Ứng xử của tấm composite khi chịu va chạm vận tốc thấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Ứng xử composite chịu va chạm vận tốc thấp PHẠM VĂN MƯỜI phammuoi.bk60@gmail.com Ngành Kỹ thuật Hàng Không Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thị Tuyết Nhung Bộ môn: Viện: Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ Cơ Khí Động Lực HÀ NỘI, 9/2021 Lời cam kết - Đây báo cáo thực Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Các đoạn trích dẫn số liệu kết sử dụng để so sánh báo cáo dẫn nguồn có độ xác cao phạm vi hiểu biết Lời cảm ơn Tôi xin cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không – Đại học Bách khoa Hà Nội tận tâm bảo nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt thời gian làm việc phịng Thí nghiệm C8-206 T-207 thời gian thực làm luận văn Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến TS Lê Thị Tuyết Nhung PGS.TS Vũ Đình Q cơng tác trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, hướng dẫn đưa lời khuyên để giúp tơi hồn thành luận văn Tơi vơ biết ơn trận trọng nhiệt tình, khơng quản ngại khó khăn, lắng nghe, theo dõi, bảo, hướng dẫn cách tận tâm suốt thời gian thực thực luận văn Tôi cảm ơn bạn sinh viên khóa 61,62 phịng thí nghiệm mơn Kỹ thuật Hàng khơng-Trường đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ trình làm luận văn Lời cuối cùng, tơi xin cảm gia đình tơi Họ ln động lực tạo điều kiện cho an tâm học tập hoàn thiện báo cáo Xin chân thành cảm ơn! Phạm Văn Mười 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: Phạm Văn Mười Đề tài luận văn: Ứng xử composite chịu va chạm vận tốc thấp Chuyên ngành: Kỹ thuật hàng không Mã số SV: 202028504M 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 04-092021 với nội dung sau: Chỉnh sửa lỗi tả Chỉnh sửa lỗi chế văn phong Thêm tóm tắt tiếng anh Chỉnh sửa mục tài liệu tham khảo theo quy định Bỏ tô vàng trang 44 Ngày 15 tháng 09 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Lê Thị Tuyết Nhung Phạm Văn Mười CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Hoàng Thị Kim Dung Mẫu 1c ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐỀ TÀI: Ứng xử composite chịu va chạm vận tốc thấp Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Tóm tắt báo cáo Nhờ tăng trưởng đáng kinh ngạc sức mạnh số suốt 20 năm qua, tính tốn số đạt ngày nhiều thành công lĩnh vực thiết kế kết cấu composite, thành phần cấu tạo nên composite chế phá hủy phức tạp chúng Một phương diện đáng quan tâm trình va chạm với vận tốc thấp composite phẳng Tuy nhiên, việc mơ hình hóa phá hủy vật liệu va chạm không gian chiều hệ cịn thách thức Đó thơng số vật liệu composite, thông số bề mặt liên kết chung (giữa lớp composite), tiêu chuẩn phá hủy, kỹ thuật mô số chưa củng cố cách chắn Trong báo cáo này, phương pháp tiên tiến dùng cho mô phần tử hữu hạn (Abaqus/Explicit) sử dụng để dự đoán ứng xử composite phẳng chịu va chạm vận tốc thấp Và tương lai, phương pháp thay thí nghiệm với mẫu vật thực nhiều ngành công nghiệp khác Tấm composite mô hình hình hóa phần tử rắn Giữa có hướng sợi khác nhau, phần tử keo dùng để mô tách lớp Kết báo cáo tương đồng tốt so sánh, đối chiếu nguồn tài liệu tham khảo Từ khóa: Composite, Phần tử keo, Va chạm, Tách lớp Abstract Modeling