Trang 52
Pha trộn keo: Sau khi pha các chất theo tỉ lệ nhất đinh, ta sẽ tiến hành khuấy đều
hỗn hợp để các chất được trộn đều với nhau. Việc khuấy đều hộn hợp là rất quan trọng. Nếu ta khuấy chưa đủ lâu hoặc không đều tay, hỗn hợp sẽ không trộn đều với nhau, phản ứng sẽ xảy ra không đồng đều. Nếu ta khuấy q lâu thì hỗn hợp sẽ đóng rắn trước khi ta kịp sử dụng. Để đảm bảo việc pha keo đạt được kết quả tốt nhất, ta nên khuấy đều tay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.
Hình 3.14. Sản phẩm khi pha trộn keo không đều
3.4. Chế tạo mẫu thử và đo đạc đặc tính vật liệu 3.4.1. Tính tốn thơng số vật liệu. 3.4.1. Tính tốn thơng số vật liệu.
Sau khi đã có được tấm Carbon Composite hoàn chỉnh, việc tiếp theo ta cần làm là kiểm tra để xác định các thông số của vật liệu. Để kiểm tra được thông số, ta sẽ áp dụng “phương pháp 3 điểm uốn”. Phương pháp thí nghiệm dựa trên các tiêu chí đã nêu trong cuốn “British Standard EN ISO 14125:1998” (BSI, 2007) [14].
Trang 53 Dụng cụ:
Để tiến hành thử nghiệm, ta cần chế tạo 2 chi tiết để hỗ trợ trong quá trình gá đặt và test vật liệu.
Hình 3.16. Thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn
Hình 3.17. Kích thước thiết bị thí nghiệm đo 3 điểm uốn theo tiêu chuẩn ISO 14125:1998 [14] 14125:1998 [14]
Mẫu thử:
Trang 54
Mẫu thử được chế tạo theo phương pháp thủ công đã nêu trong chương 3. Với vật liệu là sợi Carbon và vật liệu nền là nhựa polyester
Thông số kỹ thuật của Sợi Carbon: Loại sợi: 3K
Tensile Strength: 2980 MPa Tensile Module: 186.6 GPa Trọng lượng: 200 g/m2 Chiều dài: 100 m/cuộn
Thông số kỹ thuật của nhựa Polyester: Độ nhớt: 2 ~ 4 Poises tại 25oC Tỷ trọng: 1.11 ~ 1.13 tại 25oC
Hình 3.18. Kích thước mẫu thử dựa trên ISO 14125:1998 [14]
3.4.2. Tiến hành thử nghiệm:
Q trình tiến hành thí nghiệm đo thông số của tấm vật liệu carbon composite bằng phương pháp uốn 3 điểm được thực hiện trên máy đo INSTRON 3367 (USA) của trường Đại học Nông Lâm TPHCM (Hình 3.19(a)). Cách lắp đặt và cố định đồ gá trên máy test được tiến hành như Hình 3.19(b).
Trang 55
(a) (b)
Hình 3.19. Thiết bị thí nghiệm đo bằng phương pháp uốn 3 điểm Tiến hành chạy máy và quan sát đồ thị chuyển vị Tiến hành chạy máy và quan sát đồ thị chuyển vị
Hình 3.20. Đồ thị chuyển vị
Trang 56
Dựa vào ISO 14125:1998 và đồ thị chuyển vị, ta sử dụng cơng thức sau để tính Young Modul E: 𝑬 = 𝑳 𝟑 𝟒𝒃𝒉𝟑 ∆𝑭 ∆𝑺 (3.1) Trong đó:
E là modul đàn hồi (MPa)
∆𝑆 là khoảng chênh lệch giữa s’’ và s’
∆𝐹 là khoảng chênh lệch của lực F’’ và F’ tại s’’ và s’ tương ứng
s’’ và s’ được tính dựa trên công thức:
𝒔 =𝜺𝒇𝑳 𝟐 𝟔𝒉 (3.2) 𝒔" =𝜺𝒇 𝑳 𝟐 𝟔𝒉 (3.3) Trong đó:
L là chiều dài mẫu thử (mm) h là độ dày mẫu thử (mm)
𝜀 = 0.0005 và 𝜀 = 0.0025 là 2 giá trị được cho trước.
