Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới composite polyme 3 pha phục vụ công nghiệp đóng tàu ở việt nam

ĐẠÍ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO C Á O KÉT QƯẢ T H Ụ C H IỆN ĐỀ ÁN ‘NÍỈHIÊN CỨU C H É T Ạ O V Ậ T L I Ệ U M Ớ I C O M P O S I T E P O L Y M E P H A P H Ụ C V Ụ C Ô N G N G H I Ệ P Đ Ó N G T À U V I Ệ T N A M ’’ M Ã SỐ: Q G Đ A 12.03 C HỦ TRÌ: P G S T S K H N G Ư Y Ẻ N Đ Ì N H Đ Ứ C HẢ NỘI 2013 M U C LUC M d ầ u 10 C hư on g I, C sỏ khoa học, nghiên cứu, tính tốn ảnh h n g sợi hạt đến tính nãng lý vật liệu compos ite p h a 22 1.1 A.nh hư ng sợi hạt đên m ô đun đàn hôi £|| (m ô đ u n kéo S0112 s o n v i cố t sợ i), m ô đun đàn hồi ( m ô đun k éo th e o p h n a nằm theo phương trone mặt p h ắ vng c \ ới p h n e cốt sợi) mô đun đàn hồi trượt G ,,,G ,3 vật l ệ u 22 1.1.1 M hình vật liêu com posit pha cốt sợi hạt gia c n g 22 1.1.2 M hình tính tốn xác định hệ số vật liệu cùa co m p o sit p o ly m e p h a 22 1.1.3 Xây dự ng biểu thức xác định hệ số kỹ thuật vật liệ u 23 1.1.4 Tính tốn s ố 28 1.1.5 Kết lu ậ n 37 1.2 Dãn nờ nhiệt com posite cốt s ợ i 37 í.2 ỉ Giới ih iệ u 37 1.2.2 N hĩrne hệ thức s 41 1.2.3 Bài toán v phương pháp g iả i 42 1.2.3 M iền pha n ề n 43 1.2.3 M iền pha s ợ i .44 1.2.3 T h u ần Iihất hoá trụ hỗn tạp - trụ c o m p o site 44 1.2.3 Điều kiện tồn trạng thái biến d n s p h ẳ n e 46 1.2.4 Kết lu ậ n 48 1.3 Dàn n nhiệt com posite pha cốt sợi đ n a ph ươ ne độn hạt c ầ u .48 1.3.1 ĩ)ặt vấn đ ề 48 13.2 Xác định hệ số aiãn nở nhiệt com posite ba pha cốt sợi đồna phươnơ độn lạt c ầ u 49 1.3.2 í lệ số Ìãn nờ nhiệt cùa ơià đ ịn h 50 1.3.2 Hệ sỏ uiãn nơ nhiệt com p osite hai pha cốt sợi đồnu p h n e 50 1.3.2 Mệ số eiãn nở nhiệl com po site ba pha cốt sợi đ n a p hư n a độn hại c ầu 52 1.3.3 Ví dụ b ànẹ s ố 54 1.3.4 Kết lu ậ n 59 1.4 " inh toán ứ na suất - biến dạng, tính c hố ng thấm , khả nănơ k háng nhiệt ống dân co m p o site cốt hạt c h ịu áp suất trong, n g o i v nhiệt đ ộ 60 1.4.1 Các p h n a trình bàn cua nhiệt đàn hồi tuyến tín h .60 1.4.1 M ối liên hệ ứng suất, biến dạng nhiệt đ ộ 60 ỉ.4.1 Phương trình truyền n h iệt 61 1.4.1 Đặt toán theo chuyền d ịc h 63 1.4.2 Trụ C om posite chịu tác động áp suất nhiệt đ ộ 65 1.4.2 l Đặt to n 65 1.4.22 Phư ơng pháp giải .68 1.4.22.1 Xác định trường nhiệt độ T { r \ t ) 68 1.4.22.2 X ác định trường ứng suất, biến dạng v ch uv ển v ị 73 1.4.3 T ính tốn s ố 77 1.4.3 Sự phân bố chuyển v ị 78 1.4.32 Sự phân bố biến d n g 80 1.4.3 Sự phân bố ứ n a suất 83 1.4.4 N hận x é t 89 1.4.5 Kết lu ậ n 90 1.5 'Nghiên cửu ảnh hường hạt sợi lên khả chịu uốn com posite .91 1.5.1 Phân tích uốn cho com posite ba p h a 91 1.5.12 T âm com posite phân lớp 95 1.5.2 Kết s ố 96 1.5.2 A nh hưởno tv lệ sợi h t 97 1.5.22 Ả nh hườ ng cùa góc s ợ i 98 13.2.3 A nh h n g lính đối xứ n e tấ m 105 1x1 Kết lu ậ n 107 I.) n định tĩnh com posite pha nhiều lớp có kể đến tính khơne hồn háo v: hình d án e ban đ ầ u 108 I ■» i Tông q u a n 108 Xác dịnh mô đun dàn hồi vật liệu com p osite ba p h a 109 Các p h ng trình 114 Phân tích ổn đ ịn h 121 Tấm com posite ba pha chịu lực nén dọc trụ c 121 I.).4.2 M ột số kết tính tốn 123 I.).5 Kết lu ậ n 127 I.' Phân tích phi tuyến động học c o m p osite polym e pha có gân gia crờng 128 I.M M đ ầ u 128 Các hệ thức com p o site có gân gia c n g 128 I/ IMiirơng pháp giải theo hàn ứng suất ệ v độ v õ n g w 132 I/.3.1 D ao độn g có điều kiện biên lề bốn c n h 133 I.’.3.2 D ao động vỏ với điều kiện biên ngàm hai cạnh lề hai c n h 136 Kết giải s ố .139 Nhận x é t 149 I/.6 Kết lu ậ n 151 O ir o n g II Kết chế tạo mẫu thực nghiệm cho co m po si te polvm e pha n n polyeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit 152 111 Quy trình chế tạo composite polyeste sợi thủy tinh, hạt titan o x it 152 111.1 Vạt liệu thành p h ầ n .152 111.2 Sợi thủv tin h 153 111.3 Quy trình chế tạo com posile pha polyeste, sợi thủy tinh, hạt titan o.it 158 112 Coniposite polyeste với 25°ó cốt sợi (0% cốt h t) 163 112.1 Két qua chế tạo 163 112.2 Kẻt quà thực n g iệm 165 Ỉ13 C om posite