three-dimensional impact damage and its consequences is still a challenge This is because composite material properties, interface properties, failure criteria, and numerical techniques are still not well established Here, this study, a flat laminated composite plate subjected to low-velocity impact with consideration of delamination damage based on Cohesive Model Zone (CZM) is investigated by Finite Element Analysis (FEA) A graphite/epoxy composite specimen has been modelled by using solid elements for each layer Between each layer which have different fiber direction, cohesive elements have been used to model delamination First, to verify the delamination damage model, CZM approach is used in an impact test of small energies The influence in the different impact energy levels and different fiber orientations on the numerical results are reported along with real experimental data from literature According to the available experimental, the present simulation results are good agreement Keywords: Composite, Cohesive Element, Impact, Delamination MỤC LỤC Lời cam kết Lời cảm ơn Tóm tắt báo cáo DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC VIẾT TẮT CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề 1 1.1.1 Hoàn cảnh 1.1.2 Va chạm vật liệu composite 1.1.3 Các nghiên cứu toán va chạm 1.1.4 Phương pháp tiếp cận 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Bố cục báo cáo DATN CHƯƠNG II: CÁC TIÊU CHUẨN BỀN VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ KEO 2.1 Thiệt hại xảy lớp composite (intralaminar failure) 2.2 Thiệt hại xảy lớp composite (interlaminar failure) 2.2.1 Hiện tượng khởi đầu phát triển thiệt hại tách lớp 2.2.2 Mơ hình miền keo (CZM) tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại 10 2.3 Mơ hình cân lượng 13 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TÁCH LỚP COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ KEO 14 3.1 Giới thiệu chung 14 3.1.1 Bố trí lớp composite phần tử keo 15 3.1.2 Đặc tính vật liệu 16 3.1.3 Liên kết ràng buộc 16 3.1.4 Điều kiện biên 3.1.5 Phần tử phương pháp bố trí phần tử 3.1.6 Phương pháp giải 3.2 Tính chất phần tử keo 3.2.1 Phương pháp xác định tính chất phần tử keo thứ I 3.2.2 Phương pháp xác định tính chất phần tử keo thứ II 3.2.3 Lựa chọn phương pháp tính tốn tính chất phần tử keo 17 18 19 20 21 21 21 3.3 Mơ hình thực nghiệm 3.4 Đánh giá mơ hình 3.5 Phân tích thiệt hại tách lớp 22 24 29 3.5.1 Thiệt hại tách lớp với mức lượng khác 3.5.2 Kích thước tách lớp với góc đặt sợi khác 31 33 CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT PHẦN TỬ KEO 37 4.1 Các chế độ phá huỷ vật liệu 37 4.1.1 Phá huỷ theo Mode I 4.1.2 Phá huỷ theo Mode II 37 38 4.1.3 Phá huỷ theo Mode III 4.1.4 Phá huỷ theo Mixed-Mode 39 39 4.2 Thí nghiệm với DCB ENF 4.2.1 Mơ hình thí nghiệm DCB 4.2.2 Mơ hình thí nghiệm ENF 40 40 40 4.3 Xác định tính chất phần tử keo 4.3.1 Xác định độ cứng bề mặt composite (Kss, Ktt, Knn) 41 42 4.3.2 Xác định lượng phá huỷ (Gc) 43 4.3.3 Xác định độ bền bề mặt liên kết chung (N, T, S) 43 4.4 Ứng dụng mơ hình R.K LuO et al., [4] KẾT LUẬN 44 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mơ hình cơng trình Aymerich et al., [3](a) R.K Ruo [4](b) Hình 2: Đồ thị miêu tả định luật