Thiết kế kết cấu thân tàu đệm khí sử dụng vật liệu composite bằng phương pháp phần tử hữu hạn

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu về vật liệu composite cốt sợi thủy tinh và các kết cấu dạng sandwich; từ đó, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích kết cấu thân tàu đệm khí và

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Đình Tuân

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Họ tên học viên: NGUYỄN QUỐC HÙNG MSHV: 09230676

Ngày, tháng, năm sinh: 13-02-1986 Nơi sinh: TP HCM

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số : 605202

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế kết cấu thân tàu đệm khí sử dụng vật liệu composite bằng phương pháp phần tử hữu hạn

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu về vật liệu composite cốt sợi thủy tinh và

các kết cấu dạng sandwich; từ đó, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích

kết cấu thân tàu đệm khí và kiểm tra bền kết cấu tàu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05-09-2010

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Lê Đình Tuân

L ỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên xin cho tôi được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô bộ môn Cơ kỹ thuật – những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa TPHCM

Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn TS Lê Đình Tuân – người đã đề ra cho tôi một hướng đi đúng đắn, cho tôi những kiến thức mới và

đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Kế đến, tôi xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan công tác của tôi nói chung và các thành viên trong Phòng Tính toán kỹ thuật nói riêng – những người đã san sẻ công việc

và tạo nhiều thời gian cho tôi thực hiện luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn các bạn bè trong bộ môn Cơ kỹ thuật và bộ môn Kỹ thuật tàu thủy – những người luôn sẵn sàng

hỗ trợ cho tôi khi cần thiết

Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến ba mẹ, gia đình và bạn gái của tôi –

những người luôn nhắc nhở, động viên và ủng hộ tôi hết mình để hoàn thành tốt luận văn

Với tất cả những sự giúp đỡ, cổ vũ và ủng hộ lớn lao đó, tôi luôn tự nhủ sẽ hoàn thành thật tốt luận văn này với tất cả khả năng và nỗ lực của mình Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn

Chúc quý Thầy Cô và các bạn được nhiều sức khỏe và gặt hái được nhiều thành công trong tương lai

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 năm 2011

Nguyễn Quốc Hùng

_ Thứ hai: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) để phân tích kết

cấu thân tàu đệm khí dạng sandwich Các kết quả về chuyển vị, ứng suất và biến dạng

từ quá trình phân tích được sử dụng để kiểm tra bền kết cấu thân tàu

Ngoài ra, để hỗ trợ cho phần tính toán áp dụng thực tế, trong luận văn còn trình bày một số nội dung sau:

_ Xây dựng một chương trình phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết tấm Kirchhoff cho bài toán tấm sandwich chữ nhật chịu áp lực phân bố đều Lời giải từ chương trình

sẽ được so sánh với giải tích và chương trình tính toán phần tử hữu hạn Ansys

_ Xác định các đặc trưng vật liệu một lớp composite từ các tính chất vật liệu của

sợi và nền

ABSTRACT

The thesis will focus on discussing two main problems as follow:

_ Firstly, researching on glass fiber reinforced composite and sandwich structures

_ Secondly, analyzing the body structure of hovercraft by Finite Element Method The results about displacements, stresses and strains will be used to check the strength of material

Furthermore, some following contents will be also presented in order to support for analyzing:

_ Build a finite element program based on Kirchhoff’s plate theory for rectangular sandwich plate problem The result of this program will be compare with analytical result and Ansys software

_ Determining the material characteristic of a lamina from the properties of fiber and matrix

L ỜI CAM ĐOAN

Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi rõ trong luận văn, tôi xin cam đoan rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được nộp tại trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Ngày 15 tháng 07 năm 2011

Nguyễn Quốc Hùng

M ỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN -i-

TÓM T ẮT LUẬN VĂN -ii-

L ỜI CAM ĐOAN -iv-

M ỤC LỤC -v-

DANH M ỤC HÌNH -ix-

DANH M ỤC BẢNG -xiv-

DANH M ỤC ĐỒ THỊ -xiv-

L ỜI NÓI ĐẦU -xv-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐỆM KHÍ -1-

1.1 Gi ới thiệu chung -1-

1.2 L ịch sử phát triển -2-

1.3 T ổng quan thiết kế kết cấu tàu đệm khí -6-

1.4 Ưu điểm và khả năng khai thác của tàu đệm khí -9-

1.4.1 Ưu điểm -9-

1.4.2 Khả năng khai thác -10-

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU COMPOSITE

-12-2.1 S ợi, nền và các phương pháp hình thành vật liệu composite

2.1.1 Các loại sợi -12-

2.1.2 Các loại vật liệu làm nền -14-

2.2 Quan h ệ giữa các thành phần chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong vật liệu

composite -15-

2.2.1 Phép biến đổi tọa độ và các ma trận biến đổi -16-

2.2.1.1 Phép biến đổi tọa độ -16-

2.2.2.1 Các ma trận biến đổi -19-

2.2.2 Quan hệ chuyển vị - biến dạng -23-

2.2.3 Các phương trình cân bằng -23-

2.2.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng -24-

2.2.4.1 Phân loại vật liệu composite theo ma trận độ cứng vật liệu [C] -25-

2.2.4.2 Quan hệ giữa các thành phần trong ma trận độ cứng vật liệu [C] và các môđun kỹ thuật -33-

2.2.5 Trạng thái ứng suất phẳng -37-

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TẤP NHIỀU LỚP -41-

3.1 Phân tích m ột lớp composite mỏng (lamina) -48-

3.1 Phân tích tấm mỏng nhiều lớp (laminate) -48-

3.1.1 Kí hiệu biểu diễn lanimate -48-

2.1.2 Các ma trận độ cứng của tấm laminate mỏng -51-

3.3 Phân tích k ết cấu Sandwich -59-

3.3.1 Các phương trình chủ đạo trong phân tích tấm sandwich hình chữ nhật -61-

3.3.2 Các điều kiện biên trong phân tích tấm sandwich -64-

3.3.3 Năng lượng biến dạng -65-

3.3.4 Các ma trận độ cứng của tấm sandwich -65-

3.3.4.1 Định lý dời trục song song -65-

3.3.4.2 Các ma trận độ cứng của tấm sandwich -67-

CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN TẤM SANDWICH CHỮ NHẬT

-71-4.1 Mô t ả bài toán -71-

4.2 L ời giải giải tích -72-

4.2.1 Cơ sở lý thuyết -72-

4.2.2 Áp dụng tìm lời giải giải tích cho bài toán -76-

4.3 L ời giải phần tử hữu hạn từ chương trình ComFem -78-

4.3.1 Cơ sở lý thuyết -78-

4.3.2 Tính toán bằng chương trình ComFem -86-

4.3.2.1 Gới thiệu các giao diện chính trong chương trình -86-

4.3.2.2 Áp dụng chương trình COMFEM để giải Bài toán 4.1 -88-

4.4 L ời giải từ chương trình Ansys -102-

CHƯƠNG 5: ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU VÀ ĐỘ BỀN VẬT LIỆU COMPOSITE……… -107-

