Vật liệu composite

M ỤC LỤC

2.5.2 Vật liệu composite

2.5.2.1 Composite trong một phần xe hơi:

Tăng cường sự hợp lý và yêu cầu của thị trường về an toàn,trọng lượng của xe sẽ đạt đươc sự hợp lý nhất trong tương lai.Trong thời gian này sự địi hỏi của mơi trường ngày càng trở nên

34

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên mạnh hơn và khối lượng nhỏ sẽ là một phần quan trọng của chúng.Ở châu Âu, cơng ty xe hơi chấp nhận tăng toàn bộ 25% hiệu suất chất đốt vào năm 2005 so với năm 1990

Hiệu suất chất đốt của xe ảnh hưởng trực tiếp đến trọng lượng xe.Cấu trúc xe bằng sợi carbon thì nhẹ hơn 57% so với cấu trúc bằng thép cùng kích thước và đảm bảo bảo vệ va chạm tốt hơn, tăng độ bền va đặc tính cách âm và chịu nhiệt tốt hơn.

Vật liệu composite cĩ thể tìm thấy nhiều cơ hội trong cơng nghiệp ơ tơ như tăng cường hiệu suất chất đốt.Với 75% chất đốt tiêu thụ liên quan trực tiếp tới trọng lượng xe.Cơng nghiệp ơ tơ kỳ vọng một cải tạo ấn tượng là sử dụng từ 6 đến 8 % nhiên liệu để giảm hơn 10% trọng lượng xe.Sự biến đổi đĩ để giảm 20 kg khí cacbonic trên 1 kg xe trong quảng đời của xe.

Thời gian đầu FRB được giới thiệu đến đội đua xe thể thức 1 McLaren vào năm 1980.Từ đĩ, khả năng chịu đựng của xe đua được nâng cao trên sự mong đợi.Sợi carbon được sử dụng trong cơng nghiệp chế tạo thân xe với khối lượng nhỏ, độ bền cao và đáp ứng được tiêu chuẩn an toàn phá hỏng cao.

Báo cáo từ Mỹ và Canada dự báo rằng chất dẽo và composite sẽ được sử dụng rộng rãi trong việc tạo ra phần thân hệ thống giảm chấn, bộ phận mềm, dầm, trục động cơ và phần di chuyển của xe.Thêm vào đĩ, máy rotor sử dụng sự đúc chuyển nhựa (RTM) cho máy nén khí hay bơm tăng áp của xe được dùng để thay thế cho kim loại với những loại máy khác nhau.

2.5.2.2 Thiệt hại trong va đập được đáp ứng trong vật liệu composite:

Một số lượng đáng kể trong viêc tìm kiếm được hội tụ vào việc nghiên cứu tỉ mỉ sự thiệt hại, khả năng chịu đựng và cách chống lại sự đặt tải trọng trong va chạm.Thiệt hại do va chạm trong vật liệu composite xảy ra khi một chủ thể bên ngồi gây ra suốt chiều dài hoặc trong mặt phẳng gẩy của kim loại.Vùng thiệt hại cĩ thể là vùng khảo sát bề ngoài hoặc được sử dụng quang học hoặc hiển vi học điện tử,quét siêu âm va ảnh âm thanh.

Thiệt hại trong va đập ở tấm mỏng composite được gắn liền với cách thức hỏng nguy hiểm: sự phân lớp, ma trận nứt và sự đút sợi.Ma trận nứt và sự phân lớp là đặt tính của ma trận nhựa.Trong khi sự đứt thì đáp ứng hơn với sợi tiêu biểu và đạt tính kỹ thuật và thường là nguyên nhân chịu lực cao.

35

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên Ma trận rạn nứt trong một composite đồng chất là nguyên nhân của ứng suất kéo và ứng suất tập trung ở bề mặt ma trận sợi.Một ứng suất kéo cao là kết quả trong một mơ hình kéo dài và nặng hơn.Năng lượng tổng cộng tác động bởi ma trận nứt thì bằng với năng lượng bề mặt của sản phẩm và một phần nhỏ được tạo bởi vết nứt.Phần lớn hơn vết nứt là nguyên nhân gây nên sự đứt nhánh ,trong trường hợp này vết nứt chạy trong hướng bình thường đến hướng chung của chổ gẫy.Trong nhiều trường hợp,vùng bề mặt tạo nên bởi vết nứt lớn hơn vùng tương đương đến vết nứt nguyên thủy,tăng cường đáng kể năng lượng vết nứt. Trong thực tế nĩ cĩ thể tăng cường tính bền của vật liệu composite hoặc hấp thụ năng lượng thiệt hại tổng cộng trong va chạm.

2.5.2. Sự phân lớp:

Sự định hướng khác của lớp cĩ thể đẩy mạnh sự phân lớp của hai lớp gần kề vì độ cứng khơng khớp ở bề mặt phân giới của chúng.Vùng phân lớp chịu tác động trực tiếp bởi những thay đổi trong năng lượng của va chạm. Vết nứt, nĩ cĩ thể bắt đầu sự phân lớp , cĩ thể truyền qua nhiều lớp và cĩ thể dừng lại khi đầu vết nứt đến bề mặt ma trận sợi ở những lớp gần kề.

2.5.2.5 Sự cắt sợi:

Sự cắt sợi cĩ thể là một kết quả trực tiếp của sự truyền vết nứt theo phương vuơng gốc với sợi.Nếu được duy trì liên tục , sự cắt sợi cuối cùng sẽ tạo thành một sự chia cắt hoàn chỉnh cua dát mỏng.Đạt được giới hạn biến dạng nứt trong một thành phần composite kết quả la sự cắt sợi.Về năng lượng va chạm tương tự ,do cơng suất cao của sợi hấp thụ năng lượng kết quả là phần nhỏ sợi bị cắt và độ bền kéo cịn dư cao.Thiệt hại ma trận thứ yếu , mà nĩ xuất hiện sau sự nứt sợi ban đầu, cũng giảm bớt, độ bền nén cịn dư tăng.

