Để thấy rõ cấu trúc của tấm composite nhiều lớp, có thể tham khảo mô hình của vật liệu composite nhiều lớp như Hình 1.12.
Ngoài ra tùy thuộc vào sự phân bố của các lớp mà vật liệu composite còn được phân ra thành các loại.
- Composite đối xứng, đúng trục: [0/90]s (00/900/900/00); lệch trục: [15]s (150/ -150/-150/150).
- Composite xen lớp đúng trục: [0/90]N (00/900/00/900…); lệch trục: [±15]N (150/-150/150/-150…).
Do vật liệu composite được tạo thành từ nhiều lớp liên tiếp, trong đó phương của sợi hay phương cơ bản của mỗi lớp lại khác nhau. Do vậy mà để tính toán được cơ học cho vật liệu kết cấu composite thì ta cần phải chọn một hệ quy chiếu chung cho cả vật liệu và biến đổi ứng xử của mỗi lớp vật liệu theo hệ quy chiếu chung đó, chính vì thế mà ta cần phải hiểu rõ được khái niệm về hệ trục tọa độ, đó là hệ trục chính của lớp vật liệu (1,2,3) và hệ trục quy chiếu chung của tấm (x, y, z), Hình 1.13.
Hình 1.13. Hệ trục chính vật liệu và hệ trục quy chiếu chung
Để tính toán cơ học vật liệu composite nhiều lớp người ta coi vật liệu là đồng nhất và dị hướng. Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đi theo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của từng lớp vật liệu và nghiên cứu
ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp. Khi đó ta có thể hoàn toàn biết được ứng xử cơ học của toàn bộ kết cấu composite. Các phương pháp tính toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu composite có thể được chia thành 2 nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số:
Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xác định trực tiếp. Các chương trình trên máy tính được xây dựng trên cơ sở giải tích không quá phức tạp như các chương trình tính bằng phương pháp số, nhưng phương pháp này nói chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịu lực đơn giản.
Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình dạng, tải trọng tác dụng và kiểu liên kết phức tạp.
Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào lý thuyết (mô hình) mà ta sử dụng, các lý thuyết mà ta có thể kể ra đây đó là lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất Mindlin, lý thuyết tấm bậc cao,… Do đó vấn đề quan trọng mang tính quyết định đến độ chính xác của kết quả tính toán chính là lý thuyết mà ta sử dụng.
1.3. Tấm composite sandwich
Vật liệu sandwich được tạo thành bởi các vật liệu truyền thống bằng sự tích hợp chặt chẽ của các kiến thức liên quan đến các quy trình sản xuất và hiệu suất cơ học của các vật liệu thành phần. Một cấu trúc tấm sandwich được hình thành bằng cách dán hoặc hàn một lõi có độ cứng thấp với hai lớp vỏ tương đối cứng. Mục đích của công việc này là để cung cấp một cấu trúc có sự kết hợp hài hòa giữa tính nhẹ và độ bền độ cứng cao. Theo Daniel Gay [3], tỷ lệ độ dày của lõi tc và vỏ ts phải nằm trong khoảng từ 10 đến 100
(10 tc/ts 100). Nói chung, việc lựa chọn vật liệu tấm composite sandwich được thực hiện để giảm thiểu khối lượng có tính đến các điều kiện sử dụng (độ cứng, độ ẩm, nhiệt độ, ăn mòn, giá cả, v.v.).
a. Lõi
Lõi là thành phần nằm ở trung tâm của cấu trúc tấm sandwich, nói chung là một vật liệu có các đặc tính cơ học yếu. Vai trò của nó là chống lại các ứng suất cắt gây ra bởi chuyển động trượt của vỏ khi chịu tải và để duy trì khoảng cách của các lớp vỏ. Các vật liệu lõi được sử dụng nhiều nhất chủ yếu ở hai dạng :
Lõi đặc (Hình 1.14): bao gồm gỗ bông bấc hoặc gỗ khối nhẹ, các khối đệm mút khác nhau, nhựa thủy tinh rỗng, v.v….