5.1 Xác định các đặc trưng vật liệu của một lớp lamina -107-

5.1.1 Định luật hòa trộn -108-

5.1.2 Thí nghiệm xác định các đặc trưng vật liệu -113-

5.1.2.1 Thí nghiệm 1: Thí nghiệm kéo mẫu ván ép -113-

5.1.2.2 Thí nghiệm trượt đơn vật liệu composite -118-

5.2 Các tiêu chu ẩn bền trong vật liệu composite -120-

5.2.1 Tiêu chuẩn bền ứng suất cực đại -120-

5.2.2 Tiêu chuẩn bền biến dạng cực đại -121-

5.2.3 Tiêu chuẩn Hill-Tsai -123-

5.2.4 Tiêu chuẩn Tsai-Wu -124-

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO KẾT CẤU THÂN TÀU ĐỆM KHÍ .………-128-

6.1 Mô tả kết cấu thân tàu đệm khí -128-

6.1.1 Kết cấu chung thân tàu đệm khí -128-

6.1.2 Xác định các đặc trưng vật liệu -130-

6.1.3 Xác định tải trọng tác động lên thân tàu -133-

6.1.4 Xác định các điều kiện biên của bài toán -134-

6.2 L ời giải 2D cho bài toán -135-

6.2.1 Mô hình bài toán không có lớp đệm khí -137-

6.2.2 Mô hình bài toán có lớp đệm khí lò xo -139-

6.2 L ời giải 3D cho bài toán -144-

6.3.1 Mô hình bài toán không có lớp đệm khí -144-

6.3.2 Mô hình bài toán có lớp đệm khí lò xo -146-

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1.1: Phân loại tàu cao tốc -1-

Hình 1.2: Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959 -4-

Hình 1.3: Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959 -4-

Hình 1.4: Mô hình tàu đệm khí tỉ lệ 1/5tại Trường ĐH Bách Khoa TPHCM -6-

Hình 1.5: Mô hình tàu lặn composite do CLB Máy bay mô hình ĐH bách Khoa TPHCM thiết kế -8-

Hình 1.6: Thân tàu đệm khí kết cấu sandwich được thiết kế tại Bộ môn Tàu thủy ĐH Bách Khoa TPHCM -9-

Hình 1.7: Tàu đệm khí dùng trong cứu hộ -11-

Hình 1.8 : Tàu đệm khí dùng trong tuần tra -11-

Hình 1.9 : Tàu đệm khí dùng trong thể thao giải trí -11-

Hình 2.1: Các loại sợi: (a) sợi Bo, (b) sợi các-bon, (c) sợi thủy tinh, (d) sợi Kevlar -13- Hình 2.2: Các hệ trục tọa độ tổng thể x1x2x3 và cục bộ x1′x2′x3′ -15-

Hình 2.3: Ví dụ 2.1 -18-

Hình 2.4: Các lực tác dụng lên phần tử khối ΔxΔyΔz -24-

Hình 2.5: Vật liệu composite dạng đơn nghiêng -28-

Hình 2.6: Vật liệu composite trực hướng với 3 mặt phẳng đối xứng -30-

Hình 2.7: Vật liệu composite đẳng hướng ngang -32-

Hình 3.1: Một lớp mỏng composite-lamina-ply -41-

Hình 3.2: Các hệ trục tọa độ địa phương và tổng thể -42-

Hình 3.3: Woven layer -46-

Hình 3.4: Các cấu trúc khác nhau trong một laminate -48-

Hình 3.5: Hệ trục x1x2x3 của lamina và hệ trục xyz của laminate -48-

Hình 3.6: Ví dụ mô tả kí hiệu của laminate -41-

Hình 3.7: Laminate đối xứng -50-

Hình 3.8: Laminate cân bằng -50-

Hình 3.9: Lamiante lớp cắt ngang -50-

Hình 3.10: Laminate lớp góc -51-

Hình 3.11: Hệ trục tọa độ của laminate -52-

Hình 3.12: Biến dạng của tấm trong mặt phẳng xz -53-

Hình 3.13: Lực và mô-men tác động trên một phần tử tại mặt phẳng tham chiếu -55-

Hình 3.14: các khoảng cách xác định từ mặt phẳng tham chiếu -55-

Hình 3.15: Tấm sandwich và lõi tổ ong -59-

Hình 3.16: Các kích thước hình học tại mặt cắt của tấm sandwich -59-

Hình 3.17: Biến dạng của tấm sandwich trong mặt phẳng xz -60-

Hình 3.18: các điều kiện biên trên các cạnh song song với trục y của tấm sandwich -64- Hình 3.19: Các mặt phẳng tham chiếu 1 và 2 -66-

Hình 3.20: Phân bố ứng suất trượt theo bề dày của tấm sandwich -68-

Hình 3.21: Biến dạng trượt của tấm sandwich -69-

Hình 4.1: Các kích thước hình học tại mặt cắt ngang của tấm sandwich -72-

Hình 4.2: Bề mặt võng dạng hình trụ của tấm sandwich dài -73-

Hình 4.3: Phần tử chữ nhật được sử dụng trong chương trình ComFem -79-

Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình ComFem -86-

Hình 4.5: Giao diện Facesheets trong chương trình -89-

Hình 4.6: Các mục chính trong Pop-up Material constants -90-

Hình 4.7: Giao diện Material constants -90-

Hình 4.8: Giao diện AngleThickness -91-

Hình 4.9: Giao diện LaminateConfiguration -91-

Hình 4.10: Giao diện Core -92-

Hình 4.11: Giao diện Geometry1 -93-

Hình 4.12: Nhập line và surface trong giao diện Geometry1 -93-

Hình 4.13: Giao diện Meshing1 -94-

Hình 4.14: Lưới phần tử hiển thị trong giao diện -95-

Hình 4.15: Giao diện Loading -96-

Hình 4.16: Giao diện BoundaryConditions -96-

Hình 4.17: Giao diện question và Complete -97-

Hình 4.18: Kết quả chuyển vị trong Bài toán 4.1 -98-

Hình 4.19: Một số nút có chuyển vị cao -98-

Hình 4.20: Kết quả ứng suất trong Bài toán 4.1 -99-

Hình 4.21: Kết quả biến dạng trong Bài toán 4.1 -100-

Hình 4.22: Phổ màu kết quả chuyển vị trong Bài toán 4.1 -101-

Hình 4.23: Ứng suất của các phần tử tại lớp lamina thứ 3 -101-

Hình 4.24: Phần tử Shell281 trong Ansys -103-

Hình 5.1: Lamina chịu ứng suất kéo dọc theo phương của sợi -108-

Hình 5.2: Hệ 2 lò xo mắc song song -109-

Hình 5.3: Lamina chịu ứng suất kéo theo phương vuông góc với sợi -110-

Hình 5.4: Mô hình 2 lò xo nối tiếp của sợi và nền -111-

Hình 5.5: Ứng xử của lamina theo phương 1 và 2 dưới tải σ1 -111-

Hình 5.6: Lamina chịu ứng suất trượt τ -112-

Hình 5.7: Các kích thước chính của mẫu thí nghiệm kéo -114-

Hình 5.8: Mẫu thí nghiệm kéo ván ép -114-

Hình 5.9: Mô hình thí nghiệm kéo đơn -114-

Hình 5.10: Kết quả biến dạng tại bước tải F = 60 N -115-

Hình 5.11: Đồ thị quan hệ ứng suất biến dạng của thí nghiệm kéo mẫu ván ép -117-

Hình 5.12: Đồ thị quan hệ giữa biến dang ngang và dọc trong thí nghiệm kéo mẫu ván

ép Error! Bookmark not defined Hình 5.13: Các kích thước chính của mẫu thí nghiệm -118-

Hình 5.14: Cách bố trí strain gage trên mẫu thử -118-

Hình 5.15: Gia tải cho mẫu thí nghiệm composite -119-

Hình 5.16: Ứng xử đàn hồi tuyến tính của vật liệu -122-

Hình 5.17: Ứng xử phi tuyến trước khi hư hỏng của vật liệu -123-

Hình 6.1: Kết cấu sandwich thân tàu đệm khí (nhìn từ mặt dưới tàu) -128-

Hình 6.2: Ván ép phủ trên bề mặt thân tàu -128-

Hình 6.3: Lớp roving gia cường thân tàu -129-

Hình 6.4: Phần ski phí dưới đáy tàu -129-

Hình 6.5: Các bệ đỡ trên tàu -130-

Hình 6.6: Các khu vực gia cường xung quanh ống đạo lưu -130-

Hình 6.7: Các khu vực tác dụng lực trên bề mặt tàu đệm khí -134-

Hình 6.8: Các điều kiện biên của bài toán -135-

Hình 6.9: Các bề mặt có kết cấu sandwich khác nhau -135-

Hình 6.10: Các lớp vật liệu của sandwich nhóm 2 được thể hiện trong Ansys -136-

Hình 6.11: Độ võng trong trường hợp tàu nghỉ -137-

Hình 6.12: Phân bố chuyển vị theo phương z trong trường hợp tàu nghỉ -138-

Hình 6.13: Phân bố ứng suất von Mises trong trường hợp tàu nghỉ -139-

Hình 6.14: Các phần tử hiển thị độ dày trên các phần của tấm -140-

Hình 6.15: Lớp đệm các phần tử lò xo bên dưới tấm -140-

Hình 6.16: Phân bố chuyển vị UZ trên toàn tấm -141-

Hình 6.17: Phân bố ứng suất von Mises trên toàn tấm -141-

Hình 6.18: Phân bố ứng suất von Mises trên lớp vật liệu foam XPS -142-

Hình 6.19: Phân bố ứng suất von Mises trên các lớp ván ép -142-

Hình 6.20: Phân bố ứng suất von Mises trên các lamina -143-

Hình 6.21: ½ mô hình 3D của thân tàu đệm khí trong Ansys -144-

Hình 6.22: Phân bố chuyển vị UZ trong bài toán 3D (không có đệm khí) -145-

Hình 6.23: Phân bố ứng suất von Mises trong bài toán 3D (không có đệm khí) -145-

Hình 6.24: Phân bố chuyển vị UZ trong bài toán 3D (có đệm khí) -146-

Hình 6.25: Phân bố ứng suất trên khối foam bên trong sandwich -146-

Hình 6.26: Ứng suất tập trung ở vị trí xung quanh ống đạo lưu -147-

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các thí nghiệm xác định các thành phần trong ma trận [S] -34-

Bảng 2.2: Các mô-đun kỹ thuật cho vật liệu đơn nghiêng -35-

Bảng 2.3: Mối quan hệ giữa các thành phần trong ma trận [S] và các mô-đun kỹ thuật trong vật liệu đơn nghiêng -36-

Bảng 2.4: Ma trận độ mềm [S] của các loại vật liệu composite trong mối quan hệ với các mô-đun kỹ thuật -37-

Bảng 3.1: Các ma trận độ cứng của tấm sandwich đối xứng và không đối xứng -67-

Bảng 4.1: Các tham số vật liệu được sử dụng trong bài toán -71-

Bảng 4.2: Lời giải từ chương trình COMFEM -102-

Bảng 4.3: Lời giải dựa trên lý thuyết tấm Kirchhoff từ Ansys -104-

Bảng 4.4: Lời giải dựa trên lý thuyết tấm Mindlin-Reissner từ Ansys -104-

Bảng 4.5: So sánh kết quả theo lý thuyết tấm Kirchhoff -105-

Bảng 4.6: So sánh kết quả theo lý thuyết tấm Mindlin-Reissner -106-

Bảng 5.1: Kết quả từ thí nghiệm kéo đơn mẫu ván ép -116-

Bảng 5.2: Các giá trị thu được từ thí nghiệm 2 -120-

Bảng 6.1: Các giá trị độ bền của lamina -132-

Bảng 6.2: Bảng chú thích các vị trí đặt tải -134-

Bảng 6.3: Bảng mô tả các kết cấu sandwich trong tấm -136-

DANH M ỤC ĐỒ THỊ Đồ thị 4.1: Lời giải dựa trên lý thuyết tấm Kirchhoff (tựa đơn 4 cạnh) -105-

Đồ thị 4.2: Lời giải dựa trên lý thuyết tấm Mindlin-Reissner (Tựa đơn 4 cạnh) -106-

L ỜI NÓI ĐẦU

Tàu đệm khí đã được phát minh, sử dụng và phát triển từ giữa thế kỷ 20 tại các

quốc gia phát triển như Anh, Mỹ và Nga Với các đặc tính nổi trội như vận tốc cao và

khả năng hoạt động trên nhiều địa hình, tàu đệm khí được ứng dụng và khai thác trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm: du lịch, cứu hộ, chuyên chở và quân sự Việt Nam

với hệ thống sông ngòi dày đặc và đường bờ biển dài 3260 km là nơi rất cần thiết để đưa vào sử dụng các loại tàu như tàu đệm khí nhằm phục vụ và phát triển nền kinh tế

biển Từ năm 2006, một số nhà khoa học tại trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã bắt đầu nghiên cứu về đề tài thiết kế tàu đệm khí và đến năm 2009 đã chế tạo và thử nghiệm thành công một mô hình tàu đệm khí tỷ lệ 1/5 Đối với việc thiết kế tàu đệm khí thì tối thiểu hóa khối lượng tàu là ưu tiên hàng đầu trong các tiêu chí thiết kế Điều này dẫn đến việc sử dung các loại vật liệu nhẹ có độ bền cao như vật liệu composite được gia cường từ sợi thủy tinh và các kết cấu sandwich