polyeste với 25% cốt sợi (5% cốt hạt) 169 113.1 Két quà chế tạo 169 113.2 Kêt quà thực n a iệ m 171 114 (rom posite polyeste với 25% cốt sợi (10% cốt h ạt) 174 114.1 Kết chế tạo 174 114.2 Két thực naiệrn 176 115 C om posite polveste với 30% cốt sợi (5% cốt h t) 179 115.1 Kết chế tạo 179 115.2 Kết thực n giệm 181 115 C om posite polyeste với 40% cốt sợi (5% cốt h t) 184 115.1 Kết chế tạ o 184 115.2 Kết thực n giệm 186 Ciirong l i l Ket chế tạo mẫu thực nghiệm cho composite polyme pha lĩin vinyỉeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit 191 II Quy trình chế tạo composite vinyleste sợi thủy tinh, hạt titanoxit 191 11.2 C om posite vinyleste với 25% cốt sợi (0% cốt hạt) 193 11.2.1 Kết chế tạo 193 11.2.2 Kết thực n g iệm 195 11.3 C om posite vinyleste với 25% cốt sợi (5% cốt hạt) 198 ỉl.3 Ket chế tạo 198 11.3.2 Kết thực n g iệm 200 11.4 Coinposite vinyleste với 25% cốt sợi (10% cốt h t) 203 11.4.1 Kết chế tạ o 203 11.4.2 Kết thực ngiệm 205 11.5 C om posite vinyleste với /0 cốt sợi (5°/0 cốt h ạt) 208 11.5.1 Kết chế tạ o 208 11.5.2 Kết thực n giệm 10 11.6 C om posite vinyleste với 40% cốt sợi (5% cốt hạt) 213 III.6.l Kết chế tạ o 213 [11.6.2 Ket thực n e iệ m 215 Chưrng IV Kết chế tạo mẫu thực nghiệm cho co m po si te polyme pha nêti cpoxv sợi thủy tinh, hạt titanoxit 220 IV Quy trình chế tạo composite epoxy sợi thúy tinh, hạt tita n o x i 220 IV 1 N hựa e p o x y 220 IV Quv trình chế tạo com posite pha epoxy sợi thủy tinh, hạt titanoxit 222 IV.2 C om posite epoxv với 5% cốt sợi (0 % cốt h t) 224 IV.2 Kết chế tạ o 224 IV.2.2 Ket q u ả thực n s iệ m 226 ỈV.3 C om posite epoxy với % cốl sợi (5% cốt h t) 230 IV.3 Kết qu ả chế tạ o 230 IV.3.2 Kết q u ả thực n g iệ m 232 IV.4 C om posite epoxy với 25% cốt sợi (1 % cốt h t) 235 IV.4 Kết qu ả chế tạ o 235 IV.4.2 Kết thực n g iệm 237 IV 5.C om posite epoxy với 0% cốt sợi (5 % cốt h t) .240 IV.5.1 Kết q u ả chế tạ o 240 IV.5.2 Kết qu ả thực n giệm 242 IV ó.C om posite epoxv với % cốt sợi (5 % cốt h t) .245 IV.6 Kết qu ả chế tạ o 245 [V.6.2 Kết qu ả thực n giệm 247 Chưrng V Kết chế tạo mẫu thực nghiệm cho c om po s it e polyme pha «poxy sọi cacbon, hạt titanoxit 252 V ^uv trình chế tạo composite epoxy sợi cacbon, hạt tita n o x it 252 v l Sợi b o n 252 \ \ Q u y trình chế tạo composite pha epoxv sợi cacbon hạt titanoxit 264 ^ ro m p o s ite epoxv với 25% cốt sợi (0% cốt h t) 266 V.2 Kêt chế tạ o 266 V.2.^ Kêt thực n g iệm 267 V.3 C omposite epoxy với 25*^0 cốl sợi (5% cốt h t) 271 v.3.1 Kết q uả chế tạ o 271 v.3.2 Kết q uả thực n g iệ m 273 V.4, C omposite epoxv với 40% cốt sợi (0% cốl h t) 276 V Kết chế tạ o 276 v.4.2 Kết qu ả thực n g iệ m 278 TỔNG H Ợ P K É T Q U Ả C H Ế T Ạ O M Ả Ư 281 TÓNJ HỢP KẾT QUẢ s ố LIỆU THựC NGHIỆM 284 K Ế T Q U Ả Đ À O T Ạ O 288 K ẾT Q U Ả Ứ N G D Ự N G V À O T H ự C T Ỉ É N 289 CÁ C C Ò N G t r I n h Đ ả C ô n g b ố 290 K ÉT L U Ậ N 292 TÀI LIỆU T H A M K H Ả O 293 PHIỂU Đ Ả N G K Ý K Ế T Q U Ả C Ủ A ĐỀ Á N 305 PH Ụ LỤ C 1; K ết thực nghiêm com posite polyeste, sợi thuỷ tinh, hạt Titan oxit PH Ụ LỤ C 2: Kết thực nghiêm com posite n ền vinylyeste, sợi thuỷ tinh, hạt Titan oxit PH Ụ LỤC 3; Kết thực nghiêm com posite epoxv, sợi thuỷ tinh, hạt Titan oxit PHỤ LỤ C 4: Kết thực nghiêm com posite epoxy, sợi cacrbon, hạt Titan oxit PHỤ LỤ C 5: Hồ sơ đăng ký sáng chế Biên triển khai áp dụng PM Ụ L Ụ C 6: Bản photo copy cơng trình cơng bố T H Ị N C TIN C H U N G VÈ ĐÈ Á N Tén đề án, Mã số: ••NCIỈỈẾN CỬU CHẺ ĨẠO VẬT LIỆU MỚI COMPOSITE POLYME PiỉA PHỤC v ụ CỊNG NGHIỆP ĐĨNG TÀU VIỆT N A M ’M ã số: Q G Đ A 12.U3 Chii n h iệ m đề tài: PG S T SK H Nguyễn Đình Đức C(I' q u a n c h ủ trì: T rư n a Đại học C ông nghệ - Đ H Q G H N Nội dung nghiên cứu đề án: Bao gồm n h ữ n g nội dung nh sau: NltóTi nội d u n e : C sở kh oa học cho việc nghiên cứu chế tạo com posile polym e pha Bao g ồm tính tốn xác định m ô đun đàn hồi cho com po site pha phụ ihuộ; hiên vào tỷ lệ sợi hạt; khảo sát ảnh h n g tỷ lệ sợi hạt lên độ bên lôn, hệ sô dãn nở nhiệt đáp ứng phi tuyên (tĩnh độ n g) com posite phi NhóTi nội d