Lõi rỗng (Hình 1.15), chủ yếu là tổ ong và thép hình, bao gồm hợp kim hoặc kim loại nhẹ, giấy bao bì (phủ hoặc không phủ lớp nhựa), giấy polyamide, giấy Nomex, v.v…
Hình 1.15. Tấm sandwich lõi rỗng
b. Lớp vỏ
Đối với một tấm sandwich chịu uốn, các lớp vỏ về cơ bản là phải chịu lực kéo hoặc nén. Sự lựa chọn lớp vỏ chủ yếu dựa trên hiệu suất cơ học cần thiết. Nhưng nhìn chung, độ cứng cao và độ bền kéo tuyệt vời là những phẩm chất chính được tìm kiếm. Các lớp vỏ thường là các tấm nhiều lớp với sợi gia cường (carbon/epoxy, kevlar/epoxy, boron/epoxy, thủy tinh ...), hoặc bằng vật liệu kim loại (nhôm, thép, thép không gỉ ...), hoặc bằng gỗ (ván ép) hoặc bằng các tấm nhựa nhiệt dẻo.
c. Chất kết dính
Thành phần cuối cùng có tầm quan trọng không kém đó chính là chất kết dính. Chất kết dính dạng màng này tạo thành mối liên kết giữa lõi với các lớp vỏ. Liên kết này phải liên tục không có độ xốp và độ dày không đổi. Hơn nữa cần một khả năng chống lại biến dạng đủ lớn là cần thiết để truyền các tác nhân cơ học. Nhưng nó cũng phải có khả năng co giãn đủ lớn để hấp thụ và
giảm thiểu các tải trọng động. Trong thực tế, độ dày của chất kết dính được giới hạn trong khoảng 0,025 0,2 mm.
Các tấm composite sandwich được chia làm các loại: cực nhẹ; độ cứng uốn cực cao; đặc tính cách nhiệt và cách âm tuyệt vời; độ phẳng.
Tuy nhiên, một số tấm composite sandwich có khả năng tắt dần không tốt, khả năng chống cháy của chúng cũng không tốt và nguy cơ bị cong vênh cao hơn so với các cấu trúc thông thường.
1.4. Composite sandwich lõi tổ ong.
Trong các loại tấm sandwich thì tấm sandwich lõi tổ ong được sử dụng khá phổ biến, với đặc điểm khá đơn giản trong công nghệ chế tạo nên nó ngày càng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống.
Tổ ong, với một loạt các lỗ rỗng hình lục giác hoặc hình lăng trụ đều, đại diện cho một khối đặc hai chiều. Thuật ngữ "tổ ong" được sử dụng theo nghĩa rộng hơn để chỉ một loạt ma trận các lỗ rỗng hình lăng trụ giống hệt nhau được liên kết với nhau để lấp đầy khoảng trống giữa hai lớp vỏ. Các lỗ rỗng thường có mặt cắt ngang hình lục giác, nhưng chúng cũng có thể là mặt cắt hình tam giác hoặc hình vuông hoặc hình thoi. Tổ ong được sử dụng trong nghiên cứu này là một tổ ong hình lục giác thông thường.
Hình 1.17. Tấm sandwich lõi tổ ong
Tấm sandwich lõi tổ ong được tạo thành bởi việc liên kết hai tấm mỏng có cơ tính cao được gọi là vỏ (skin) với tấm lõi có cơ tính thấp hơn, có tỉ trọng riêng thấp nhưng có kích thước bề dày lớn hơn, với việc kết hợp đó, tấm được tạo thành sẽ tổ hợp được nhiều ưu điểm. Các lớp bề mặt và lõi của kết cấu sandwich có thể là nhôm, thép, bê tông, gỗ,…. Lõi có thể được cấu tạo dạng rỗng với các dạng hình học khác nhau, trong đó kết cấu dạng tổ ong thông thường được sử dụng. Kết cấu tấm sandwich lõi tổ ong là dạng kết cấu tấm không đồng nhất với lõi là một loại vật liệu trực hướng được phân bố có tính tuần hoàn theo hai phương và thể hiện trong từng trường hợp cụ thể.
Năm 1919, tấm composite sandwich đầu tiên được chế tạo bằng cách sử dụng các mặt gỗ gụ mỏng liên kết với lõi gỗ bông bấc. Nó được sử dụng làm cấu trúc chính cho chân phao của thủy phi cơ. Sau đó giữa Thế chiến I và Thế chiến II, lớp vỏ ván ép liên kết với lõi gỗ bông bấc được sử dụng làm cấu trúc chính của thủy phi cơ Ý.
Việc sản xuất cấu trúc tấm tổ ong hiện đại có lẽ đã bắt đầu vào cuối những năm 1930, khi J.D. Lincoln đã lấy giấy làm lõi tổ ong để sử dụng trong đồ nội thất được sản xuất bởi Lincoln Industries (ở Marion, Virginia, Hoa
Kỳ). Các tấm composite sandwich bao gồm các mặt gỗ mỏng liên kết với một lõi tổ ong bằng giấy tương đối dày.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, giấy tổ ong đã được Công ty Martin sử dụng để đóng gói ăng ten radar; nhưng lõi được làm từ giấy đã hấp thụ độ ẩm. Sau đó Martin đã phát triển một tổ ong làm bằng vải cotton và sau đó sản xuất lõi tổ ong làm bằng sợi cotton, vải thủy tinh và lá nhôm.