Từ các số liệu thu thập được, ta tính được Mơ đun đàn hồi E = 16000 MPa. Giá trị này sẽ được dùng để tính tốn thiết kế cho kích thước của bàn chân giả của người khuyết tật.
Trang 57
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN – MƠ PHỎNG
4.1. Tính tốn kích thước chân.
(a) (b)
Hình 4.1: Mơ hình chân giả bằng 2 tấm carbon composite kết hợp tấm đệm cao su Mẫu thiết kế chân giả như ở Hình 4.1(b) gồm có tấm mu bàn chân và tấm gan bàn chân.
Tấm gan bàn chân được tính tốn dựa trên lịng bàn chân thật của người. Cụ thể: chiều dài lòng bàn chân là 25 cm và chiều rộng lòng bàn chân là 10 cm.
Tấm mu bàn chân có biên dạng cong được tính tốn dựa trên đường cong tham số Bezier và hình dáng của mẫu chân Rush Hipro của hãng Rush Foot. Hình dạng của đường cong này được thiết kế thơng qua vị trí của mũi bàn chân, gót bàn chân và cẳng chân như ở Hình 4.1(a). Với 3 điểm b0, b1, b2 là 3 điểm cho trước tương ứng với 3 vị trí xác định trên chân là cẳng chân, gót chân và mũi bàn chân. Đặt hệ tọa độ OXY tại mũi bàn chân (tức vị trí của điểm b2), ta có tọa độ các điểm
b0, b1, b2 như sau: b0 (17; 20), b1 (20; 0), b2 (0; 0).
Dựa vào tọa độ các điểm b0, b1, b2, ta có độ dài các vecto b1, b2 ⃗ , b1, b0 ⃗ như sau:
Độ dài vecto b2, b1 ⃗ = 20 cm Độ dài vecto b1, b0 ⃗ = 21 cm.
Ta tiến hành dựng đường cong Bezier theo các bước sau:
Điểm a biến đổi từ b0 đến b1 mô tả một đường cong Bézier tuyến tính. Điểm b biến đổi từ b1 đến b2 mơ tả một đường cong Bézier tuyến tính. Điểm c biến đổi từ a đến b mô tả một đường cong Bézier bậc 2.
Trang 58
Vì chiều cao từ tấm gan bàn chân tới khớp mắt cá chân là 10 cm dựa trên kích thước của chân thật nên trên đường cong vừa dựng, ta chỉ lấy đoạn từ mũi bàn chân tới vị trí cổ chân (tức vị trí điểm c).
4.2. Mơ phỏng
Sau khi có được các thơng số cơ bản của vật liệu, tác giả tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Ansys. Trong phần này, tác giả tập trung mô phỏng khả năng chịu lực của chân khi chịu tải trọng 50 kg với 3 trạng thái chân là: tiếp xúc bàn, tiếp xúc gót và tiếp xúc mũi. Điều kiện biên và vị trí đặt tải tại 3 trạng thái chân như sau:
Hình 4.2: (a) Giai đoạn tiếp xúc gót; (b) Giai đoạn tiếp xúc bàn; (c) Giai đoạn tiếp xúc mũi
Giai đoạn tiếp xúc gót (Hình 4.2(a)) bàn chân được xoay một góc 15o ngược chiều kim đồng hồ so với mặt phẳng ngang, góc quay được tham khảo tại tài liệu của Roland (2008) [12] là góc lớn nhất khi chân ở giai đoạn tiếp xúc gót. Tại vị trí này ta đặt tải và các điều kiện biên như sau: vị trí ngay phần nối khớp với ống chân ta cố định vị trí này lại, tương ứng với vị trí thực tế của chân khi tiếp xúc gót, tại vị trí tiếp xúc gót ta đặt tải trọng tác dụng từ dưới lên (- Y), tải trọng này là phản lực tác dụng vào gót chân khi chân tiếp xúc với nền khi di chuyển, phản lực này được tham khảo tại tài liệu (Leslie, 1990) [13].