Đề tài luận văn này đi theo hướng thiết kế kết cấu tàu đệm khí cỡ nhỏ (3 chỗ

ngồi) sử dụng vật liệu composite được gia cường từ sợi thủy tinh và kết cấu sandwich cho thân tàu Các nhiệm vụ chính của đề tài trong phần thiết kế kết cấu là:

_Nghiên cứu các tính chất cơ học của các loại vật liệu composite như các lớp

mỏng composite (lamina), các tấm mỏng gồm nhiều lớp mỏng laminate và kết cấu sandwich

_ Lập trình phần tử hữu hạn dựa trên Matlab và Calfem để tính toán độ võng

của một tấm sandwich chữ nhật, từ đó so sánh với lời giải giải tích và lời giải từ chương trình phần tử hữu hạn Ansys

_ Áp dụng các tính toán cho thân tàu đệm khí trong dự án đóng tàu đệm khí số

hiệu B2010-20-01TĐ

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐỆM KHÍ

1.1 Giới thiệu chung

Các tàu thuyền thương mại đã đạt được tốc độ vào khoảng 40 knots (khoảng 74 km/h) Trong những năm thập niên 20 của thế kỉ trước các tàu thuyền lớn đã đạt được tốc độ này Đây là vấn đề cực kỳ khó khăn cho bài toán thiết kế giảm sức cản, cải thiện

hệ thống động lực Lực cản thủy động là nguyên nhân chính hạn chế tốc độ tối đa của tàu thuyền Khả năng có thể giảm thiểu được lực cản sóng đó là phủ kín hay cô lập phần thân tàu sao cho nó không tiếp xúc với mặt nước Ý tưởng này gắn liền với một

số phương tiện vận chuyển mới ra đời như: tàu đệm khí lưỡng dụng (ACV), tàu đệm khí sử dụng hiệu ứng mặt thoáng (SES), tàu bay ứng dụng hiệu ứng mặt đất (WIG hay PARWIG) (Hình 1.1)

Hình 1.1: Phân loại tàu cao tốc

ACV ra đời với ý tưởng thiết kế tàu có một lớp đệm khí ở giữa phần thân tàu và mặt nước.Với thiết kế này thì phần thân tàu sẽ cách mặt nước một khoảng thích hợp sao cho lực cản sóng được giảm tối đa Tàu đệm khí họat động dựa trên sự tự nâng tàu trên mặt nước hay mặt đất bằng cách tạo ra áp lực dưới dạng một đệm khí Tàu đệm

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

khí có cấu tạo bao gồm thân tàu, quạt nâng, chong chóng đẩy, váy đệm khí, hệ thống lái,…Quạt nâng cung cấp khí cho váy (làm căng phồng) và duy trì áp lực đệm khí trong không gian được vây bởi váy khí (chamber), bánh lái đặt ở phần đuôi tàu đảm nhiệm việc điều khiển tàu Váy đệm khí, được gắn chặt với phần thân tàu, giúp duy trì đệm khí dưới tàu Chong chóng đẩy, thực tế ở phía xa đuôi tàu, đóng góp lực đẩy chính cho tàu

1.2 Lịch sử phát triển [7]

Tàu đệm khí đã được phát triển bằng thực nghiệm, tính toán lý thuyết và tính toán số từ khi Sir Cockerell (Anh quốc) phát minh ra nó vào năm 1959 Công nghệ tàu đệm khí dựa vào các thực nghiệm ở dạng thử nghiệm mô hình tàu hay thử nghiệm tàu nguyên mẫu (kích thước thật) Tuy vậy, phát triển của các tính toán số gần đây đã

hỗ trợ cho các nhà thiết kế tàu đệm khí đẩy nhanh nghiên cứu đặc tính động lực học tàu đệm khí hơn nhiều:

_ 1913, nghiên cứu lý thuyết của Havelock đã đuợc áp dụng rộng rãi trong phân tích động lực học lưu chất tàu đệm khí đến nay

_ 1956, Sir Christopher Cockerell (Anh quốc) đưa ra phát minh về tàu đệm khí _ 1959, tàu đệm khí đầu tiên trên thế giới SR.N1 ra đời tại Anh quốc

_ 1996, Na và Lee (Trung Quốc) tính toán trường áp suất (phân bố) trên diện tích đệm khí và sức cản sóng

_ 2005, A H Nikseresht (Iran) tính toán phân bố áp suất bằng phương pháp VOF (Volume of Fluid Method) cho đệm khí

_ 2005, tại Hội nghị AUN-SeedNet tổ chức tại Bách khoa Hà nội, từ 1/3/2005 ,”Field Wise Seminar on Mechanical and Aeronautical Engineering”, Đại học Bandung (Indonesia) giới thiệu tàu WIGs (tàu dùng hiệu ứng mặt thoáng), lợi dụng việc áp sát mặt đất/ mặt nước để tăng lực nâng trên cánh có hình dáng đặc biệt ở dạng không người lái do chính đại học phát triển Kết quả thử nghiệm tốt nhưng vẫn còn chưa ổn định

_ 2006, nhà máy đóng tàu Hanjin_Hàn quốc thử nghiệm mô hình tàu đệm khí dài 1 m với tỷ lệ bằng 1/12 tàu thật có chiều dài 12m, tốc độ 40 hải lý/giờ Quá trình

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

thử nghiệm ổn định tĩnh và CFD đạt kết quả tốt Hiện nay, nhà máy đang tiếp tục quy trình thử nghiệm ổn định động và các tính toán khác (Journal of Ship and Ocean technology tháng 9/2006)

_ 2008, “The 2nd KMU-HCMUT Joint workshop”, từ 5-8/11/2008, Giám đốc Trung tâm Đại học Hàng hải Hàn Quốc giới thiệu công nghệ chế tạo loại tàu có đáy hốc (Air Cavity System , ACS) sử dụng động cơ 2 kỳ 2HP 7000 v/ph và 8,5 HP 4800 v/ph, điều khiển từ xa với tốc độ thử nghiệm 60 hải lý /giờ

_ 2008, “The 2nd KMU-HCMUT Joint workshop”, từ 5-8/11/2008, Yun-Hae KIM thuộc Đại học Hàng hải Hàn Quốc giới thiệu kỹ thuật về kết cấu khuôn composite cho tàu đệm khí sử dụng vật liệu mới (“A study on the Techniques of Composite Mold Structure for Hovercraft Using New Material System”) Dự án này

có sự tham gia của Công ty đóng tàu tư nhân Boat4You đặt tại Jeonnam – Hàn Quốc

do ông Keun Sil Park phụ trách

Đi xa hơn, từ thế kỷ 18, người ta đã có ý tưởng tạo một lớp đệm khí giữa tàu và mặt nước để giảm sức cản cho tàu Năm 1716 Emmanuel Swedenbog, một người Thụy Điển đã chế tạo một số mô hình tàu đệm khí chạy bằng sức người, nhưng ông sớm nhận ra rằng tàu chạy bằng sức người là điều không thể Năm 1870, John Thorneycroft tiếp tục ý tưởng về tàu đệm khí nhưng thất bại do thiếu động cơ thích hợp