Cũng tại thời điểm đó, Công ty Máy bay Havilland đã thiết kế và chế tạo máy bay ném bom Mosquito, sử dụng các tấm sandwich ở một số bộ phận. Hiệu suất tuyệt vời được thể hiện ở máy bay này đã đưa đến sự chấp nhận của nhiều nhà thiết kế máy bay, đặc biệt là ở Anh, về sự vượt trội cơ bản của cấu trúc tấm sandwich như một phương tiện sản xuất máy bay hiệu suất cao và hiệu quả hơn. Do đó, nhiều nhóm thiết kế máy bay đã bắt đầu tìm kiếm cách tốt nhất để chế tạo các cấu trúc tấm sandwich và các vật liệu tốt nhất để tạo ra lớp lõi và vỏ.
Mãi đến năm 1945, tấm sandwich hoàn toàn bằng nhôm đầu tiên được sản xuất. Bước đột phá thực sự đến với sự phát triển của chất kết dính tốt hơn để cố định lớp vỏ với lõi. Một số chất kết dính đã được phát triển để có tính chất lưu biến tốt để sử dụng cho lõi tổ ong.
a. Chế tạo tấm tổ ong
Các cấu trúc như tổ ong trong Hình 1.16 có thể được thực hiện theo bốn cách: dán, hàn điện trở, hàn, hàn khuếch tán và nóng chảy. Các phương pháp này được thực hiện bằng cách hàn đính tại các nút. Rõ ràng nhất là ép một vật liệu tấm thành một nửa hình lục giác và dán các tấm lượn sóng này lại với nhau. Cho đến nay, quy trình sản xuất phổ biến nhất là dán lại với nhau và có tới 95% lõi tổ ong được làm theo cách này. Hàn điện trở, hàn hoặc hàn
khuếch tán chỉ được sử dụng trên các lõi có nhiệt độ cao hoặc điều kiện môi trường khắc nghiệt. Có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng để chuyển vật liệu tấm thành lõi tổ ong, đó là quá trình mở rộng và quá trình uốn lượn sóng (Hình 1.18).
Hình 1.18. Quá trình sản xuất lõi tổ ong: Bằng quá trình mở rộng (trên), Bằng quá trình cán lượn sóng (dưới)
Quá trình mở rộng được sơ đồ hóa trong hình 1.18a. Thông thường, keo được đặt thành các dải song song trên các tấm phẳng, và các tấm được xếp chồng lên nhau để dán chúng lại với nhau dọc theo các dải. Các chồng tấm được cắt theo kích thước mong muốn và sau đó được kéo dài để tạo thành
lõi tổ ong. Đối với lõi kim loại, một lớp phủ chống ăn mòn được phủ lên các lá kim loại, và trên đó được phết các đường keo. Các lá được cắt và xếp chồng lên nhau, và chất kết dính được đông cứng lại dưới áp suất và nhiệt độ cao. Sau đó, các lát được cắt theo độ dày yêu cầu và kéo dài.
Quá trình cán lượn sóng được minh họa trong hình 1.18b là kỹ thuật ban đầu được sử dụng để làm lõi tổ ong. Phương pháp này vẫn được sử dụng để sản xuất lõi kim loại và một số lõi phi kim loại. Trong quá trình tạo rãnh lượn sóng, đầu tiên các tấm được gấp nếp, sau đó dùng chất kết dính phết vào các nút và các tấm được xếp chồng lên nhau, sau đó được xử lý trong lò nung.
Lõi tổ ong cũng có thể được đúc trong khuôn (tổ ong silicon) hoặc bằng cách đùn (tổ ong bằng gốm dùng để hỗ trợ xúc tác khí thải ô tô) .
Lõi tổ ong có thể được chế tạo với các loại vật liệu phẳng và mỏng bất kỳ, vì vậy mà hiện nay có khoảng hơn 500 loại tổ ong khác nhau đã được sản xuất. Các vật liệu tổ ong được sử dụng phổ biến nhất là:
- Lõi tổ ong bằng kim loại (hợp kim nhẹ, thép ...) ít tốn kém và chịu tải tốt hơn.