u n g : Q uy trình cơng nghệ đặc trưng Iv vật liệu com posite pha polyeste sợi thủy tinh, hạt titanoxit N h ó n nội d u n g : Q uy trình cơng nghệ đặc trưng lý vật liệu composite pha vinylester sợi thủy tinh, hạt titanoxit N h ó n nội d u n g ; Q uy trình cơng nghệ đặc trư na lý vật liệu composite pha lề n e p ox y sợi thủv tinh, hạt titanoxit N h ó n nội d u n g : Quy trình cơng nghệ đặc trưng lý vật liệu com posite pha lên epoxy, sợi cacbon, hạt titanoxit Vơi àrng nội d u n ẹ nhóm 2,3, lại bao gồm nội dung sau: - N gh iên cứu quv trình c ô n e nghệ - N ghiên cứu che thử mẫu vật liệu với p h n e án trộn polyme với SỢI tia c n e v hạt titanoxit theo tv lệ khác - T hự c n e h iệm phương pháp xác định mô đun đàn hồi từnơ loại mẫu \'ật 1ệu com p osile - Phân tích, tồna hợp, đánh Ìá kết chế tạo th n sh iệ m Kinh phí thực hiện: 950 triệu đồne KP Quỳ í^hát triển K H C N ciia Đ H Q G liN hò’; gian nghiên cứu: 2012 -2013 hành viên tham gia thực đề án: PGS IS K H N guvễn Đình Đức (Chú nhiệm Đề tài) TS Vguyền H oàng Q uân (Đ H C N ) TS Lê Thái íỉị a (Đ H C N ), TS Hoàng Văn ĨÙIIL (Đ H K T HN); ThS N ghiêm Thị Thu Hà (Í)H K H T N ); ThS Đỗ Nam (ĐI ỈCN); ThS, Vũ Thị Thuỳ A nh (Đ H C N ); ThS Phạm Vãn Thu (V iện NC Chế tạo tàu n u ỷ - ĐH N Trang); ThS N guyễn Văn Đẳc (Đ H X D H N ); K S.N C S Tràn Quốc Quàn (Đ H C N ); KS H V CH Bùi Đức Tiệp (V iện C học); C N H V C H Nguvễn Xuâi' Tú (Đ H C N ); KS Hồ Q uang Sáng (Đ H C N ); KS Đ inh V ăn Đ ạt (Đ H C N ), KS Phạm H ồng C ông (Đ H C N ) iVlỏ ĐẦU C o m p osite loại vật liệu cấu thành từ hai nhiều vật liệu thành phàr khác nhăm mục đich phat huy tính iru việt cúa vặl liệu thánh phàr tạo vật liệu m ới com posite có nhiều tính chất ưu việt vượ t trội [1, 2J Vật liệu com posite gơm thành phần liên tục, có tính n ă n e gắn kết thành phần gia c rg , gọi vật liệu (hay pha nền) thành phần cốt (các pha gia cườne) Vật íiệu có tác dụng phối hợp làm việc hài hoà toàn khối com posite, p h r bố lại nội lực, chống chịu tác động lý-hố cùa m trư na Tác dụng bật pha gia cường làm cho com posite trở nên c ứ ng hơn, làm tốt khả khác như: kh ả chống lại biến dạng k h ô n a đàn hồi, c h ố n g thấm , chố ng cháy, giảiĩ phát triển vết nứt chịu va đập tốt Với n h ữ n g tính nồi trội cùa m ột số com posite n h nhẹ, bền với tac cộng vật lý, hoá học (com posite polym e), bền siêu bền nhiệt (com posite chức năng, com posite carbon-carbon), khả chống ăn m ịn cao thích ứng với tiêu :hí cao củ a kỹ thuật cơng nghệ đại, com po site phát huy ưu điểm cùa vật liệu thành phần, com posite n e h iên cứu sử dụng loại vật liệu lý tưởng ứng dụng ngành c n nghiệp, điển hình công nghiỉp nhựa, côn g nghiệp ô tô, công nghiệp đóng tàu, c khí, chế tạo máv, xâv dựnị; dân dụng, giao th ô na vận tải chí y học N ghiên cứu vật liệu kêt cấu com p osite noày phát triển rộ ng rãi, có ý nghĩa k hoa học ữ ự c tiền to lớn Vật liệu com posite thông thirờno phân loại theo m ột số cách sau đâv [ 1]: Phân loại theo vật liệu nền: Do vai trò đặc biệt quan trọng pha tronỊ công nghiệp người ta phàn loại vật liệu com posite theo tên 2ỌÌ cùa vật liệu nẻn ví dụ com posite polyme (nèn làm lừ vật liệu polvm e) com posite kim loại 10 S iru ctural analỵsis o /th rư e p h a se co m p o sìte p la te tin.ic’- >endinị^ loiids C LA M P SD o x x s t 'We- I a r^OUR CLAMPẼD EOGES — Ị — 30/-30n0/-30 0 0/-80 - » / a /« - -4V-44V-45 — 30 3CVXV-X - 6tV-60(«Cí-60 -x>e.'M ♦2 'X>e.oo^— ^ _ • 30/-M/30/M: ~Ki~60/60/40' 30E-02 ^ 00E-02 02 OOOEHXl oe Partỉde votuma ratios 01 02 03 04 05 06 Fib«r velunt rttios F ig u re 10 E f f e c t o f fib er o rien tatio n an d particle v o lu m e ratio ( tw o o p p o s ite c l a m p e d P ig u re 11 E ffe ct o f f ib e r o rie n ta tio n and tlber v o lu m e ratio (tw o o p p o s ite c la m p e d ed ges) ed g e s) Fig 10 and F ig ,l sh o w th a t for the tw o o p posite c ia m p e d e d g e s case, th e /-3 /3 /-3 plate has the s m a lle s t b e n d in g d eflection u, MtỊnitudt - ♦2.21ũf02 - ■•2.02ỐÍ-02 - ♦I,842c02 ■♦l,638fÕ2 *1.289í-02 ♦l,lũ5»-02 ♦9.209í-Õ3 *uiivíìị ♦5.32ỐÍ-03 ♦3.684Í-03 ♦1.842Í-03 ♦O.OOtOŨ u,M iịnitụiÌ! ♦4.3l0t-02 ♦4.4Ũ9Í-02 ♦4.009Í-Õ2 ♦3.608«-02 ♦3.207Í-Õ2 ♦2.806Í-02 ♦2.405«-02 ♦2,Ũ04.