Như vậy mãi đến cuối thập niên 50, Sir Christopher Cockerell, nhà phát minh nổi tiếng đã thành công với thí nghiệm “coffee can” Ông đã chứng minh được việc di chuyển trên nước bằng cách tạo một lớp đệm khí phía dưới tàu là điều có thể Tàu đệm khí SR.N1 đầu tiên (Hình 1.2) ra đời sau đó chỉ vài năm chứng tỏ sức hút đặc biệt của phát minh này và tạo nên một bước ngoặc trong lịch sử tàu đệm khí nói riêng và của ngành đóng tàu nói chung

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Hình 1.2: Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959

Chiếc SR.N1 được chế tạo với kết cấu váy cứng và ống phụt khí nằm bên trong

để duy trì lớp đệm khí Với kiểu váy này tàu chỉ có thể hoạt động với khe hở khí nhỏ

Do đó nó chỉ có thể hoạt động trong vùng sóng tĩnh hoặc vượt qua những chướng ngại nhỏ trên vùng địa hình bằng phẳng khi hoạt động trên đất liền Sau đó chiếc SR.N1 được cải tiến đáng kể: Động cơ piston được thay thế bằng động cơ turbine khí Rolls Royce Viper, kết cấu váy cứng được thay thế bằng váy mềm, tạo thành lớp đệm khí dày 4 foot Vận tốc của tàu tăng từ 30 knots lên 50 knots Khe hở khí tăng gấp 10 lần Điều này cho phép tàu hoạt động trên biển tại những vùng có sóng cao đến 7 feet Sau thành công của SR.N1, tàu đệm khí bắt đầu được thương mại hóa Năm

1963, chiếc SR.N2 được thiết kế để chở khách với trọng tải 27 tấn, chở được 70 khách với vận tốc 60 knot Sau đó là một loạt tàu trong series của Saunders Roe đánh dấu bước phát triển về kích thước, khối lượng, tốc độ lẫn khả năng chuyên chở

Tàu đệm khí lớn nhất hiện nay là SR.N4 MK III với trọng tải 320 tấn, chiều dài 56.38m, chiều rộng 23.16m có khả năng chở được 418 khách và 60 xe ôtô (Hình 1.3)

Hình 1.3: Tàu SR.N4 MKIII

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Tàu đệm khí có thể được sử dụng rộng rãi trong cứu hộ, thể thao dưới nước, hải quan,…Ở Việt Nam, hiện vẫn chưa thấy công bố nào về một thiết kế và qui trình công nghệ sản xuất hoàn chỉnh cũng như việc chế tạo và chạy thử liên quan đến tàu đệm khí Nghiên cứu chế tạo loại hình tàu này đã được Công ty Triệu Phước (năm 2006), Công ty Dịch vụ Hàng hải Sài Gòn (9/2008), các xí nghiệp đóng tàu composite dân sự, hải quân (4/2009), các khu du lịch sinh thái, khu công nghiệp Pourbon-An Hòa (huyện Trảng Bàng, tỉnh Tây Ninh),… quan tâm và một số bắt đầu nghĩ đến việc đầu tư Hội Khoa học Kỹ thuật Biển tại Tp.HCM cũng đề cập việc đặt hàng nghiên cứu và chế tạo thử tàu đệm khí (Chủ tịch Hội là TS- nguyên Chuẩn Đô đốc Lê Kế Lâm, nguyên Giám đốc Học viện Hải quân Nha Trang) vì thực tiễn áp dụng trong du lịch, cứu nạn, quốc phòng của nó

Phần lớn các nhóm nghiên cứu sử dụng các bản vẽ mua từ nước ngoài ở dạng

bố trí chung, chỉ có một số rất ít các bản vẽ chi tiết, các hướng dẫn về công nghệ ở dạng mô tả,…nên gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình triển khai đóng thử nghiệm Chưa kể một số công nghệ chế tạo loại hình tàu này như cắt nhiệt, khuôn chân không…cũng cần có các nghiên cứu định lượng hầu áp dụng rộng rãi

Từ năm 2006, một số giảng viên từ hai bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy và Kỹ thuật Hàng không thuộc Khoa Kỹ thuật giao thông, Đại học Bách khoa TPHCM, đã bắt đầu nghiên cứu về đề tài tàu đệm khí và từ đó đến nay đã có 9 đề tài luận văn tốt nghiệp với 13 sinh viên tham gia về thủy khí động lực học, sức bền kết cấu, ổn định, điều khiển,…xung quanh vấn đề tàu đệm khí

Từ năm 2007 đến 2009, TS Lê Đình Tuân đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp ĐH Quốc gia mang tên “Thiết kế thi công tàu đệm khí” và đã thành công trong việc chế tạo một mô hình tàu đệm khí tỉ lệ 1/5 với chiều dài 829 mm nhằm kiểm nghiệm nguyên lý hoạt động của tàu đệm khí và lập các phương án kết cấu thân tàu, kết cấu váy, bố trí động lực

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Hình 1.4: Mô hình tàu đệm khí tỉ lệ 1/5tại Trường ĐH Bách Khoa TPHCM

1.3 Tổng quan thiết kế kết cấu tàu đệm khí [7]

Tính toán kết cấu của tàu đệm khí cũng được thực hiện tương tự tàu thông thường, dựa trên các bước làm cơ bản sau:

_ Chọn lựa vật liệu;

_ Chọn lựa hệ số an toàn;

_ Xác định các ngoại lực tác động lên vỏ tàu khi vận hành và sửa chữa;

_ Phân tích kết cấu thân tàu trong các chế độ làm việc sau:

(a) khi đệm khí hoạt động;

(b) khi đệm khí không hoạt động (tắt váy);

(c) khi chằng buộc tại bến;

(d) khi nâng hạ tàu;

_ Tối ưu hóa kích thước mặt cắt

Cách làm thì tương tự với các loại tàu nhanh Vỏ tàu thường được đóng bằng hợp kim nhôm, composite sợi thủy tinh / carbon hoặc thép đóng tàu cường độ cao Hơn nữa, các vấn đề thiết kế chính sau khi chọn lựa các kích thước chính sẽ là các vấn

đề dao động, tải va đập do sóng và tiếp xúc mặt thoáng, mỏi tại những khu vực tập trung ứng suất cao và ứng suất sinh ra do dao động