Giai đoạn tiếp xúc bàn (Hình 4.2(b)) mơ hình chân được đặt trên mặt phẳng nằm ngang, tại giai đoạn này chân chịu tải trọng ngun bàn nhưng vị trí tiếp xúc khơng nằm hồn tồn trên đường lịng bàn chân vì thế vị trí chuyển vị khơng thể khảo sát một cách chính xác. Tại vị trí này chân được cố định tại vị trí tiếp xúc với nền, vị trí đặt tải là đường nối với khớp cổ chân, với tải trọng vng góc nền đặt theo chiều y tương ứng với phản lực tác dụng lên nền thu được khi khảo sát ở tài liệu của Roland (2008) [12]
Trang 59
Giai đoạn tiếp xúc mũi (Hình 4.2(c)). Ở vị trí này chân sẽ biến dạng rất lớn và tạo lực đẩy để giúp cơ thể tiến về phía trước, vị trí khảo sát và đặt lực được tiến hành như sau. Chân được xoay một góc 25o theo chiều kim đồng hồ, giá trị góc xoay này tương ứng với giai đoạn tiếp xúc mũi trong thực tế, với lực tác dụng từ mũi chân xuống nền sao cho chân chuyển vị một góc 25o để đưa thanh gan bàn chân về với mặt phẳng 0o. Góc chuyển vị lớn cho phép khớp chân tích trữ một năng lượng lớn và sẽ sử dụng phần năng lượng này vào việc hổ trợ đẩy cơ thể về phía trước. Vị trí nối với khớp cổ chân sẽ được cố định, vị trí tác dụng lực vào chân sẽ là phần mũi bàn chân, độ lớn của lực được tham khảo ở tài liệu (Roland, 2008) [12].
Bảng 4.1. Kích thước ban đầu của mơ hình chân dùng cho mơ phỏng Thơng số Kích thước (mm)
Chiều rộng chân 100
Chiều dài chân 250
Chiều cao chân 100
Bề dày tấm mu bàn chân 5.0 Bề dày tấm gan bàn chân 5.0
Trọng lượng ước tính của chân là 1kg. Tấm đế cao su được sử dụng có các thơng số kỹ thuật như sau:
Độ bền kéo đứt cao su - Trước lão hóa: 26,4 MPa - Sau lão hóa: 23,9 MPa
Độ cứng:
- Trước lão hóa: 60 Shore A - Sau lão hóa: 62 Shore A
Độ kháng xé: 56,5 kN/m
Trang 60
Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện ứng suất của các giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi và tiếp xúc gót
Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện chuyển vị của các giai đoạn tiếp xúc bàn, tiếp xúc mũi và tiếp xúc gót
Dựa vào biểu đồ tương quan giữa ứng suất – tải trọng, ta có thể thấy với kích thước hiện tại thì ứng suất khi chân chịu tải trọng 50 kg đang nhỏ hơn ứng suất phá
Trang 61
hủy của vật liệu rất nhiều. Vì vậy, tác giả sẽ giảm bề dày và chiều rộng của chân để tiết kiệm vật liệu.
Trong q trình mơ phỏng, để giảm thời gian thử sai và chọn ra được kích thước chân phù hợp nhất, tác giả tiến hành tối ưu hóa mơ hình. Tác giả đặt chiều rộng và bề dày chân làm biến.