-02 ♦ U Õ 3Í-0Ỉ H 2ũ3c02 ♦a017i-03 ♦«.009í-03 *ũ.000(«00 P ig u re 12 T h e b e n d in g d e íle c tio n o f /-30/30 /-3 an d /- /6 /-6 plate ( tw o o p p o site cia tn p e d edges) Froni th e o b ta in e d results in this C o n s id e r tw o plates h a v in g lam inas, the sectio n, w e ca n c o m e to a c o n c lu sio n : the fiber o rien tatio n s are M / / - and plate b e n d in g d e í le c tio n stro n g ly d e p e n d s on 45/45/-45/-45, respectivelv A g a in w e first the fiber o rie n ta tio n T h e r e are different keep th e fiber v o lu m e ratio ệ = and let o ptinial t1ber o rie n ta tio n for diffe ren t the particle v o iu m e ratio v ary from 1- ; b o u n d a ry c o n d itio n cases T h e /-45/45/-45 then w e keep th e p article v o lu m e ratio plate has a v e r a g e b e n d in g d e íle c tio n in all = and let the tlb e r v o lu m e ratio vary cases, rhus, \vhen th e boLindarv' d itio n is u n d e te rm in e d th e 45 /-4 M /-4 plate is the best tb r rcaciy m a n iitầ ctu re 3.3 Kffect of symmetry and asvmnietr> from 0,1-0.5 T h e ca lc u latio n is d o n e for b o u n d a ry co n d itio n case: fou r c la m p e d edges, o n e c la m p e d e d e e an d tw o o p p o site StruL tu^al a n a ỉysis o f th ree p h a se com posư e p la le under ben din g locids Fig 13 shovvs the effec t o f sy m m etr> and asynim etry on b e n d i n g d e fle c tio n (tw o o pposite c l a m p e d e d g e s ) vvhen c h a n g in g Tiber and particle vo iu rn e ratios P ig u re 13 E ffect o f s ta c k in g s e q u e n c e Froiri the results in T a b l e and Fig 13, we realize that, w ith th e s a m e th ic k n e s s, sam e nu m b e r o f lam inas s a m e fib er and particle volu m e ratios, s y m m e tr ic plate p rovides snialler b e n d in g d e í le c tio n than non sym m etric plate In th e s y m m e tr v ca se , the effect o f fiber vo liim e ratio is stro n g e r than that oí particle v o lu m e ratio Hovvever, for th e a s ỵ m m e try case, th e y are n ea rlv the same C O N C L U S I O N [1] Nguyen Dinh Duc, Dinh Khac M inli Bending analysis o f three-phase polymer c o m p o s ite plates rein tb rc e d by glass ĩibers and Titanium oxide particles J C o m p u ta t io n a l M a te ria ls S cie ncs, 2010, vol 49, N 4, p 194-198 [2 ] Nguyen D inh Duc, Luu Van B oi, N g u y e n T ie n D ac (2 0 ) D e te rm in in g th e rm a l e x p a n s io n co e ffic ie n ts o f th re e -p h a se fiber c o m p o s ite m aterial rein fo rced by sp h e ric al particles, io u r n a l o f S cience, M athem atics- Physics, V N U , V o l 24, N o 2, p.57-65 [3] D in h K h a c M in h B e n d in g o f threephase c o m p o s ite la m in a te d plates in shipbuilding E n g in e e r in g P h o n g , 2011 industrv PhD M a ritim e thesis U n iv ersity , in Hai [4] N g u y e n D in h D uc, D in h K h ac M in h , P h a m V a n T h u , T h e b e n d in g ana lysis o f th ree phase p o ly m e r c o m p o s ite plate r e in fo rc e d gla ss fiber an d titan iu m o x id e p article s in c lu d in g cre e p effect International io u r n a l o f A e r o n a u tic a l and S p a c e S c ie n c e s , The fiber an d p article v o lu m e ratio both , 11(4), p - 6 h ave etĩect on th e b e n d i n g d e tle c tio n o f the [5] Nguyen Hoa Thinh, Nguyen Dinh plate The e ffe c t o f f ib e r v o lu m e ratio is Duc Com posite materials: Mechanics and stronger than tha t o f p a rtic le v o lu m e ratio T e c h n o lo g y o f m a n u ía c tu r e P ublisher vvhen the plate is s y m m e tr ic F or the “ S c ie n c e an d T e c h n o lo g y ” , H an oi, 2002 a s y m m e try ca se , th e y are n e a rly th e sam e [6] Tran ích Thinh Com posite materials: The tlb e r o r ie n ta tio n s also in ílu e n c e the M e c h a n ic s and c a lc u la tin g for structures bending d e íle c tio n , T h e r e are d ifferent P i i b l i s h e r '‘E d u c a tio n ” , H anoi, 1994 suitable