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Nguyên lý hoạt động của tàu đệm khí dựa trên lớp đệm khí được tạo ra phía dưới tàu Lớp đệm khí này có tác dụng nâng cả khối lượng tàu lên khỏi mặt nước, vì vậy khi thiết kế kết cấu tàu đệm khí, khối lượng tàu là một tiêu chí cực kì quan trọng

mà người kĩ sư thiết kế cần lưu ý Từ thực tế này, trong quá trình lựa chọn vật liệu, ta phải ưu tiên chọn những vật liệu có khối lượng riêng thấp nhưng vẫn đảm bảo về độ bền và độ cứng của kết cấu Các loại vật liệu được sử dụng cho tàu đệm khí có thể được tóm lược như sau:

1 Các kết cấu nhôm dùng công nghệ hàn được sử dụng rộng rãi hơn so với dùng đinh tán và chất bám dính dựa trên công nghệ trong ngành hàng không, điều này

dẫn tới giảm giá thành của sản phẩm Các hợp kim nhôm dùng trong tàu biển nhìn chung có độ bền thấp hơn so với các hợp kim nhôm dùng trong hàng không,

độ bền của các mối hàn cũng thấp hơn, do đó có thể bỏ qua công đoạn làm cứng

mối hàn khi áp dụng cho tàu biển Các tấm vỏ khi sử dụng mối hàn sẽ dày hơn trong thiết kế sử dụng đinh tán, dẫn đến trọng lượng của kết cấu sẽ cao hơn,

2 Đối với các tàu đệm khí cỡ nhỏ, các tấm mỏng cũng đủ để đạt được các đòi hỏi

về chịu tải kết cấu Những tấm này rất khó để hàn lại với nhau trong một số trường hợp, điều này cùng với những đòi hỏi về độ cứng của kết cấu buộc các kỹ

sư thiết kế phải chọn các tấm có độ dày dày hơn hay sử dụng đinh tán, keo dán hay các vật liệu composite được gia cường bằng sợi

3 Có thể thi công phần kết cấu tàu bằng hợp kim nhôm hay các loại vật liệu composite được gia cường bởi sợi, ví dụ như: GRP-Glass fiber Reinforced Plastic, một loại vật liệu composite có pha nền là nhựa và được gia cường bởi sợi

thủy tinh GRP nếu được sử dụng thì các công đoạn thi công, bảo trì và sửa chữa

sẽ đơn giản hơn, tuy nhiên độ cứng của GRP thì thấp hơn nhôm, nên GRP không

thể được sử dụng cho những tàu có trọng tải lớn (trên 50 tấn)

4 Với những tàu đệm khí có kích thước nhỏ hơn nữa, vấn đề quan trọng nhất là tối thiểu hóa trọng lượng của tàu đảm bảo tàu chịu được các ngoại lực tác động ở

vận tốc cao

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

5 Do tàu đệm khí có khối lượng riêng kết cấu thấp, công suất cao và số vòng quay động cơ cao với một dải phân bố rộng các tần số kích thích (động cơ, quạt nâng, chong chóng đẩy, ) nên vấn đề dao động trở nên rất quan trọng Vấn đề phân tích

dao động và tiếng ồn phải được xét đến khi thiết kế toàn cục

Qua những nội dung trên, ta có thể thấy được xu hướng thiết kế kết cấu các tàu

cỡ nhỏ có vận tốc cao sử dụng vật liệu composite là phù hợp Thưc tế tại thành phố Hồ Chí Minh, cụ thể là tại trường Đại học Bách khoa TPHCM, đã và đang tiến hành một

số đề tài thiết kế tàu sử dụng vật liệu composite là hỗn hợp của nhựa epoxy và sợi thủy tinh cũng như các kết cấu dạng sandwich đảm bảo độ cứng, độ bền và khối lượng nhẹ

Hình 1.5: Mô hình tàu lặn composite do CLB Máy bay mô hình ĐH Bách Khoa

TPHCM thiết kế

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Hình 1.6: Thân tàu đệm khí kết cấu sandwich được thiết kế tại Bộ môn Tàu thủy ĐH

Bách Khoa TPHCM

Đề tài luận văn này đi theo hướng thiết kế kết cấu tàu đệm khí cỡ nhỏ (3 chỗ ngồi) sử dụng vật liệu composite GRP và kết cấu sandwich cho thân tàu Các nhiệm vụ chính của đề tài trong phần thiết kế kết cấu là:

_Nghiên cứu các tính chất cơ học của các loại vật liệu composite như các lớp mỏng composite (lamina), các tấm mỏng gồm nhiều lớp mỏng laminate và kết cấu sandwich

_ Lập trình phần tử hữu hạn dựa trên Matlab và Calfem để tính toán độ võng của một tấm sandwich chữ nhật, từ đó so sánh với lời giải giải tích và lời giải từ chương trình phần tử hữu hạn Ansys

_ Áp dụng các tính toán cho thân tàu đệm khí trong dự án đóng tàu đệm khí mang số hiệu

1.4 Ưu điểm và khả năng khai thác của tàu đệm khí

1.4 1 Ưu điểm

Tàu đệm khí có ưu điểm so với các loại tàu khác là:

_ Giảm được lực cản của nước tác động lên tàu

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

_ Di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau: trên nước, mặt đất, đầm lầy…

_ Tàu đệm khí thì ít tốn chi phí vận hành và bảo trì hơn các loại tàu khác

_ Khả năng vận chuyển của tàu đệm khí thuộc mức trung bình (6kg/kW)

1.4 2 Khả năng khai thác

_ Sở hữu bờ biển dài, cùng hệ thống sông ngòi dày đặc, nước ta có sẵn lợi thế phát triển các loại hình vận tải cao tốc mang tính linh hoạt sử dụng các loại tàu đệm khí cỡ vừa và nhỏ Tàu đệm khí có thể được sử dụng trong du lịch, vận chuyển hành khách, tuần tra hay vận tải trong quân sự Với 3260 km bờ biển, tiềm năng du lịch biển

ở Việt Nam đáng được quan tâm Tuy nhiên việc đi lại của du khách đôi khi vẫn gặp nhiều khó khăn và bất tiện (tàu cũ, tốc độ thấp) do sự đầu tư chưa đúng mức của các công ty kinh doanh du lịch Việc đưa vào loại hình vận chuyển phục vụ du lịch bằng tàu đệm khí không những chia sẻ được những khó khăn cho ngành du lịch Việt Nam,

mà còn tạo hứng thú đặc biệt cho du khách khi được sử dụng phương tiện giao thông mới lạ và an toàn, đảm bảo thời gian đi lại do tính cơ động và tốc độ cao

_ Được che phủ bởi 252.000 ha rừng ngập mặn, nhu cầu cần một loại phương tiện giao thông có tính linh hoạt cao như tàu đệm khí là không thể chối cãi Hiễn nhiên, tàu đệm khí có thể phục vụ du lịch sinh thái, tuần tra và khai thác rừng