thể mối quan hệ Hình 3: Mơ hình phần tử keo ba chiều (3D) Hình 4: Tensor ứng suất thể tách lớp 11 12 Hình 5: Mơ hình mơ theo mơ hình Aymerich et al., [3] Hình 6: Cách bố trí hướng sợi lớp keo composite 14 15 Hình 7: Hướng sợi bố trí composite 900 15 Hình 8: Bề mặt tác động thâm nhập vào bề mặt bị tác động 16 Hình 9: Ràng buộc cứng lớp composite lớp keo tương ứng Hình 10: Điều kiện biên sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn 17 18 Hình 11: Phân bố phần tử vật va chạm 18 Hình 12: Phân bố phần tử composite 0o 19 Hình 13: Phân bố phần tử lớp keo 19 Hình 14: Sự tương đồng tốt kết thực nghiệm mơ 22 Hình 15: Mẫu composite bệ đỡ (a), phân bố kích thước ngàm composite (b) [10] 23 Hình 16: Ảnh chụp X-Quang hình dạng tách lớp (thí nghiệm Aymerich [3]) 24 Hình 17: Hình ảnh mơ hình số Hình 18: Mối quan hệ động – thời gian va chạm Hình 19: Mối quan hệ vận tốc – thời gian va chạm Hình 20: So sánh mối quan hệ lực – thời gian va chạm với Hình 21: Hình dáng miền tách lớp giống củ lạc Hình 22: Mối quan hệ chuyển vị – thời gian trình Hình 23: Chuyển vị composite Hình 24: Diện tích tách lớp báo cáo nhóm Aymerich [3] Hình 25: Điều kiện biên cho mơ hình bị cắt 1/4 mơ hình ban đầu 24 25 25 26 28 29 29 31 32 Hình 26: So sánh chiều dài tách lớp với mức lượng khác Hình 27: Diện tích tách lớp với mức lượng lớn (6.0J, 5.1J, 3.9 J) Hình 28: Diện tích tách lớp với mức lượng nhỏ (3.1J, 2.1J, 1.0J) Hình 29: Chiều dài tách lớp với góc đặt sợi khác Hình 30: Chiều rộng tách lớp với góc đặt sợi khác 32 33 33 34 34 Hình 31: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 30o A, 45o(B) 35 Hình 32: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 60o C, 75o(D) 36 Hình 33: Các chế độ phá huỷ vật liệu Hình 34: Mơ hình thí nghiệm DCB Hình 35: Mơ hình thí nghiệm ENF 37 38 38 Hình 36: Mơ hình thí nghiệm Mixed-mode Hình 37: Mơ hình thực nghiệm DCB [15] 39 40 Hình 38: Hình ảnh thể thơng số thí nghiệm DCB Hình 39: Mơ hình thực nghiệm ENF [16] Hình 40: Các thơng số mơ hình thực nghiệm ENF 40 41 41 Hình 41: Mơ lại mơ hình R.K LuO et al., [4] Hình 42: Biến thiên chuyển vị U3 theo thời gian 42 44 Hình 43: Biến thiên biến dạng LE 2-2 theo thời gian Hình 44: Biến thiên ứng suất S22 theo thời gian 45 46 Hình 45: Biến thiên lực tương tác theo thời gian 46 Luận văn thạc sĩ Hình 31: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 30𝑜 (𝐴), 45𝑜 (𝐵) 37 Luận văn thạc sĩ Hình 32: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 60𝑜 (𝐶 ), 75𝑜 (𝐷) Nhận xét: Dựa vào đồ thị hình ảnh xoay hướng sợi khác nhau, ta thấy hình ảnh diện tích tách lớp thay đổi Với hướng sợi 45𝑜 , chiều rộng vết tách lớp nhỏ Với hướng sợi 60𝑜 , chiều dài tách lớp ngắn Đây điều cần quan trọng cần ý để để lựa chọn vật liệu áp dụng thực tế liên quan đến composite 38 Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT PHẦN TỬ KEO Phần trình bày quy trình xác định thơng số phần tử keo Vì thơng số phần tử keo quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kết q trình dự đốn thiệt hại nên cần có quy trình xác định rõ ràng tối ưu Khi có quy trình xác định thơng số rút ngắn thời gian giải vấn đề Các thơng số ảnh hưởng đến độ xác tính chất phần tử keo đề cập đến lưu ý cho người sử dụng phương pháp phần tử keo Để kiểm chứng