tlb e r o r ie n ta tio n s for d iffe ren t [7] G A V anin M ic r o - M e c h a n ic s o f boundary c o n d itio n s T h e /-4 /4 /-4 S plate c o m p o s ite m a teria ls, “ N a u k a d u m k a ” , K iev, provide a v e r a g e b e n d in g d e íle c tio n in all 1985 cases, :hus it is the b est c h o i c e for ready [8] R eddy J.N - M echanics o f Laminated maniifacture C o m p o s ite Plates and Shells: T h e o ry and Froin the p r e se n te d results, w e c a n yield so m e rem arks on the b e n d i n g o f -phase co m p o site pla te m a d e o f e p o x y m a trix , glass Tiber and gla ss particle: V- ith the s a m e n u m b e r o f la m in a s and thickness, s y m m e tr ic plate is better than non symnieTÌc plate for ben d in g A cknow ledgnient: T h is vvork w as su p p o rted by Project Q G D A 12.03 o f F o u n d for Sciencc and T e c h n o io g v D e v e io p m e n t o f V i e t n a n N a tio n a l U n iv e rsity , H anoi T he a u t h o r s a r e g ratefui for this financial su pport R efereaces A n a ly s y s , C R C P ress, 2004 306 Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX Hà Nội, 8-9/12/2012 Dao động phi tuyến đáp ứng động lực học tam composite polyme pha có gân gia cường lệch tâm khơng hồn hảo hình dáng ban đầu Nguyễn Đinh Đức, Đinh Văn Đạt, Đỗ Nam Trường Đ ại học C ông nghệ Đại học Quốc gia H Nội E-M ail: ducnd(ã\'nu.edu dvd"99Q(cpsmail com Tóm tất Báo cáo sừ dụng cách tiệp cận giài tích đề nghiên cứu dao động phi tuyến đáp ứng động lực học tầm composite polyme pha có gân gia cường lệch tâm khơng hồn hảo hình dáng bán đầu Phương ưình chun động tâm có gàn xây dựng sờ quan hệ phi tuyến cùa lý thuyết tâm cô điên kỹ thuật tính tâm có gân cùa Leỉdinitsky Việc nghiên cứu động lực học cùa giài quyêt thành công báo cáo nhờ sử dụng phương pháp Bubnov-Galerkin, hàm úng suất, già thiết Volmir phương pháp Runge-Kutta Trên sở kết quà số nhận được, báo cáo phân tích ánh hưĨTig cùa yếu tố hinh học tấm, tính chất vật liệu thành phần (nền polyme, sợi hạt) u tơ khơng hồn hào hình dáng ban đâu lên tần số dao động phị tuyến đáp ứng động lực học phi tuyến cùa pha có gân gia cường Từ khoá: Dao động phi tuyến; đáp ứng động lực học phi tuyến; có gân; khơng hồn hào hình dáng; composite pha Mờ đầu Vật liệu c o m p o s ite vật liệu tổ n g h ợ p từ hai hay nhiều vật liệu th n h p h ầ n k h ác n hau tạo vật liệu có tính n ă n g h n hẳn vật liệu ban đầu n h ĩm ? vật liệu làm việ c riê n g rẽ V ật liệu co in p o site b ao g m có vật liệu thành phần độn, vật liệu đ ả m b liên kết phân, th n g ch ù y ế u đ àm b o tính ch ịu nhiệt, chịu tác đ ộ n g h o h ọ c v ậ t lý, th n h ph àn gia c n g ch ù y ê u đ m b ả o làm gia tăng tính n ăn g c học v k h ả n ă n g bền c ú a vật liệu 11,2,3,4] T ro n g thành p h ầ n gia c n g t h n g bao g ồm sợi h oặc vải, h oặc c c hạt C c sợi vải làm tă n g khà n ă n g c h ịu lực c ủ a kết cấ u , hạt th n g làm giả m s ự rạn nứt, giả m xuất biện d n g d è o tă n g k h n ă n g c h ố n g thấm cho c o m p o site C h ín h vi vậy, kết h ọp sợi hạt composite làm cho composite hoàn hào hơn, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thu ậ t đại Vơi n h ữ n g ưu đ iể m v ợ t trội (k h ả n ăn g chịu lực, chịu nhiệt, ổn đ ịn h dư i tác đ ộ n g môi trưỜJig) c o m p o site đ ợ c sừ d ụ n g p h ô biến tro n g lĩnh vực: từ giao thông, c h ế tạo m áy, cô n g ng h iệ p đèn cá c n g n h chiến lược h n g k h ô n g vũ trụ, y học đại V iệ t N a m , tr o n g n h ữ n g n ăm gân c o m p o s ite đ ợ c ngh iê n cứii sử dụng m ạnh mẽ, ph ổ biến c o m p o s ite polym e Đặc biẹt cịng nghiệp đóng tàu ngành xây dựng dầu khi, cơng trình composite biên khơi f)ê tă n g k h ả n ăn g c h ố n g th ấ m , c h ố n g chay, ch ố n g ăn m òn, c h ố n g n ứ t, bè n cạn h CỎ I Sựi người ta th ò ’ng bổ su n g vào p oly m e hạt Ìa cư ờna N h v ậv trẻn th ự c tế xuất 308 N g u v ễ n ỉ ) i n h Đ ứ c , Đ i n h V n Đạt , Đ ỗ N a m -1 G 86’ - + 'í,+ n - í j( v ,- ii" u G =Ỡ - Ơ23 = G - *“ % +(1 + ) V-,, •+ - = r £,, 8Ơ '2 G G G ).r + (1 + ặ ,x ) ~ ^ (1 - 2(1 - X->^ - + k - - 1+ 2c J G G I (2.5) - Ì , +xệ^+{\-ệ^){x^-ì) : G„ X = - 4i/ Đê tính to n số, ta c h ọ n vật liệu c o m p o s ite pha đ ợ c chế tạo từ nhira p o ly e s te (V iệ t N a m ) , sợi t h ú y tin h đ ợ c n h ập từ H àn Q u ố c hạt titanium o x it T iO : n h ậ p k h ẩ u từ A iistralia với cá c t h ô n g số đầu v c ù a vật liệu th n h phần n h b n g I B n^ T h ô n ^ ổ thành phần vật liệu composite [7] _ Vật Liệu ÌVIƠ đun Young Hệ số Poat xong 1.43 G p a 0.345 Sơi th ủ y tinh ( H n Q u ố c ) 22 G p a 0.24 H t j f i t a n i u m T ÌO ( O x tra y lia ) 5.58 G p a 0.20 N ề n p o ly m e Bảng Các trường họfp vật liệu pha thay đổi tý iệ hạt trộn (cố định tỷ lệ sợi 0.2, tỷ lệ hạt thav đồi) TU c 2^ 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.2 0,2 0,2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.25 0.2 0.15 0,1 0.05 0,0 Bảng Các trường hợp vật liệu pha thay đổi tỷ lệ sợi gia cường (cố định tý lệ hạt bàng , tv lệ sợi thay đòi' _ TU ■) n ỉm 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.3 0.25 0.2 0.15 ! 0.05 0.0 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 < ■ _ 310 N g u y ễ n D i n h Đ ú c , Đ i n h V ă n Đạt , Đ ỗ N a m tro n g (ló ;/,v , vv dịch c h u y ê n theo p h n g nganiỉ pliư ơnu d ọ c độ v õ n g cù a điếm th u ộ c ( / = 1, , ) biến d n g m ặt giữa, c h ú n g th ỏ a m ãn p h n g m ặ i g iữ a c ù a tâm : trình tư n g th ích biến dạn g : C 'eị ẽ 's l _ ịr,' Ơr,clx2 ^ ổ ổ '\v ’ w iổXiClx,) (?‘ w (3.2) (?X|-0 : , ' T h e o kỹ th u ậ t tính g â n c ù a L ek h n istk y , quan hẹ nội lực - biến d n g đ ợ c viết [9]: s •V, = + ÕX •Va = A A (3.3) D Ễ L ■V/ - EAịZị y đó: ( , Z ) J = X n 1 _ Ắ _ i l i ) d z ■ụ , j = , ) {1, ^5 _ ' ^ ^ X D,J, ị đ ộ c ứ n g u ố n v độ c ứ n g m n g cù a đ ợ c tín h tốn th n g q u a h ằ n g số đ àn hôi củ a mồi lớp th e o p h n g p h p th u ầ n thất hóa Aị,A^ \à d iệ n tích g â n gia c n g tưoTig ứng theo p h n g trục JC,, , Ẽ m ô d u n đ n hồi c ù a gàn tư n g ứng th e o p h n g trụ c X|, Xj lị-, ỉ m ô m e n q u n tín h cù a m ặ t cát cù a gàn tư n g ứ n g th e o p h n g trục Xy,Xj í |.^2 k h o ả n g c c h g iữ a gân tư n g ứng theo p h n g trục X^,X2 P h in m g p h p giủ i theo hàm im g suất (p độ võng \v ; D o tâni chi c h ịu p lực trực g ia o với m ặt giữ a cù a , nên th e o V o lm ir bỏ q u a tru y ê n só n g t r o n g m ặ t g iữ a tấ m , c ó thể bỏ q u a lực q u n tính th e o p h n g X|,X , ( õ 'u u w, v _ ^ d 'v W ', P ị ~ — > , p ct , ót „ , [10]) Mặt khác, g iả thiết tâ m phản lớp với cách xêp lóp c o n i p o s ite đối x ím g nên J | = P h n g trinh c h u y ể n đ ộ n g đ ó c ó dạnsỉ: av, ^ cx, õx _ = 0; ỠA'^ ổx, ỠAs = 0; (3.4) 312 N g u v ễ n f ) ì nh í ) ứ c , Đ i n h V ă n Đạ t , Đ ỗ N a m niTT ' a ' mtĩĩt ưh Ỵ íí(0 ab / mn_\ tnrm' \ ^mrc'' l ) mnn’ + 2D ab mn 'n a , ah nfT +D ab fn 'ì nn B (3.11) Ỵ -ể(0 _b _ m~ J q+ ■^2^' mrìK' 3aố (3.10) +B n /(0 = tro n g hệ số: £-Ịr, 12 - ^ II ■ Êy4,r, + Í 22 m.n số lẻ C ác p h n g trìn h ( ) ,( 1 ) viết gọn dạng: ( 12) g{t ) = A f { t ) - B f - { t ) Hy f { t ) + H , - g ( t ) - H , ( t ) + H j { t ) = Q với c c hệ số ( / = ) C ác hệ số B’|líV(m.Ta)'* „ \ịnĩrbỴ / - B',ịmrr^abf Ltư J ~ B’ n/i Ị '•(,1 (m^ia)* + (.‘)m ~ 2A'^2)ị^mn7:^abỶ + 4,^ D 16m«;r^ ĩa^h^ị /1,’| (mTra)' +(/(« - 2A',,^(^mnĩr^abf +A'„{n^b)* =■ - — - — - / _ N-* /y,= D„ — \' a J +20:, _ 8míi;r^ LT / \ / _2 / ^ [\ aờ J/ { ó J / \ „ / \* = B m/r - b; x**1 mnTT ab + ổ, ab ' 3ứỡ rir hệ p h n g trình ( 12 ) ta đ ợ c p h n g trình với / ( ' ) lâ: Phưcmg trìn h d a o đ ộ n g c ù a dư i dạn»: / ( í) + m, /■(/)- ;n, / ' ( r) + , / ' ( r) = /) (3.13) Vơi ký hiệu: ( 3, 14) H, ' H, ’ H, Vơi dao đ ộ n g tự t u y ế n tính p h n g trình cỏ dạng: ' H, 314 Hình Dáp ứng phi tuyến cùa compposite trường hợp cố định tỷ lệ sợi Hinh 3, Đáp ứng phi tuyến cúa composite trường hợp cố định tỷ lệ hạt u X Case £ i(P a ) fi(P a ) 1^12 ^ 2i ( P a ) ^23(P a) ^ r 5481934848 2451659264 ,8 516984000 740132992 '"E ^ 5550849024 2588547072 551120768 787443904 I 5623780352 2731716608 587351424 837506176 5701103616 2881684736 6 