_ Việt Nam sở hữu khoảng 3000 hòn đảo ven bờ, do đó tàu đệm khí có thể được sử dụng như một phương tiện vận chuyển chuyên chở hành khách và hàng hóa

đi lại giữa đất liền và các đảo (tuyến ngắn) Bên cạnh đó, còn có thể sử dụng tàu đệm khí phục vụ du lịch đảo

_ Ngoài mục đích thương mại, tàu đệm khí còn có một tiềm năng phục vụ cho mục đích cứu hộ hay quân sự (Hình 1.7, 1.8), công tác tuần tra dọc sông ngòi, bờ biển, hoặc ngoài hải đảo xa xôi (quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa) rất hữu dụng nhờ tính linh hoạt, cơ động và khả năng vận tải cao đối với các tàu cỡ trung bình và lớn

Chương 1: Tổng quan về tàu đệm khí

Hình 1.7 : Tàu đệm khí dùng trong cứu hộ

Hình 1.8 : Tàu đệm khí dùng trong tuần tra

_ Tàu đệm khí cũng giúp giải quyết bài toán phuơng tiện phục vụ vui chơi giải trí, thể thao cho dân chúng

Hình 1.9 : Tàu đệm khí dùng trong thể thao giải trí

Chương 2: Vật liệu composite

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU COMPOSITE 2.1 S ợi, nền và các phương pháp hình thành vật liệu composite

Vật liệu composite hiện đại thường gồm 2 thành phần cấu thành: vật liệu gia cường và vật liệu nền hỗ trợ Vật liệu gia cường phải cứng hơn, bền hơn vật liệu

nền và là thành phần mang tải chủ yếu; trong khi đó vật liệu nền đóng vai trò là thành phần bảo vệ và cung cấp độ bền theo phương ngang cho các vật liệu gia cường Dưới dạng sợi, cơ tính của vật liệu sẽ tốt hơn dưới dạng khối; do đó, thành

phần gia cường trong các vật liệu composite cao cấp đều là các loại sợi có đặc tính cao Đặc tính của các loại vật liệu composite được gia cường bởi sợi phụ thuộc nhiều vào về việc lựa chọn vật liệu sợi, vật liệu nền và tỉ lệ thành phần của sợi trong composite Một số vật liệu được sử dụng để làm sợi và nền sẽ được trình bày ở bên dưới

2.1.1 Các lo ại sợi

• Sợi Bo (Boron Fibers): được hình thành từ phản ứng hóa học giữa khí hydro và hợp chất boron trichloride (BCl3) dưới nhiệt độ cao (1250 °C) Đường kính tiêu chuẩn của sợi Bo là: 100 μm, 140 μm, 200 μm Để gia tăng các tính chất cơ học, các sợi Bo thường được phủ lên một lớp silicon carbide (SiC) hay boron carbide (B4C) Các sợi Bo có mô đun đàn hồi và

độ bền cao nhưng giá thành đắt do chi phí sản xuất nên không được sử dụng

tiền chất thường được dùng để tạo sợi Cacbon là polyacrylonitrile (PAN),

dầu hắc ín (pitch) và tơ nhân tạo (rayon) Trong đó, các sợi Cacbon từ tiền

chất PAN được sử dụng phổ biến trong những năm gần đây Đường kính

Chương 2: Vật liệu composite

tiêu chuẩn của sợi nằm trong dải 7 tới 13 μm Để đạt được các tính chất cơ

học cao, các sợi phải được kéo căng trong quá trình tạo sợi Giá thành của các sợi Cacbon cũng đắt đỏ do quá trình graphite hóa đòi hỏi nhiệt độ cực

kì cao (Hình 2.1b)

• Sợi thủy tinh (Glass Fibers): các sợi thủy tinh vẫn là loại vật liệu gia cường

phổ biến nhất trong composite nhờ vào 2 đặc tính sau: giá thành thấp và độ

bền cao Có 2 loại sợi thủy tinh là E-glass (alumninoborosilicate) và S-glass (magnesium aluminosilicate) S-glass có độ bền cao hơn và các tính chất

vật lý tốt hơn E-glass Đường kính tiêu chuẩn của sợi thủy tinh là từ 3 tới

20 μm (Hình 2.1c)

• Sợi Aramit (Aramid Fibers): Aramit là tên chuyên biệt được dùng để chỉ các loại sợi được hình thành từ chất trùng hợp polymer Trong đó, sợi Kevlar có vai trò quan trọng nhất trong các ứng dụng của vật liệu composite Sợi Kevlar có độ bền và mô đun đàn hồi cao nhưng khối lượng riêng lại nhẹ nhất trong các loại sợi (Hình 2.1d)

(a) (b)

(c) (d)

Hình 2.1: Các lo ại sợi: (a) sợi Bo, (b) sợi các-bon,

(c) s ợi thủy tinh, (d) sợi Kevlar

Chương 2: Vật liệu composite

2.1.2 Các lo ại vật liệu làm nền

Vật liệu nền được phân thành các loại: chất dẻo nhiệt rắn, chất dẻo nhiệt,

gốm sứ và kim loại Nhựa epoxy (epoxy resin) tương thích với tất cả các loại sợi và được sử dụng chủ yếu trong vật liệu composite cao cấp Độ bền của epoxy khoảng

60 MPa và mô đun đàn hồi cao hơn 3450 MPa

• Nhựa Polyester: có các tính chất điện, hóa và cơ tính tốt, hình dạng ổn định

và giá thành thấp Các chất phụ gia có thể dễ dàng thêm vào loại nhựa này

để bổ sung thêm một số đặc tính: chống cháy, nhuộm màu, chống co rút và

chịu được thời tiết khắc nghiệt Nhựa polyester được sử dụng nhiều trong các bộ phận ô tô Giữa polyester và epoxy, epoxy có độ ổn định về hình dáng tốt hơn, tỉ số độ bền/trọng lượng cao hơn polyester Tuy nhiên epoxy không kinh tế bằng polyester Dù vậy, trong một số ứng dụng riêng biệt, epoxy vẫn được sử dụng nhờ vào các đặc tính của nó

• Nhựa Polymide: thuộc loại chất dẻo nhiệt rắn, được dùng trong các ứng

dụng chịu nhiệt cao (350 °C) Quá trình sản xuất loại nhựa này tốn nhiều

thời gian và gặp nhiều khó khăn hơn so với nhựa epoxy

• Nhựa nhiệt dẻo (Thermoplastic polymers): so với chất dẻo nhiệt rắn (thermoset resin), ưu điểm chính của nhựa nhiệt dẻo là có độ giãn dài cao trước khi phá hủy và có khả năng phục hồi lại hình dạng ở nhiệt độ cao Composite sử dụng loại nhựa này có khả năng chịu cắt, chịu dập và chịu

uốn Do thời gian sản xuất ngắn nên nhựa nhiệt dẻo có khả năng được sản

xuất hàng loạt Một trong những loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng trong composite cao cấp là PEEK (poly-ether-ether-ketone)

