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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Đà Nẵng - Năm 2019 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Người hướng dẫn khoa học: TS TÀO QUANG BẢNG Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Tào Quang Bảng Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tài liệu sử dụng tham khảo sử dụng mục đích Người cam đoan 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 Học viên: Lê Văn Dương Mã số: 8.52.01.03 Khóa: 2019 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt– Với tiến cơng nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết 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 thực tế, đặc tính chúng tỉ lệ vi mơ 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 khác 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 nên cần thiết nhận quan tâm lớn nhà khoa học giới Một phương pháp đưa để giải tồn phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image Correlation (DIC) Vì vậy, nghiên cứu này, phương pháp tương quan ảnh số sử dụng để xác định trường biến dạng tồn cấu kiện Chúng tơi phát triển thiết bị thí nghiệm kết hợp với thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng toàn chi tiết vật liệu hàn InnoLot Bên cạnh đó, thơng số vật liệu hàn xuất từ phương pháp tương quan ảnh số so sánh với kết từ cảm biển lực chuyển vị để kiểm chứng Ngồi ra, xác định thơng số vết nứt hệ số cường độ ứng suất đường vết nứt thực đề tài Từ khóa – Trường biến dạng, DIC, Phương pháp tương quan ảnh số, vật liệu hàn, Cơ tính FULL-FIELD STRAIN MEASUREMENT OF SOLDER MATERIAL USING DIGITAL IMAGE CORRELATION AND FINITE ELEMENT METHOD Abstract: Up to date, with the advance of micro-fabrication, many new engineering components are becoming smaller and smaller, less expensive, and with longer life expectancy Therefore, before these components are used in engineering applications, their performance at the micro-scale must be experimentally characterized at the equivalent size scale For electronic packaging, nowadays, numerous investigations have so far been dedicated to the determination of solder joint’s mechanical properties such as their creep response under thermo-mechanical loading There are a broad variety of experimental devices and techniques that researchers have employed for the studying of different types of solders However, many studies have been indicated that the strain measurement techniques currently used not offer enough information on the failure mechanism Therefore, a new testing technique called Digital Image Correlation (DIC) has been developed for the measurement of full-field strain over the entire specimen Thus, in this study, an experimental apparatus is designed with complemented imaging equipment, giving the ability to perform DIC for full-field measurements on a novel electronic InnoLot solder material Furthermore, material parameters of the solder materials at different testing conditions are extracted from DIC data The results obtained from DIC are then compared with the measures obtained from several conventional techniques In addition, some fracture parameters as well as crack propagation are extracted from DIC method Key words – Full-field strain measurement, DIC, Digital Image Correlation, Solder materials, Mechanical Properties MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề 1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.2.1.Ngoài nước 1.2.2.Trong nước 1.3.Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu 1.4.Mục tiêu đề tài 1.5.Nội dung nghiên cứu 1.6.Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.6.1.Đối tượng nghiên cứu 1.6.2.Phạm vi nghiên cứu 1.7.Phương pháp nghiên cứu 1.8.Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.8.1 Ý nghĩa khoa học: 1.8.2 Ý nghĩa thực tiễn 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 2.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC) 2.1.2 Ưu điểm ứng dụng phương pháp DIC 11 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 14 2.2.1 Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn 14 2.2.2 Các giai đoạn toán phần tử hữu hạn 17 2.3 Lý thuyết đàn hồi, học rạn nứt 18 2.3.1 Lý thuyết đàn hồi 18 2.3.2 Cơ học rạn nứt 22 2.4 Giới thiệu chung phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks 27 2.4.1 HyperMesh 27 2.4.2 HyperViews 28 2.4.3 HyperGraph 28 2.4.4 HyperCrash 29 2.4.5 Radioss 30 2.4.6 Optistruct 30 2.4.7 MotionView 31 2.4.8 Simlab 31 2.5 Ứng dụng phương pháp DIC nghiên cứu phát triển vết nứt 32 2.6 Kết luận 33 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ Q TRÌNH THÍ NGHIỆM 34 3.1 Vật liệu chi tiết thí nghiệm 34 3.1.1 Vật liệu hàn 34 3.1.2 Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm 34 3.2 Hệ thống máy thí nghiệm DIC 38 3.3 Kết luận 39 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 4.1 Xác định trường biến dạng 40 4.2 Xác định đường vết nứt 43 4.3 Xác định thông số vết nứt 44 4.3.1 Phương pháp bình phương nhỏ 44 4.3.2 Áp dụng số 45 4.4 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 48 4.4.1 Xây dựng mơ hình Cad Import liệu Cad vào phần mềm 49 4.4.2 Phần xử lý mơ hình phần tử hữu hạn 50 4.4.3 Giải toán 53 4.4.4 Truy xuất kết 53 4.5 Kết luận 54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 5.1 Kết luận 55 5.2 Hướng phát triển 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phương pháp số nghiên cứu lan truyền vết nứt mối hàn Hình 1.2 Máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ (a) hệ thống DIC (b) Hình 2.1 (a) Phương pháp DIC, (b) tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt 10 Hình 2.2 Phương pháp tương quan ảnh số 12 Hình 2.3 Phương pháp tương quan ảnh số thí nghiệm kéo 12 Hình 2.4 Phương pháp tương quan ảnh số xác định đường vết nứt 13 Hình 2.5 Phương pháp tương quan ảnh số địa kỹ thuật 13 Hình 2.6 Phương pháp tương quan ảnh số y sinh 14 Hình 2.7 Các phương pháp giải vấn đề kỹ thuật 15 Hình 2.10 Phần tử hai chiều 17 Hình 2.11 Phần tử ba chiều 17 Hình 2.12 Các thành phần ứng suất 18 Hình 2.13 Mơ hình tốn ứng suất phẳng 19 Hình 2.14 Biên S vật thể 21 Hình 2.15 Các kiểu hình thành vết nứt 22 Hình 2.16 Vết nứt trường hợp ứng suất kéo 23 Hình 2.17 Tổng quan HyperMesh 27 Hình 2.18 Tổng quan HyperView 28 Hình 2.19 Tổng quan HyperGraph 29 Hình 2.20 Tổng quan HyperCrash 29 Hình 2.21 Tổng quan Radioss 30 Hình 2.22 Tổng quan Optistruct 30 Hình 2.23 Tổng quan MotionView 31 Hình 2.24 Tổng quan Simlab 31 Hình 3.1 Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm 35 Hình 3.2 Chi tiết thí nghiệm 35 Hình 3.3 Hệ thống xử lý bề mặt chi tiết 36 Hình 3.4 Hình ảnh trước (a) sau sơn (b) 37 Hình 3.5 Hệ thống cung cấp ánh sáng 37 Hình 3.6 Hệ thống thí nghiệm tương quan ảnh số DIC 39 Hình 4.1 Hình ảnh sử dụng cho tính tốn DIC: 40 Hình 4.2 Trường biến dạng chi tiết thí nghiệm 41 Hình 4.3 Sơ đồ trình tính tốn phương pháp: DIC cảm biến 41 Hình 4.4 So sánh kết phương pháp đo: sử dụng cảm biến tương quan ảnh số 42 Hình 4.5 Đường vết nứt 43 Hình 4.6 Mối quan hệ vị trí vết nứt biến dạng 44 Hình 4.7 Sự phát triển vết nứt 44 Hình 4.8 Hình dạng hình học vùng nghiên cứu: 46 Hình 4.9 Sự phát triển yếu tố trình tải 47 Hình 4.10 Tiến trình vết nứt