phương pháp xác định phần keo, kết phần báo cáo so sánh với kết nghiên cứu R.K LuO [4] 4.1 Các chế độ phá huỷ vật liệu Các chế độ (mode) phá huỷ đối để đánh giá tượng tách lớp: chế độ Opening (Mode I), chế độ phá huỷ Sliding shear (Mode II), chế độ phá huỷ Tearing shear (Mode III) chế độ phá huỷ hỗn hợp (mixed – mode) Các tính chất phần tử keo yếu tố chi phối khởi đầu phát triển thiệt hại tách lớp (ví dụ độ bền phá huỷ, độ bền bề mặt liên kết chung, …) kết hợp với số đàn hồi vật liệu thu thí nghiệm liệu đầu vào việc phân tích lan truyền vết nứt Các chế độ phá huỷ vật liệu trình bày Hình 33 Hình 33: Các chế độ phá huỷ vật liệu 4.1.1 Phá huỷ theo Mode I Sự tách lớp điểm yếu lớn vật liệu composite nhiều lớp dạng việc xác định độ bền vật liệu gia cường sợi kiểu phá huỷ lớp tải tĩnh tải động quan trọng nhằm mục đích xác định dung sai cho phép q trình thiết kế kết cấu Mẫu thí nghiệm sử dụng để xác định độ bền phá huỷ bên lớp Mode I (𝐺𝐼𝑐 ) mẫu Doublecantilever beam (DCB) trình bày Hình 34 Mẫu thí nghiệm 39 Luận văn thạc sĩ tạo từ composite đẳng hướng gia cường sợi chứa vết nứt mặt phẳng trung gian, bên cạnh vị trí chịu tải Hình 34: Mơ hình thí nghiệm DCB Sự tách lớp cấu trúc composite xảy bề mặt liên kết chung lớp với hướng sợi khác thay gồm lớp đơn hướng 00 Nhiều kết báo cáo vật liệu composite đơn hướng hầu hết có giá trị 𝐺𝐼𝑐 Do đó, đặc điểm quan trọng để tính độ bền phá huỷ bề mặt liên kết chung lớp với hướng sợi khác 4.1.2 Phá huỷ theo Mode II Có mẫu thí nghiệm kiểm tra để đánh giá độ bền phá huỷ bên lớp composite tải trọng Mode II, là: mẫu thí nghiệm dạng End notched flexure (ENF), mẫu thí nghiệm dạng Stabilized end notched flexure (SENF), mẫu thí nghiệm points notched flexure specimen (4ENF) mẫu thí nghiệm End loaded split specimen (ELS) Trong mẫu thí nghiệm ENF sử dụng phổ biến để tìm độ bền bề mặt ban đầu vật liệu thể Hình 35 Tuy nhiên, ENF xảy vấn đề tính khơng ổn định phát triển vết nứt lần thí nghiệm mà chiều dài vết nứt ngắn Bộ phận điều khiển tải trọng phản hồi thiết bị thí nghiệm ENF sử dụng để làm ổn định lại trình phát triển vết nứt Như trường hợp thí nghiệm lan truyền vết nứt DCB mục trên, thí nghiệm kiểm tra ENF thực để tính tốn độ bền phá huỷ 𝐺𝐼𝐼𝑐 lớp Mode II Hình 35: Mơ hình thí nghiệm ENF 40 Luận văn thạc sĩ 4.1.3 Phá huỷ theo Mode III Hầu hết nghiên cứu để tìm lượng phá huỷ lớp composite thực thí nghiệm chịu tải thí nghiệm DCB (Mode I) ENF (Mode II) Thí nghiệm kiểm tra tách lớp Mode III thực để thu xác đặc trưng trình tách lớp Ảnh hưởng mô - đun cắt 𝐺23 giá trị độ bền phá huỷ Mode III nghiên cứu O’Brien [14] 𝐺23 điều kiện cần cho việc phân tích tốn việc xác định giá trị phải thực toán thực nghiệm với điều kiện phức tạp, chúng khó thực ENF DCB Hầu hết nghiên cứu trước giả thiết kết 𝐺23 = 𝐺12 đánh giá không thay đổi chiều dài tách lớp ban đầu 4.1.4 Phá huỷ theo Mixed-Mode Mơ hình thường sử dụng cho chế độ phá huỷ hỗn hợp mẫu thí nghiệm Mixed-mode bending (MMB) trình bày hình 36, thí nghiệm đưa ban đầu Reeder Crew [11].Mơ hình thí nghiệm điều chỉnh thiết kế lại để giảm phi tuyến hình học Điểm mạnh phương pháp thí nghiệm MMB sử dụng mẫu thí nghiệm giống với mẫu thí nghiệm Mode I từ điều khiển thí nghiệm mixed-Mode việc thay đổi tỉ lệ hỗn hợp chế độ (mixed-mode) từ Mode I đến Mode II Các tỉ lệ mixed mode khác đo lường vị trí tải đặt vào điểm (hay gọi cánh tay tải trọng) thay đổi Hình 36: Mơ hình thí nghiệm Mixed-mode 41 Luận văn thạc sĩ 4.2 Thí nghiệm với DCB ENF 4.2.1 Mơ hình thí nghiệm DCB Mơ hình thí nghiệm DCB thể hình dưới, thấy hai vị trí đặt lực áp dụng đầu composite có xu hướng mở rộng vết nứt Vì composite mỏng, khó để cố định vị trí đặt lực bề mặt nên cần dán hai mấu trụ, khoan lỗ ràng buộc với đầu kéo bu lông trụ nhỏ Tại vị trí ràng buộc này, đầu kéo di chuyển theo phương Y mấu trụ di chuyển với đầu kéo theo phương Y xoay quanh trục Z Kết đường đồ thị thể mối quan hệ lực – chuyển vị thu xử lý máy tính, camera quay chậm để bắt hình ảnh tách lớp Hình 37: Mơ hình thực nghiệm DCB [15] Hình 38: Hình ảnh thể thơng số thí nghiệm DCB 4.2.2 Mơ hình thí nghiệm ENF Khác với mơ hình DCB, thí nghiệm ENF, composite gối lên đầu chịu tác dụng thanh, kích thước tương tự với mơ hình thực với DCB 42 Luận văn thạc sĩ Hình 39: Mơ hình thực nghiệm ENF [16] Hình 40: Các thơng số mơ hình thực nghiệm ENF 4.3 Xác định tính chất phần tử keo Trong nghiên cứu đưa phương pháp xác định ứng xử composite (nghiên cứu đưa ví dụ cho mơ hình R.k LuO et al., [4]) Các kết thu so sánh với kết thực nghiệm Tính chất vật liệu composite R.K LuO [4]: MPa, ,, Trong đó, = 𝐸11 , 𝐸22 , 𝐸33 mô = đun Young, 𝐺12 , 𝐸23 , 𝐸13 mô đun cắt vật liệu, 𝑣12 𝑣23 , 𝑣13 hệ số Poison Lý đưa việc sử dụng 43 Luận văn thạc sĩ tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại báo cáo khác với tiêu chuẩn đánh giá mơ hình Aymerich [3] Tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại khơng có sẵn phần mềm ABAQUS (đã giới thiệu chương II) Aymerich sử dụng thơng qua chương trình VUMAT nhằm xác định thiệt hại tách lớp Cohesive Composite Hình 41: Mơ lại mơ hình R.K LuO et al., [4] 4.3.1 Xác định độ cứng bề mặt composite (Kss, Ktt, Knn) Các tính chất đàn hồi hiệu dụng composite chịu ảnh hưởng bề mặt kết dính với giá trị 𝐸33 ≪ 𝐾𝑡 [17] Camaho Matthews [18] thu kết phù hợp với thực nghiệm sử dụng giá trị K khoảng 106 𝑁/𝑚𝑚3 , nhóm nghiên cứu Zou [19] đề xuất khoảng giá trị cho độ cứng bề mặt liên kết chung, cụ thể gấp 104 đến 107 lần giá trị độ bền bề mặt liên kết chung (interfacial strength) đơn vị chiều dài Nhóm nghiên cứu Turon [17] đề xuất phương trình PT 11 để tính tốn giá trị xấp xỉ độ cứng bề mặt liên kết chung chứng minh cho kết phù hầu hết phương pháp khác 𝛼𝐸3 PT 11 𝑡 Trong PT 11, 𝐸3 mô – đun đàn hồi theo phương chiều dày vật liệu 𝐾= composite, t chiều dày lớp lân cận có liên kết với bề mặt lớp kết dính 𝛼 hệ số gia tăng trung bình thường có giá trị 50 Một phương án khác đưa để tính tốn độ cứng ban đầu lớp keo nhóm nghiên cứu Camaho đề xuất dựa vào số đàn hồi vật liệu làm composite 𝐸𝑛ề𝑛 𝐺𝑛ề𝑛 độ dày lớp keo giả thiết phù hợp Phương pháp tóm tắt sau: Độ cứng xấp xỉ phần tử keo tỉ số 44 Luận văn thạc sĩ số đàn hồi chiều dày lớp keo, thể PT 12 PT 13 đây: 𝐾𝐼 = 𝐾𝐼𝐼 = 𝐸𝑛ề𝑛 PT 12 𝑡𝑙ớ𝑝 𝑘𝑒𝑜 𝐺𝑛ề𝑛 PT 13 𝑡𝑙ớ𝑝 𝑘𝑒𝑜 Trong K độ cứng ban đầu lớp keo, t chiều dày lớp keo => Báo cáo sử dụng phương pháp Turon [17] để xác định độ cứng bề mặt lớp keo K Theo PT 14: 𝐾= 𝛼×𝐸3 𝑡 = 50×9.2 2.16 16 = 3407 ( 𝐺𝑃𝑎 𝑚𝑚 ) = 3407 ( 𝑁 𝑚𝑚3 ) PT 14 4.3.2 Xác định lượng phá huỷ (𝐺𝑐 ) Độ bền phá huỷ 𝐺𝑐 phải