoảng cách cửa nhựa hợp lí nhất, phịng tránh điểm “khơ” – điểm thiếu liên kết nhựa vải Những điểm nguyên nhân hình thành nên vết nứt, gây đứt vỡ kết cấu kết cấu chịu tải Mơ phịng số Ansys fluent khơng giải tốn có dịng chảy qua chưa mà cịn giải tốn thấm kĩ chưa – điều khó nhận biết mắt thường Dựa vào màu sắc thang đo phân số thể tích, ta khu vực thấm chưa hoàn toàn, khu vực nguy hiểm gây ảnh hưởng xấu đến khả chịu tải độ bền, tuổi thọ sản phẩm 60 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent 2.2 Sản phẩm đầu Dome tên lửa Hình 28: Tên lửa VCM 01 Kích thước sản phẩm: chiều cao 80cm, đường kính đáy 60 cm Yêu cầu sản phẩm: Là khoang số động hành trình bay với vận tốc 0,8Mach, sản phẩm phải có hình dạng kích thước tuyệt đối xác để đảm bảo đặc tính khí động học, độ thông suốt từ Sản phẩm phải đạt tỉ lệ cốt hóa u cầu, khơng bị rỗ khí để đảm bảo độ bền học áp suất cao phải sử dụng khuôn thép hai mảnh roăng Silicon để đảm bảo độ kín khít Cố định vị trí khuôn âm, sử dụng máy ép 160 đưa khuôn dương đến vị trí xác định để sản phẩm đạt kích thước thiết kế 61 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Hình 29: Đầu dome tên lửa Vật liệu: 10 lớp vải thủy tinh Plane dày 0,2mm Hệ số thấm: 𝐾1𝑥𝑥 = 𝐾1𝑧𝑧 = 6,35 × 10 −7 𝑐𝑚2 ; 𝐾1𝑦𝑦 = 2.83 × 10 −7 𝑐𝑚2 Hình 37: Vải Cacbon Plane Nhựa Epoxy Gurit SP106: Khối lượng riêng: ρ = 1570 kg/𝑚3 ; Độ nhớt: µ = 0,73𝑐𝑝 62 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Hình 30: Nhựa Epoxy Gurit SP106 Do đặc tính sản phẩm phải ép áp suất lớn khơng thể sử dụng VARTM với đường dẫn phân phối nhựa thông thường Phương án khả thi sử dụng cửa nhựa bố trí so le để đảm bảo thời gian điền đầy hoàn toàn nhỏ thời gian thao tác nhựa 60 phút Do sản phẩm có kích thước đối xứng nên để tiết kiệm tài nguyên máy tính thời gian ta thực mơ 1/4 thể tích khn 63 Chương 3: Mơ dịng thấm VARTM Ansys Fluent Kết quả: Khn điền đầy hồn tồn khoảng 3200 giây đáp ứng yêu cầu nhỏ thời gian thao tác 5400 giây Vị trí điền đầy sau đỉnh khuôn thuận lợi cho việc nhận biết dùng khn kín khơng thể quan sát dịng chảy đồng thời giảm lượng nhựa thừa 64 KẾT LUẬN Đúc hút chân khơng phương pháp sản xuất vật liệu composite có nhiều ưu điểm Phương pháp ngày ứng dụng nhiều ngành công nghiệp hàng không Trong trình đúc, có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ điền đầy khn đặc tính vật liệu phân phối với áp suất, độ nhớt, tính thấm… Trong phương pháp việc dự đốn trước dịng thấm có ý nghĩa quan trọng Dự đốn dòng nhựa đưa phương án bố trí cửa nhựa vào – kích thước, vị trí đặt phân phối thích hợp nhất, từ làm thời gian điền đầy ngắn để tiết kiệm chi phí sản xuất Trong q trình làm luận văn, em thực hiện, tìm hiểu nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan vật liệu composite phương pháp chế tạo vật liệu composite nhựa (polymer) - Tìm hiểu cơng nghệ chế tạo vật liệu composite phương pháp đúc hút chân không (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding – VARTM) - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc dòng thấm - Tìm hiểu ứng dụng cơng cụ mơ số ANSYS – Fluent để mơ q trình nhựa điền đầy khuôn phương pháp đúc chuyển nhựa hỗ trợ chân không so sánh với thực nghiệm - Ứng dụng mơ dịng thấm VARTM sản xuất vật thể có kích thước lớn, hình dạng phức tạp Quá trình tìm hiểu, nghiên cứu cịn nhiều hạn chế, sai sót, em hi vọng tiếp tục hồn thiện sở lý thuyết, tính tốn giải tích mơ số Cùng với tiến hành làm thực nghiệm để hiểu rõ chất yếu tố ảnh hưởng đến dòng thấm nhựa phương pháp Nghiên cứu tượng mà q trình mơ bỏ qua tượng race-traking, sai lệch chiều dày thành phẩm đặc biệt tác động yếu tố nhiệt độ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạ Đình Giáp, Hồng Bá Đơn - Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu dòng thấm phương pháp đúc chuyển nhựa xác định thực nghiệm số độ thấm vải gia cường” [2] Jing Li - Modeling, Design and Control of Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) for Thickness Variation Reduction [3] Jay Randall Sayre - Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) Model Development, Verification, and Process Analysis [4] Ya-Jung Lee - A Prediction Method for in-Plane Permeability and Manufacturing Applications in the VARTM Process [5] Bruce K Fink, Kuang-Ting Hsiao, Roopesh Mathur, John W Gillespie, Jr., and Suresh G Advani - An Analytical Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) Flow Model [6] Krishna Mohan Chittajallu - computational modeling of the vacuum assisted resin transfer molding (vartm) process [7] Agnes Ragondes – experimental characterization of the vacuum infusion process [8] Ashland – Ashland performance material 510A – 40 vinyl este 66 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ DUY THỊNH NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG DỊNG NHỰA ĐIỀN ĐẦY KHN TRONG CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG -VARTM Chuyên... văn: Vũ Duy Thịnh Đề tài luận văn: Nghiên cứu, mơ dịng nhựa điền đầy khuôn công nghệ chế tạo vật liệu composite phương pháp phương pháp đúc hút chân không -VARTM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí... luận văn này, em tìm hiểu tổng quan vật liệu composite, phương pháp chế tạo vật liệu composite đúc hút chân khơng, nghiên cứu dịng thấm phương pháp đúc hút chân không, khảo sát yếu tố ảnh hưởng