625876480 890575488 5783241216 3039025152 0.7251 666923264 946940800 5870671872 3204375808 710749888 100 692972 5963940864 3378449408 0.6 757651904 070 91 8 18 2 1973614080 0.3 8 691021696 691021696 2807303680 2267932160 0.5071 685804672 746263872 10 3796836608 2524809216 6 680099648 806775488 11 4788826624 2777207296 6733 673834752 873348224 12 5783241216 3039025152 0,7251 666923264 946940800 13 6780050432 3318679808 0.7593 659259648 1028725376 14 7779223552 3622964224 0.7781 650714112 1120150400 í l 'ị, Oít I I ỵ s 'ũ, ■■n s L ou ^ 'Ễ ^ ẵ E 1^) ễ c 3.Calculating result for pipe’s stress-strain S.l.Stress calculation: W e d iv id e d th e a b o v e c o m p o s ite p ip e into 736 p oints vvith 344 s q u a re ele m e n ts In this r e p o n , stress-stra in w a s c a lc u la te d w ith r e g a r d s to the d e p e n d e n c e on c o m p o s ite m a te r ia l’s es sen tial p a m e te rs for ex a m p le : R atio o f c o m p o s itio n cro ss w p a n e t e o f r ein fo rced fiber n u m b e r o f layers or c o m p o s ite p i p e ’s vvall th ic k n es s 1.I.C h an ging the tìo o f p a rticle a n d fib e r C h a n g e th e p ro p o rtio n o f c o n s titu e n t a l t e m a ti v e ly as in T a b le 2, an d c h a n g e the vvall to , an d layers T h e stress State result is sh o w n in belovv graph: 1 ,1 Pipe w ith layers In this case, the c r o ss w p a n g le o f r e in ĩ o r c e d fiber is [ /4 /-4 /4 /-4 /9 ], a n d ea ch layer is I n im thick W ith layers pipe, fiber in ftu en ces sig n ifica n tly on the stress State bv diam eter and insigniticantly on the stress State bv angle R e v e rse ly , particle in íluences considerably on stress State by a n g le a n d in c o n sid e b ly o n stress State b v d ia m eter, 1 ,W ith layers pipe In this case, the cro ss w p a n g le o f r e in f o r c e d íìb e r is [ /4 /-4 /4 /-4 ], a n d pipe is m m thick W ith layers pipe ĩiber intluences sig n ific a n tlv on the stress State by dianieter and in sig n itic a n tly on the stress State by angle R e v e r s e ly , p article inA uences c o n s id e r a b l y on stress State b> a n g le and in c o n s id e r a b ly on stress State by d iam eter 1 3,W ith layers pipe In this case the cro ss vvrap a n g le o f r e in t b r c e d fiber is [0/4 5/-45/90], a n d pipe is m m thick 324 Ng i i y e n Di nh l ) uc , Ho Q u a n g S a n g , D a o X u a n N g u y e n an glc Betvveen co n s titu e n ts, tlbe r has m ore etTect on p ip e 's resistan c e b e c a u s e w h en the n b e r p r o p o rtio n increases, the elastic m o d u iu s also increase wiih a hig h e r value 2.c'hanging the cross wrap angle offìb er: (.'hange the r e in f o r c e d f ib e r 's cro ss w p an g le from 10° to 90°, c h a n g e all the layers [a/a/W-;ưcií'-a] in c a s e o f la yers pipe; c h a n g in e all the layers [a/-a/a/-a7a] in c a s e o f layers pipe a n d c h a n g in g all the lavers [a/^-a/V-a] in case o f layers pipe T h e c a lc u la tin g result o f stress State c h a iig e s are shovvn in beỉovv P igure I an d 12 Stress State by diameter when changing the Stresỉ State by angle when changing the cross cr05swrap angle of fiber wrap angleot fiber 1Ũ0Í.C6 Figure ỊI Stress State by diameter when changing the cross wrcip angle o f fĩber - - Figure 12 Stress State by angle when changing the Jĩber ’s cross wrap angle W hether the pipe has 6, or layers, stress State by diam eter decreases w hen we increase cro s s vvmp an g le an d is m a x im iz e d w h en this angle is 10° It a lm o s t v a n is h e s w h e n the cro ss w r a p a n g le is 90° W hether the pipe has 6,5 or lavers, stress State by anale increases w hen the cross wrap a n g lc increases T h is stress State a l m o s t v a n is h e s vvhen t h i s angle is 0° a n d m a x im iz e s w h e n this a n g lc is 90° S tre ss State by d ia m e t e r v aries directly vvith cross vvrap angle and stress State by an g le varies in v e rse ly w ith cro ss w r a p angle W h ile o n e is at m a x im u m , the o th e r at m in i m u m and vice versíi A