xác định từ thực nghiệm thơng qua mơ hình DCB and ENF Việc tiến hành thí nghiệm cần có thiết bị ghi chép lại trình diễn tách lớp (good-quality camera) đường đồ thị tải – chuyển vị (loaddisplacement curve) Có nhiều tiêu chuẩn để đưa giá trị độ bền phá huỷ Trong báo cáo giá trị 𝐺𝑐 ban đầu tính tốn lý thuyết tiêu chuẩn Griffith et al., sau: 𝐺𝑐 = (1 − 𝑣 ) 𝐾𝑐 𝐸 , v hệ số poisson PT 15 => Giá trị lý thuyết 𝐺𝑐 ≈ 72848 N/mm Giả thiết giá trị lượng phá huỷ 𝐺𝐼𝐼𝑐 = 𝐺𝐼𝐼𝑐 = 𝐺𝐼𝐼𝐼𝑐 theo gợi ý số tài liệu tham khảo [15], kết tổng hợp bảng 10 4.3.3 Xác định độ bền bề mặt liên kết chung (N, T, S) Hầu hết nghiên cứu trước liên quan đến phần tử keo không đưa phương pháp cụ thể để xác định giá trị thông số N, T S Một số tác giả chọn giá trị N, T, S vật liệu composite; số nhà nghiên cứu lại chọn giá trị cao thấp độ bền vật liệu composite Theo nghiên cứu Zuo et al., [19] giá trị độ bền bề mặt liện kết chung (interfacial strength) đơn vị chiều dài nhỏ 104 đến 107 lần độ cứng bề mặt liên kết chung (K) => Báo cáo đưa thông số N, T, S tối ưu bảng bảng 10 4.4 Ứng dụng mơ hình R.K LuO et al., [4] Bảng 10 đưa kết tổng hợp thông số lớp keo với trường hợp ứng suất danh nghĩa (được bơi vàng) áp dụng cho mơ hình L.K RuO [4] Bảng 10: Các thông số lớp keo cho mơ hình R.K LuO [4] 45 Luận văn thạc sĩ Độ cứng TH TH TH TH4 𝐾𝑛𝑛 (𝐾𝐼 ) GPa/mm 3407 3407 3407 3407 𝐾𝑠𝑠 (𝐾𝐼𝐼 ) GPa/mm 3407 3407 3407 3407 𝐾𝑡𝑡 (𝐾𝐼𝐼𝐼 ) GPa/mm 3407 3407 3407 3407 0.09 0.045 0.015 0.005 Ứng suất danh nghĩa phương cắt I (T) GPa 0.09 0.045 0.015 0.005 Ứng suất danh nghĩa phương cắt II (S) gPa 0.09 0.045 0.015 0.005 Năng lượng phá hủy chế độ (J/𝑚𝑚2 ) 72848 72848 72848 72848 Năng lượng phá hủy phương I (J/𝑚𝑚2 ) 72848 72848 72848 72848 Năng lượng phá huỷ phương II (J/𝑚𝑚2 ) 72848 72848 72848 72848 Kích thước phần tử (mm) 0.2 0.2 0.2 0.2 Các chế độ thiệt hại Ứng suất danh nghĩa pháp tuyến (N) GPa Sự phát triển thiệt hại 1) Mức lượng 0.037J Hình 42: Biến thiên chuyển vị U3 theo thời gian Có thể thấy, đường đồ thị thực báo cáo có xu hướng phát triển chậm so với thực nghiệm (phương diện thời gian) Lý đưa việc sử dụng tiêu chuẩn để tính tốn thơng số phần tử keo (độ cứng K độ bền 46 Luận văn thạc sĩ phá huỷ G) chưa hoàn tồn phù hợp với tính chất composite R.k LuO et al., [4] Hình 43: Biến thiên biến dạng LE 2-2 theo thời gian Tại mức lượng 0.037 J, giá trị N, T, S chọn có xu hướng tương đồng so với thực nghiệm, nhiên kết báo cáo xu hướng bị trễ thực nghiệm (phương diện thời gian) Lý đưa việc sử dụng tiêu chuẩn để tính tốn thơng số phần tử keo (độ cứng K độ bền phá huỷ G) chưa hồn tồn phù hợp với tính chất composite R.k LuO et al., [4] Sai số biến dạng LE 2-2 tương ứng đỉnh đồ thị đỉnh thứ hai (được khoanh đỏ đồ thị) 3,16% 9.3% 2) Mức lượng 0.3J Hình 44: Biến thiên ứng suất S22 theo thời gian 47 Luận văn thạc sĩ Tại mức lương 0.3 J, giá trị N, T, S chọn có xu hướng tương đồng so với thực nghiệm Tuy nhiên, ban đầu đường xu hướng trùng nhau, sau kết báo cáo xu hướng chậm thực nghiệm Lý đưa việc sử dụng tiêu chuẩn để tính tốn thơng số phần tử keo (độ cứng K độ bền phá huỷ G) chưa hoàn tồn phù hợp với tính chất composite R.k LuO et al., [4] Sai số ứng suất S22 (N=T=S=0.045Gpa) tương ứng đỉnh đồ thị đỉnh thứ hai (được khoanh đỏ đồ thị) 5,8% 26.94% 