Tác giả sử dụng Modul “Direct Optimization” trong Ansys để tối ưu hóa kích thước mơ hình chân với các ràng buộc và điều kiện biên:
Trang 62
Hình 4.6: Thiết lập các biến và điều kiện biên
Hình 4.7: Ràng buộc cận trên của điều kiện biên
Hình 4.8: Ràng buộc cận trên và cận dưới của chiều rộng và bề dày
Phần mềm ANSYS thực hiện quá trình tối ưu hóa bằng cách lọc kết quả dựa trên điều kiện biên và các mối quan hệ rang buộc mà tác giả đã đưa vào. Kết quả cuối cùng mà phần mềm đưa ra là mơ hình chân với kích thước như ở Bảng 4.2.
Trang 63
Bảng 4.2. Kích thước tối ưu của mơ hình chân sau khi mơ phỏng
Thơng số Kích thước (mm)
Chiều rộng chân 42
Chiều dài chân 200
Chiều cao chân 100
Bề dày tấm mu bàn chân 5 Bề dày tấm gan bàn chân 2
Dựa vào kết quả trên, tác giả đã dựng lại mơ hình chân và tiến hành mơ phỏng khi chân chịu tải trọng 50 kg. Kết quả cho thấy chân đủ khả năng chịu được ứng suất.
Trang 64
CHƯƠNG 5. CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM
5.1. Chế tạo 5.1.1. Vật liệu 5.1.1. Vật liệu
Sợi cacbon là vật liệu có độ bền rất cao, là loại sợi chứa ít nhất 90% nguyên tử cacbon được kiểm sốt chặt chẽ trong q trình nhiệt phân sợi nguyên liệu ban đầu. Sợi carbon được chia làm 3 loại chình là:
- Sợi carbon Pan - Sợi carbon Pitch - Sợi carbon Rayon
Loại sợi được sử dụng để chế tạo chân giả là sợi carbon Pan. Sợi carbon Pan là một khối tập hợp của sợi liên tục (sợi đơn), đường kính 5 – 7 micron và tỷ trọng 1.74 – 1.95 g/cm3. Sản phẩm tập hợp nhiều loại sợi đơn khác nhau tạo thành bó sợi như 1K (1000 sợi/bó), 3K (3000 sợi/bó), 6K (6000 sợi/bó), 12K (12000 sợi/bó) và 24K (24000 sợi/bó) được ứng dụng chính trong ngành hang khơng, thể thao do tỷ trọng thấp, độ bền kéo và modul đàn hồi cao. Sợi Carbon 3K tác giả sử dụng có các thơng số kỹ thuật như sau:
- Độ bền kéo: 2980 MPa - Modul kéo: 186.8 GPa
- Tỷ trọng: 200 g/m2
- Màu sắc: Đen
Chất nền được sử dụng chế tạo chân giả là keo polyester. Poyester là sản phẩm trùng ngưng của axit carboxylic đa chức (polyaxit) và ancol đa chức (polyol) hay từ q trình mở vịng lactone. Loại polyester tác giả sử dụng là polyester 6011 có các thơng số kỹ thuật như sau:
- Độ nhớt: 2 ~ 4 Poises ở 25oC - Tỷ trọng: 1.11 ~ 1.13 ở 25oC
- Ngoại quan: Chất lỏng, màu trắng xanh
Khi pha trộn chất cốt và chất nền, tác giả được vật liệu Carbon Composite có hệ số Poisson là 0.39, Modul đàn hồi là 16000 MPa, giới hạn chảy là 24.76 kgf/mm2. Carbon Composite là loại vật liệu có khả năng chống nước, chịu được nhiệt độ cao, không bị ăn mòn
Trang 65
Do sản phầm được chế tạo theo phương pháp thủ công nên để chế tạo được chân giả, trước hết tác giả cần chế tạo một khn theo kích thước của chân giả mà tác giả đã mô phỏng.
Bản vẽ chi tiết khuôn chân tác giả dựng bằng phần mềm Autocad:
Hình 5.1: Bản vẽ chi tiết khn chân
Hình 5.2: Khn chân được làm từ hợp kim nhôm
5.1.3. Chế tạo chân giả
Từ kết quả mô phỏng thông qua phần mềm Ansys, tác giả xây dựng bản vẽ 2D bằng phần mềm Autocad. Trên cơ sở bản vẽ 2D của phần mềm Autocad, tác giả thiết lập mơ hình 3D bằng phần mềm Solidwork.