s tlie c ro ss vvrap angle ran g e s from 0° - 90°, in ord er for the striicture to h av e the m ost reasonable stress State, the cross vvrap angle should lie betw een 40°-50° 3.2.Strain Calcuỉation 3.2 l.C h a n g in g the ratio o f p a rticỉe andỷìher: ( r h a n g e th e p r o p o rtio n o f c o n s titu e n t a ltern ativ elv as in T ab le W ith layers pipe, cross vvrap a n g le s are [ /4 /-4 /4 /4 /9 ], wall th ic k n e s s is mm, T h e strain v a lu e s are d es crib ed in belovv eraph: 3.2.1 , l W i t h lavers pipe H ere, the c ro ss vvrap an gles are [0 /4 /-4 /4 /-4 /9 ], pipe is m m thick A s th e fiber p r o p o rtio n increases, the strain bv d ia m e te r d ec reases, and b y a h ig h e r value A s th e p article p r o p o rtio n increases, strain by d ia m e te r decreases, but w ith a lo w e r value A s th e Tiber p r o p o rtio n in creases, strain bv a n c le decreases but by a lo\v value As the particlo p ro p o rtio n increases, strain b> a n e le dec reases bv a hitỉher value 326 N g u y e n Di nh Duc, H o Q u y n g S a n g , D a o X u a n N g u y e n in tliie n ce s sig n ific a n tly on strain by angle In o rd e r to h av e a s im u lta n e o u s ly se n sib le strain by d ia n ie te r an d a n g le , the m a tr ix p r o p o rtio n should be % , fiber an d particle p r o p o rtio n s are % _ _ J i a n d % respectivelv strain State by diam e ter ũ f la y e n pipe w h en changing strain State by angle of la y e n pipe when changing the ttie proportion o f particle and fiber proportlon o f particle and fib e r O oct*^x ss ;o«i ;sw :os ;s» ion C0€04 -rí»-BJ5C(>ror s ts «00f^ —‘h t ’ s r o o o n ^ ỉ íxtd sf»ea 0^ H g u re 17 Strain by diameter when changing the proportion o f particle andfiber 5% :o% 15H :.: jh :5% jo% Figure 18 Strain by angle o /4 layers pipe when changing the proportion ofparticle andfìber 3.2.2.C h angin g the f i b e r ’s cro ss w rap angle: C h a n g e all th e la yers [a/'-a;'a/-a/a/-a] with la yers pipe, c h a n g e all th e layers [dJ-aJdJ-aJã\ w ith layers p ip e , c h a n g e all th e layers [a/-a/a/-a] vvith la yers pipe T h e strain o f pipe are s h o w n in b e lo w graph: In all tlư e e c a s e s o f 6, a n d iayers, strain by d ia rn e te r is at m in iin u m vvhen the c r o ss w p a n g lc n g e s fro m °-6 °, a n d is at m a x im u m in 10° and 90° Strain State by diameter when changing the Strain State by díam eter when changing the crossw rapangleoffiber crossvvrapangle o f fiber Dôô - ã ã S ÌM ' QM oot i ¥ft' pp< H gure 19 Strain hy angle when changing the cross wrap angle Fìgure 20 Strain by angle when changing the cross wrơp angle In all three c a se s o f 6, and layers, strain by angle is at m in im u m w h e n the c ro s s w rap an gle ran g e s fro m °-5 °, an d is at m a x im u m in 10° and 90° In all three cases, it is c le a rly seen that strain b> d ia m e te r an d an g le are m in im iz e d vvhen the cross v,rap an g le r a n ẹ e s from 40 °-5 ° I h crefore, the rein fo rced fib er sho uld be u inded in this r a n a e to o p tim iz e the sa fe tv in opera tio n ĐẠI HỌC QƯÓC GIA HÀ NỘI TR ƯỜ NG ĐẠI HỌC C ÔN G N GHỆ Đinh Văn Đạt P H Â N T ÍC H P H I T U Y É N Đ Ộ N G Lực H Ọ C T Ấ M C O M P O S IT E P O L Y M E P H A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơ học Kỹ thuật Cán hướng dẫn: Th.s Nguyễn Cao Sơn PGS.TSKH Nguyễn Đình Đức H À N Ộ I - 2012 ... 0 .34 47 oTi 0 .37 73 ^ 0 ,36 50 0 .35 3 0 .34 11 0.15 0 .37 27 0 .36 07 0 .34 89 0 .33 72 0.2 0 736 76 0 .35 59 0 .34 44 0 .33 30 0.25 0 .36 20 0 .35 06 0 .33 94 0 .32 83 0 .3 0 .35 57 0 .34 46 0 .35 0 .34 85 0 .33 78 ^ 3 0 .32 31 0 .31 71... tập trung nghiên cứu tính chất Ìãn nở nhiệt composite m»t đặc trưng quan trọn cần xét đến nghiên cứu loại vật liệu Gà thiết, c c pha vật liệu c o m p o site ba pha g m pha sợ i, pha nền, pha hạt... đến nghiên cứu cùa cáe nhà hóa học vật lý viíC chế tạo nghiên cứu vật liệu composite pha năm gần đâv N ăm 20 03, Z.A D ang đă nghiên cửu khả ứng dụng trone lĩnh vực vi điện tử (micro ehctronic) vật