• Các loại composite dùng kim loại hay gốm sứ làm nền gặp nhiều khó khăn

và tốn nhiều công sức trong quá trình sản xuất Các loại composite này được dùng cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao

Chương 2: Vật liệu composite

2.2 Quan h ệ giữa các thành phần chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong vật

Trong phần này, các phương trình, các quan hệ giữa chuyển vị, biến dạng và ứng suất được đưa ra với giả thiết là biến dạng nhỏ và ứng xử của vật liệu nằm trong giới hạn đàn hồi tuyến tính Trong giới hạn của đề tài, ta chỉ xét đến vật liệu composite được gia cường bởi các sợi liên tục và hướng của các sợi là đồng nhất Như vậy, hướng của sợi có thể xác định được từ trước, để tiện lợi cho việc thiết lập các công thức, ta thiết lập 2 hệ trục tọa độ: một hệ trục tọa độ cục bộ có một trục trùng với hướng sắp xếp của sợi và một hệ trục tọa độ tổng thể Để tiện lợi cho việc thiết lập các công thức dưới dạng ten-sơ, ta sử dụng hệ trục tọa độ như trong Hình 2.2

Hình 2.2: Các h ệ trục tọa độ tổng thể x1x2x3 và c ục bộ x1′x2′x3′

Chương 2: Vật liệu composite

2.2.1 Phép bi ến đổi tọa độ và các ma trận biến đổi

2.2.1.1 Phép bi ến đổi tọa độ

Xét 2 hệ trục tọa độ như đã giới thiệu ở trên: hệ trục tọa độ tổng thể x1x2x3 và

hệ trục tọa độ cục bộ x1′x2′x3′ Gọi e1,e2,e3là các véc-tơ cơ sở của hệ trục x1x2x3 và

i e

và:

ij j

j i

ij

,0

,1

ij =e .e ′

Chương 2: Vật liệu composite

Phương trình (2.6) có thể được viết lại dưới dạng sau:

j ij

x′ =β β ′ (2.10)

Từ đó, ta có thể kết luận rằng:

ik kj

Theo cách thức tương tự, ta có thể chỉ ra công thức sau:

ik jk

Chương 2: Vật liệu composite

θβ

θβ

θβ

cos,

sin

sin,

cos

2 2 22 1

21 21

2 1 12 1

1 11

e

e e e

β

θθ

β

cos sin

sin cos

2 1

2 2

2 1

1 1

x x

x x

x x

x x

j j

j j

Các phương trình trên mô tả phép biến đổi tọa độ giữa hệ trục tọa độ gốc (hệ trục

tọa độ tổng thể) và một hệ trục tọa độ lệch 1 góc θ so với hệ trục gốc

Chương 2: Vật liệu composite

2.2.2.1 Các ma tr ận biến đổi

• Số vô hướng, véc-tơ và ten-sơ:

Gọi (x1,x2,x3)và (x1′,x2′,x3′)là các bộ tọa độ của 2 hệ trục tọa độ Đề-các và sẽ liên hệ

với nhau theo định luật biến đổi:

j ij

x′ =β

Với βij được tính theo công thức (2.7)

Một hệ các đại lượng được gọi là một số vô hướng, một véc-tơ hay là một ten-sơ phụ thuộc vào việc có bao nhiêu thành phần của hệ được định nghĩa theo các

biến x1,x2,x3và các thành phần này sẽ biến đổi như thế nào khi các biến x1,x2,x3

được chuyển đổi thành x1′,x2′,x3′

Một hệ được gọi là một số vô hướng nếu nó chỉ có một thành phần Φtheo các biến x i và một thành phần Φ′theo các biến x′ ivà các giá trị số của Φvà Φ′bằng nhau tại các điểm tương đương:

),,(),,(x1 x2 x3 =Φ′ x1′ x2′ x3′

Một hệ được gọi là một véc-tơ hay một ten-sơ bậc nhất nếu nó có 3 thành

phần ξ′ theo các biến x′ i và các thành phần này liên hệ với nhau theo định luật biến đổi:

),,()

,,(

),,()

,,(

3 2 1 3

2 1

3 2 1 3

2 1

x x x x

x x

x x x x

x x

k ki i

k ik i

ξβξ

Một ten-sơ bậc 2 là một hệ có 9 thành phần t ij theo các biến x i và 9 thành

phần t′ ij theo các biến x′ ivà các thành phần đó liên hệ với nhau theo định luật biến đổi sau:

Chương 2: Vật liệu composite

mn nj mi ij

mn jn im ij

t t

t t

mnp kp jn im ijk

t t

t t

ββ

β

Chú ý rằng nếu tất cả các thành phần của một ten-sơ triệt tiêu trong một hệ

trục tọa độ thì chúng cũng triệt tiêu trong tất cả các hệ trục tọa độ khác

• Ma trận biến đổi biến dạng:

Ten-sơ biến dạng e ijcó dạng sau:

33 32 31

23 22 21

13 12 11

e e e

e e e

e e e

Do ten-sơ biến dạng là một ten-sơ bậc 2 nên các thành phần của nó cũng tuân theo định luật biến đổi:

mn jn im

Chương 2: Vật liệu composite

6 5 4 3 2 1

e e e e e e

e e e e e e

+

++

+

++

+

=

21 12 22 11 21

13 23 11 22

13 23 12 23 13 22 12 21 11

31 12 32 11 31

13 33 11 33

12 32 13 33 13 32 12 31 11

32 21 22 31 33

21 31 23 32

23 33 22 33 23 32 22 31 21

32 31 33

31 33

32 2

33 2

32 2

31

22 21 23

21 23

22 2

23 2

22 2

21

12 11 13

11 13

12 2

13 2

12 2

11

22

2

22

2

22

2

βββββ

ββββ

ββββββββ

β

βββββ

ββββ

ββββββββ

β

βββββββββ

ββββββββ

β

βββ

ββ

ββ

ββ

βββ

ββ

ββ

ββ

βββ

ββ

ββ

ββ

e

T

(2.23) Thông thường trong cơ học, ta hay dùng các biến dạng kỹ thuật thay cho ten-

sơ biến dạng Các thành phần biến dạng kỹ thuật liên quan đến các thành phần của ten-sơ biến dạng như sau:

12 13

23

33 22

11

2 ,

2 ,

2

, ,

e e

e

e e

e

xy xz

yz

zz yy

γ

εε

ε

(2.24)

Hệ trục tọa độ xyz đã được sử dụng ở đây Các thành phần biến dạng kỹ thuật không hình thành một ten-sơ bậc 2, vì vậy sẽ không tuân theo định luật biến đổi tọa độ cho một ten-sơ Tuy nhiên, các thành phần này có sự liên hệ với các thành phần ten-sơ biến dạng nên sự biếnn đổi hệ tọa độ của chúng có thể được thể

hiện theo ten-sơ biến dạng