- Lõi tổ ong phi kim loại (các-tông được tẩm nhựa phenolic, giấy Nomex, tấm polyamide, vải thủy tinh tẩm ...) không nhạy với ăn mòn và là chất cách nhiệt và cách âm tốt.
b. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong
Hình dạng của một lỗ tổ ong được minh họa trong Hình 1.19. Hình dạng này được xác định bởi các thông số khác nhau: chiều dài của các vách thẳng đứng và vách nghiêng (h và l), độ dày của các vách (t' và t), góc ghiêng của các vách nghiêng (). Các tham số này được tóm tắt trong Bảng 5
Hình 1.19. Hình dáng hình học của một lỗ tổ ong
Bảng 5: Các thông số hình học của một lỗ tổ ong
Thông số Định nghĩa
Góc nghiêng của các vách nghiêng
Đường kính của lỗ (nếu là lục giác đều) l Chiều dài của vách nghiêng
h Chiều dài của vách đứng t Bề dày của vách nghiêng t' Bề dày của vách đứng b Chiều cao của lõi tổ ong
Bảng 6: Các đặc điểm hình học và cơ học của một số loại lõi tổ ong thường được sử dụng Thông số Tấm polyamide dán: Nomex Hợp kim nhẹ AG3 Hợp kim nhẹ AU4 GI (2024)
Đường tròn nội tiếp 6, 8, 12 4 6
Bề dày t(mm) 0.05 0.04
Khối lượng riêng (kg/m3)
64 80 46
Độ bền cắt xz (MPa) 1.7 3.2 1.5 Mô đun trượt Gxz (MPa) 58 520 280 Độ bền cắt yz (MPa) 0.85 2 0.9 Mô đun trượt Gyz (MPa) 24 250 140
Độ bền nén z (MPa) 2.8 4.4 2
c. Phạm vi áp dụng
Tấm sandwich lõi tổ ong được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau:
- Các ngành công nghiệp máy bay và hàng không vũ trụ: các tấm bên trong máy bay (sàn, vách, trần, nhà bếp và nhà vệ sinh), các tấm bên ngoài máy bay (cạnh trước và sau, cánh máy bay trực thăng, cửa ra vào, nắp động cơ ...)
- Ngành công nghiệp ô tô và đường sắt: Tấm sandwich tổ ong dùng trong chế tạo các loại xe tải, xe buýt, tàu điện ngầm và xe điện ....
- Các ngành công nghiệp thể thao và giải trí: ván lướt sóng, cabin và thân tàu thuyền và tàu hiệu suất cao.
- Công nghiệp xây dựng: tấm sandwich dùng làm vách, sàn, trần, cửa, vách ngăn, và cho tất cả các cấu trúc cần đạt được tỷ lệ độ cứng/trọng lượng tối ưu.
Để sử dụng hiệu quả tấm dạng này ta cần phải biết được ứng xử cơ học của nó đối với các dạng chịu lực cơ bản. Đã có nhiều nghiên cứu từ lý thuyết đến thực nghiệm được thực hiện để đưa ra ứng xử cơ học của các tấm dạng này, các kết quả thu được từ các nghiên cứu đó là rất đáng ghi nhận, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất to lớn. Các phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu các ứng xử cơ học của các tấm dạng này đã được đề cập trong các luận án, bài báo như: phương pháp giải tích, phương pháp đồng nhất, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp nghiên cứu thực nghiệm… trong đó thì phương pháp phần tử hữu hạn được biết đến như là một phương pháp hiệu quả nhất hiện nay. Cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự hỗ trợ của máy tính và các phần mềm ứng dụng đã tham gia tích cực vào việc hỗ trợ và phát triển các nghiên cứu.
Với sự phát triển ngày càng lớn mạnh về vật liệu sử dụng và kết cấu của các tấm sandwich, việc xây dựng mô hình, tính toán và mô phỏng trên các ứng dụng của FEM bộc lộ nhiều hạn chế như:
Tốn nhiều thời gian cho việc xây dựng mô hình đặc biệt là các mô hình lõi kép, đa lõi, lõi đa hướng và các kết cấu có lõi phức tạp;
Hạn chế về năng lực của thiết bị (máy tính) khi mà kết cấu có độ phức tạp cao;
Thời gian dành cho quá trình tính toán, phân tích lớn khi các kết cấu tấm bất đối xứng, tấm có kích thước lớn hay tấm có kết cấu phức tạp. Các tấm sandwich lõi tổ ong cho phép kết hợp rất tốt giữa độ cứng, độ bền với tính nhẹ. Mô phỏng và tối ưu hóa loại tấm này có tầm quan trọng rất