Trang 66
Hình 5.3: Bản vẽ chi tiết mơ hình chân giả
Trang 67
Hình 5.5: Chuẩn bị vật liệu để làm chân giả
Hình 5.6: Bàn chân giả làm từ vật liệu Composite Carbon
5.2. Thử nghiệm khả năng chịu tải trên máy kéo nén. 5.2.1. Bố trí thí nghiệm. 5.2.1. Bố trí thí nghiệm.
Tác giả sử dụng thiết bị đo của hãng INSTRON 3367 sản xuất tại Mỹ. Tải lớn nhất 50 kN, không gian hoạt động 800 mm trọng lượng 37 kg sử dụng loadcell có seri 49246 trọng lượng 425g khả năng tải tĩnh ±30 kN (tại trường Đại học Nơng Lâm TP.HCM).
Trang 68
Hình 5.7: Hệ thống thiết bị đo INSTRON 3367
Bàn chân được lắp trên đồ gá với 3 vị trí tiếp xúc mũi, tiếp xúc bàn, tiếp xúc gót đã được định vị sẵn.
Vị trí tiếp xúc bàn:
Tại vị trí tiếp xúc bàn ống chân vng góc với mặt phẳng nằm ngang, chân giả hợp với mặt phẳng tiếp xúc một góc 00, tại vị trí này chân được gia tải trên máy với lực lớn nhất 50 kg vận tốc 2 mm/phút.. Thử nghiệm được bố trí như Hình 5.8.
Trang 69
Hình 5.8: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc bàn
Vị trí tiếp xúc mũi:
Tại vị trí tiếp xúc mũi bàn chân hợp với mặt phẳng ngang một góc 250, tại vị trí này chân được máy gia tải với lực lớn nhất 25 kg, vận tốc gia tải 5 mm/phút. Thử nghiệm được bố trí như Hình 5.9.
Hình 5.9: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc mũi
Trang 70
Tại vị trí tiếp xúc gót, chân hợp với mặt phẳng ngang một góc -150 tại vị trí này, chân được máy gia tải với lực lớn nhất 25 kg. Vận tốc gia tải của máy là 5 mm/phút. Thử nghiệm được bố trí như Hình 5.10.
Hình 5.10: Bố trí thử nghiệm tiếp xúc gót
5.2.2. Kết quả thử nghiệm.
Vị trí tiếp xúc bàn:
Tại vị trí tiếp xúc bàn ống chân vng góc với mặt phẳng nằm ngang, chân giả hợp với mặt phẳng tiếp xúc một góc 00, tại vị trí này chân được gia tải trên máy với lực lớn nhất 50 kg vận tốc 2 mm/phút ta thu được giá trị chuyển vị lớn nhất là 12 mm. Quan sát đồ thị thu được từ thực nghiệm ta thấy tại đoạn gia tải 20 - 30kg biểu đồ thực nghiệm hơi bị nhô lên, đây là do khi gia tải tới giai đoạn này, tấm đệm cao su bắt đầu bị biến dạng bởi lực tác động. Giai đoạn gia tải 30 – 50kg, tấm đệm cao su biến dạng theo tải trọng nên đồ thị dần trở lại là một đường thẳng. Đồ thị thực nghiệm có sự chuyển vị nhỏ hơn đồ thị mơ phỏng, nguyên nhân do trong quá trình chế tạo bằng phương pháp thủ cơng, sản phẩm đã có sai số về kích thước bề dày khiến cho độ cứng của chân có sự thay đổi.
Trang 71
Hình 5.11: Biểu đồ thực nghiệm tại vị trí tiếp xúc bàn
Vị trí tiếp xúc mũi:
Tại vị trí tiếp xúc mũi bàn chân hợp với mặt phẳng ngang một góc 250, tại vị trí