mức tải khác biểu thị lỗi điều chỉnh vùng lấy mẫu 47 Hình 4.11 Cấu trúc tổng thể toán bền phần mềm Hyperwork 48 Hình 4.12 Xây dựng mơ hình Cad chi tiết thí nghiệm 49 Hình 4.13 Mơ hình hóa liệu CAD hypermesh 50 Hình 4.14 Tiêu chuẩn kích thước xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn 51 Hình 4.15 Thơng số vật liệu sử dụng phương pháp Jonhson-Cook 52 Hình 4.16 Đặt điều kiện biên hypermesh 53 Hình 4.17 Kết mô hyperview 54 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thành phần hóa học vật liệu hàn InnoLot 34 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật CCD camera 38 52 Hình 4.15 Thơng số vật liệu sử dụng phương pháp Jonhson-Cook Trong đó: E modun đàn hồi (GPa), nu hệ số Possion, a, b, n thông số ứng suất chảy dẻo (Yied strees) hệ số để vẻ nên đường cong vật liệu, ESP_max SIG_max biến dạng ứng suất lớn cho phép vật liệu Đối với điều kiện biên, thực tế toán yêu cầu đầu mẫu thử kẹp cố định, đầu lại kéo với lực có vận tốc kéo khơng đổi Do vậy, mô thực tương tự Trong hypermesh, việc cố định chi tiết mơ hình hóa thơng qua phần tử constrain, phần lực kéo đầu lại đặt thay load colecter Imposed velocity (lực kéo sinh với vận tốc không thay đổi theo thời gian) tất chúng thực trình quản lý BCs Manager modun Hình bên thể cách đặt điều kiện biên cho toán hypermesh: 53 Hình 4.16 Đặt điều kiện biên hypermesh Mơ hình ngàm chuyển vị theo ba phương X, Y Z, vận tốc Improsed velocity đặt vào với giá trị 3mm/s 4.4.3 Giải toán Qua bước đây, việc mơ hình hóa thiết lập tốn hypermesh hồn tất, bước cuối cần trích xuất file mơ hình dạng rad để đưa vào giải solver radioss 4.4.4 Truy xuất kết Việc tính tốn sau hồn tất, kết hiển thị trực quan hyperview, giá trị q trình tính tốn mơ vẽ lên thông qua modun hypergraph Kết tính tốn mơ thể hình bên dưới: 54 Hình 4.17 Kết mơ hyperview 4.5 Kết luận Trong chương này, kết phương pháp tương quan ảnh số cho trường biến dạng đường vết nứt trình bày cụ thể Các thơng số tính vật liệu hàn trích xuất từ phương pháp: tương quan ảnh số phương pháp truyền thống (cảm biến) Từ đó, tác giả so sánh kết phương pháp Kết cho thấy, số liệu từ phương pháp tương đương Trên sở kết thông số vật liệu thu từ thực nghiệm, nhập vào phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks để kiểm chứng lại kết Kết cuối cho thấy kết phương pháp thực nghiệm mô tương đương Kết trường chuyển vị tính tốn DIC điều kiện học rạn nứt đàn hồi tuyến tính thực Ngồi ra, việc xác định đường vết nứt giúp cho việc dự đoán hư hỏng phá hủy sớm từ ngăn chặn tai nạn bất ngờ xảy Kết cho thấy, phương pháp DIC mang lại hiệu cao giải vấn đề toán nứt 55 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Bằng kết hợp phương pháp: tương quan ảnh số phương pháp phần tử hữu hạn thông qua kết thí nghiệm mơ phỏng, luận văn làm rõ vấn đề sau:  Vật liệu Hàn sử dụng: Innolot, vật liệu ngày sử dụng nhiều hàn vi mạch động tơ  Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm: đúc, cắt dây xử lý bề mặt tiến hành cẩn thận yêu cầu đề xuất từ công ty Hai loại chi tiết thí nghiệm chế tạo nghiên cứu này: chi tiết khơng có vết nứt sẵn chi tiết với vết nứt có sẵn  Sử dụng phương pháp tương quan ảnh số DIC, trường biến dạng thu được sử dụng để truy xuất thông số cơ tính vật liệu Các kết sau so sánh với kết thu từ cảm biến (lực chuyển vị) cho thấy kết tương đương Chứng tỏ trình thiết lập thí nghiệm, thí nghiệm sử dụng DIC cho kết tốt  Phương pháp DIC giúp nghiên cứu xác định đường vết nứt (sử dụng cho chi tiết thí nghiệm có vết nứt sẵn) từ dự đốn phá hủy tìm cách ngăn ngừa phá hủy xảy  Ngồi ra, thơng số liên quan tới hệ số