3) Mức lượng 0.59J Ta xét thêm trường hợp lực tương tác theo thời gian so sánh với trường hợp không dùng phần tử keo mô số, kết Hình 45 Đường đồ thị báo cáo có xu hướng tương đồng so với thực nghiệm, nhiên kết báo cáo xu hướng chậm so với kết không sử dụng phần tử keo (phương diện thời gian) Lý đưa việc sử dụng tiêu chuẩn để tính tốn thơng số phần tử keo (độ cứng K độ bền phá huỷ G) chưa hoàn toàn phù hợp với tính chất composite R.k LuO et al., [4] Hình 45: Biến thiên lực tương tác theo thời gian 48 Luận văn thạc sĩ KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu nghiên cứu hướng dẫn nhiệt tình thầy mơn, luận văn hồn thành u cầu đặt ra, cụ thể nhiệm vụ sau: Thứ nhất, báo cáo tìm hiểu xu hướng sử dụng vật liệu composite, ưu nhược điểm loại vật liệu Báo cáo tập trung vào toán va chạm tốc độ thấp vật liệu composite, mơ lại q trình va chạm cầu thép với composite, so sánh với thực nghiệm mô Aymerich [3], đưa kết chuyển vị, thiệt hại tách lớp mức lượng từ 1J – 7J phương pháp phần tử keo Các kết cho thấy mô hình báo cáo phù hợp tương đồng với nghiên cứu Aymerich et al., [3] Thứ hai, luận văn đưa ảnh hưởng hướng sợi diện tích thiệt hại tách lớp Thứ ba, luận văn phương pháp xác định tính chất phần tử keo cho tốn va chạm Kết có xu hướng tương đồng với nghiên cứu L.K RuO [4] Phương pháp phần tử keo sử dụng tốn có mơ hình phức tạp ví dụ toán va chạm cánh, radome máy bay phát triển với tốn va chạm tốc độ trung bình tốc độ cao, … Một hướng phát triển luận văn là: - Cần tìm tiêu chuẩn khác để tính tốn thơng số phần tử keo (độ cứng K, độ bền phá huỷ) Cần kết hợp mô làm thực nghiệm đơn giản với mơ hình DCB DNF để đưa giá trị độ cứng G tối ưu cho tốn Qua q trình làm luận án, em tích lũy thêm nhiều kiến thức mẻ phương pháp nghiên cứu học tập Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung, thầy cô mơn giúp em q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp 49 Luận văn thạc sĩ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P P Camanho, C G Dávila, and D R Ambur, “Numerical Simulation of Delamination Composite Materials,” Journal of Composite Materials, vol 37, p 16, 2003 [2] R H Lopez, M A Luersen, and E S Cursi, “Optimization of laminated composites considering different failure criteria,” Composites Part B: Engineering, vol 40, no 8, pp 731-740, 2009 [3] F Aymerich, F Dore, P Priolo, “Prediction of impact-induced delaminationin cross-fly composite laminates using cohesive interface elements,” Composites Science and Technology, vol 68, no 12, pp 23832390, 2008 [4] R.K Luo, E.R Green, C.J Morrison, “An approach to evaluate the impact damage initiation and propagation in composite plates,” Composites Part B: Engineering, vol 32, no 6, pp 513-520, 2001 [5] Van-Thanh Hoang, “Phân tích ứng sử composite chịu va chạm vận tốc thấp,” Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2019 [6] B Bartan, A Kayran, and B Acar, "Parametric Study of Delamination Analysis in Composites with Cohesive Zone Method," in 8th ANKARA INTERNATONAL AEROSPACE CONFERENCE, Ankara, TURKEY, 2015 [7] Kyoungsoo Park, Glaucio H Paulino, "Cohesive zone models: a critical review of traction-sepration relationships across fracture surfaces," Applied Mechanics Reviews, no 64(6): 060802 (20 