cường độ ứng suất vết nứt tính toán luận văn 5.2 Hướng phát triển Trong khuôn khổ luận văn này, việc xác định trường biến dạng thơng số tính vật liệu nghiên cứu Tuy nhiên, tương lai nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu ứng dụng phương pháp tương quan ảnh số loại vật liệu hàn khác để so sánh với vật liệu nghiên cứu chi tiết thực tế sử dụng cho ô tô 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhang D., Arola D.D, “Applications of digital image correlation to biological tissues”, Journal of Biomedical Optics, vol 9, 2004, pp 691–699 [2] Rossi M., Broggiato G.B., Papalini S, “Application of digital image correlation to the study of planar anisotropy of sheet metals at large strains” Meccanica, vol 43, 2008, pp 185–199 [3] Chevalier L., Calloch S., Hild F., Marco Y, “Digital image correlation used to analyze the multiaxial behavior of rubber-like materials” European Journal of Mechanics A/Solid, vol 20, 2005, pp 169–187 [4] Wang L.L., Bornert M., Héripré E., Chanchole S., Tanguy A, “Full-field measurements on low-strained geomaterials using environmental scanning electron microscopy and digital image correlation: improved imaging conditions”, Strain, vol 50, 2014, pp 370–380 [5] Berfield T.A., Patel J.K., Shimmin R.G., Braun P.V., Lambros J., Sottos N.R, “Micro- and Nanoscale Deformation Measurement of Surface and Internal Planes via Digital Image Correlation”, Experimental Mechanics, vol 45, 2007, pp 51-62 [6] Q.B Tao, L Benabou, V.N Le, H Hwang, D.B Luu, “Viscoplastic characterization and post-rupture microanalysis of a novel lead-free solder with small additions of Bi, Sb and Ni”, Journal of Alloys and Compound, vol 694, 2017, pp 892-904 [7] Hammad A.E., “Investigation of microstructure and mechanical properties of novel Sn–0.5Ag–0.7Cu solders containing small amount of Ni”, Materials and Design, vol 50, 2013, pp 108-116 [8] Cheng F., Nishikawa H., Takemoto T, “Microstructural and mechanical properties of Sn–Ag–Cu lead-free solders with minor addition of Ni and/or Co”, Journal of Materials Science, vol 43(10),, 2008, pp 3643-3648 [9] Yu D.Q., Zhao J., Wang L, “Improvement on the microstructure stability, mechanical and wetting properties of Sn–Ag–Cu lead-free solder with the addition of rare earth elements”, Journal of Alloys and Compound, vol 376(1–2), 2004, pp 170175 [10] El-Daly A.A., El-Taher A.M, “Improved strength of Ni and Zn-doped Sn–2.0Ag– 57 0.5Cu lead-free solder alloys under controlled processing parameters”, Materials and Design, vol 47, 2013, pp 607-614 [11] El-Daly A.A., Hammad A.E., Fawzy A., Nasrallh D A, “Microstructure, mechanical properties, and deformation behavior of Sn–1.0Ag–0.5Cu solder after Ni and Sb additions”, Materials and Design, vol 43, 2013, pp 40-49 [12] Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., Ranson W.F., McNeill S.R., “Determination of displacements using an improved digital correlation method”, Image and Vision Computing, vol 1, 1983, pp 133–139 [13] Chu T.C., Ranson W.F., Sutton M.A., Peters W.H, “Applications of digital image correlation techniques to experimental mechanics”, Experimental Mechanics, vol 25,1985, pp 232–244 [14] http://www.ncorr.com/ ... Tài liệu sử dụng tham khảo sử dụng mục đích Người cam đoan 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... 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: ... phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image Correlation (DIC) Vì vậy, em chọn đề tài ? ?Nghiên cứu, xác định trường biến dạng mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số phần tử