pages), 2011 [8] A Documentation, “Abaqus 6.14,” Dassault Syst [9] A Turon, P P Camanho, J Costa, and J Renart, “Accurate simulation of delamination growth under mixed-mode loading using cohesive elements: Definition of interlaminar strengths and elastic stiffness,” Composte Structures, vol 92, no 8, pp 1857-1864, 2010 [10] A Cerioni, "Simulation of delamination in composite materials under static and fatigue loading by cohesive zone models," Ph.D Thesis, Universita'degli Studi di Cagliari, Cagliari, 2009 [11] J Reeder, "An evaluation of mixed-mode delamination failure criteria," NASA Langley Technical Report Server, 1992 [12] Dinh-Dung Tran, "Predicting impact behavior on composite CFRP subjected to low-velocity impact," Đại học Bách Khoa, 2013 [13] Corp, Dssault System’s Simulia, ABAQUS 2016 User's Manual, Providence RI USA., 2016 [14] T K O‟Brien, W M Johnston, and G J Toland, “Mode II Interlaminar Fracture Toughness and Fatigue Characterization of a Graphite Epoxy Composite Material,” Natl Aeronaut Sp Adm, NASA/TM-2010–216838, 2010, pp 1-32 50 Luận văn thạc sĩ [15] M Soroush, K Malekzadeh Fard, M Shahravi, "Finite Element Simulation of Interlaminar and Intralaminar Damage in Laminated Composite Plates Subjected to Impact," Latin American Journal of Solids and Structures, 2018 [16] WILK, JAKUB, "Development and implementation of a testing method for the characterization of interlaminar delamination propagation in laminates under fatigue Mode II loading conditions," TRANSCACTION OF THE INSTITUTE OF AVIATION, 2016 [17] A Turon, C G Dávila, P P Camanho, and J Cost, “An engineering solution for mesh size effects in the simulation of delamination using cohesive zone models,” Eng Fract Mech., vol 74, no 10, pp 1665–1682, Engineering Fracture Mechanics, pp 74(10):1665-1682, 2007 [18] P P a M F L Camanho, "A progressive damage model for mechanically fastened joints in composite laminates Journal of Composite Materials," 33: 2248-2280, Journal of Composite Materials, 1999 [19] Zou, Z., Reid, S R., Li, S., and Soden, P D., “Modelling interlaminar and intralaminar damage in filament-wound pipes under quasi-static indentation,” Journal of composite materials, 36: 477-499, pp 36(4), 477-499, 2002 [20] Van-Dang Tran, MarcOudjene*, Pierre-JeanMéausoone, "Experimental and numerical analyses of the structure response of adhesively reconstituted beech timber beams," Composite Structures, vol 119, pp 206-217, 2015 [21] H C A D K K B e a Khoramishad, "Predicting fatigue damage in adhesively bonded joints using a cohesive zone model," International Journal of fatigue, pp 32: 1146-1158, 2010 51 ... liên kết động giảm vật va chạm đo đạc từ trình va chạm vận tốc bật lại từ vật va chạm Vật sau va chạm nảy lên giữ lại để đảm bảo composite không chịu va chạm nhiều lần Để giữ composite, thí nghiệm... (Abaqus/Explicit) sử dụng để dự đoán ứng xử composite phẳng chịu va chạm vận tốc thấp Và tương lai, phương pháp thay thí nghiệm với mẫu vật thực nhiều ngành công nghiệp khác Tấm composite mơ hình hình hóa... hệ động – thời gian va chạm Năng lượng cầu hồi phục sau đạt chuyển vị lớn nhất, cầu đạt lại vận tốc bật Tuy nhiên cầu đạt lại vận tốc ban đầu trước va chạm trình va chạm, composite hấp thụ phần