2.5.2.6 Sự hấp thụ năng lượng trong vật liệu composite khác:

Vật liệu composite hấp thụ nhiều năng lượng hơn thép và nhơm.Thép cĩ modul đàn hồi cao nhưng vẫn khơng hấp thụ năng lượng cao hơn.Trong vật liệu composite những loại sợi khác nhau cĩ độ cứng khác nhau.Ví dụ, sợi carbon thì bền hơn sợi thủy tinh, nhưng sợi thủy tinh chịu đựng lực trong một thời gian dài hơn sợi carbon.Khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu composite tạo nên một sự kết hợp duy nhất để giảm khối lượng và tăng khả năng chịu đựng cho cấu trúc xe.

36

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên Hình 2.8: Năng lượng đặc biệt của các vật liệu khác nhau

2.5.2.7 Đặc tính tác động năng lượng hấp thụ của vật liệu composite:

2.5.2.7.1 Sợi

Farley báo cáo rằng trong những việc kiểm tra, chỉ đạo trên những mẫu cĩ thể so sánh được, sợi carbon được tăng cường những cái ống hút năng lượng cao so với sợi thủy tinh hay sợi aramid.Theo số liệu trong Bảng 1.Những lý do khiến điều này liên quan đến vật lý.Những thuộc tính của những sợi, những cơ chế thất bại và những độ bền liên kết ma trận sợi toàn bộ.

Farley quan sát thấy sợi thủy tinh và carbon tăng cường ống chất dẻo nhiệt rắn tăng sức ép lên trong chế độ vỡ vụn và sự chệch đầu nối. Aramid (Kevlar và Dyneema) tăng cường chất xơ ống chất dẻo nhiệt rắn.Mặt khác,bị ép bởi một chế độ tiến bộ kiểu tạo nếp. Tương tự như các kết quả đã được kiểm tra khi tác động tĩnh và nén đã được tiến hành trên than chì / epoxy, Kevlar / epoxy và dụng cụ thủy tinh / epoxy composite ống mẫu tương ứng.Các than chì / epoxy và thủy tinh / epoxy cĩ ống gĩc nếp gấp triển lãm chế độ gãy giịn bao gồm: sự phân cắt sợi và sự phân tách lớp, trong khi các Kevlar / epoxy cĩ ống gĩc nếp gấp gảy trong một chế độ uốn. Độ biến dạng thấp nhất để phá hỏng sợi thủy tinh và sợi carbon , phá hỏng khoảng 1% độ biến dạng, so với sợi aramid, phá hỏng vào khoảng 8% độ biến dạng, thuộc tính này để sự khác biệt trong hành vi ứng xử.

37

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên

Bảng 2.1.Năng lượng hấp thụ cụ thể của các vật liệu composite

Fiber-Matrix Lay up Thickness to

diameter ratio Specific Energy absorption Carbon-Epoxy [0/±15]3 0.033 99 Carbon-Epoxy [±45]3 0.021 50 Aramid-Epoxy [±45]8 0.066 60 Aramid-Epoxy [0/±15]2 0.02 9 Glass-Epoxy [0/±75]2 0.069 53 Glass-Epoxy [0/±15]2 0.06 30 1015 Steel 0.06 42 6061 Al 0.06 44

Ngồi ra, nĩ cĩ thể được quan sát từ Bảng 1, sợi carbon cĩ thể hấp thu năng lượng đặc biệt cao, do mật độ thấp và sự phát triển cao, sức mạnh của các sợi carbon. Nếu sợi aramid được nghĩ đến, chúng cĩ khả năng hấp thụ năng lượng thấp hơn sợi carbon. Điều này là vì những lý do mà ứng suất nén của sợi aramid là khoảng 20% của tensor ứng suất. Ngoài ra, do tính chất mềm thiên nhiên, sợi aramid các tiến bộ tạo nếp gấp cơ chế hỏng .Điều này hấp thụ năng lượng ít hiệu quả hơn sự phá hỏng giịn.

Bảng 2.2: Đặc tính vật lý của các kiểu sợi khác nhau

Sợi Tỷ trọng (kg/m3 ) Trục modul đàn hồi (GN/m3) Tensor ứng suất (MN/ m3) Sợi Carbon (Modul cao) 1950 380 2400

38

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên Sợi Carbon

(ứng suất cao)

1750 230 3400

Sợi Aramid 1450 130 3000

Sợi thủy tinh 2560 76 2000

2.5.2.7.2 Ma trận vật liệu:

Những điểm sau đây cĩ thể là giá đáng chú ý về ma trận

G1C: Tạo độ bền liên lớp cao, của ma trận dẻo nĩng vật chất gây ra một sự tăng trong sự hấp thụ năng lượng của vật liệu composite.

Sự tăng trong sự biến dạng ma trận phá hỏng dẫn đến sự hấp thụ năng lượng cao trong những sự tăng cường sợi giịn.

Thay đổi trong độ bền cứng cĩ rất ít ảnh hưởng vào năng lượng hấp thụ

Thornton & Jeryan báo cáo cụ thể hấp thu năng lượng là một chức năng của tensile ứng suất và modun kéo của ma trận resin, và nĩ gia tăng với trật tự Phenolic <polyester <epoxy cho các ống sợi thủy tinh. Trong khi quan sát này cĩ thể được hợp lý, nĩ khơng chắc chắn xác minh bằng sự liên quan trực tiếp đến dữ liệu đặc tính của vật liệu (Bảng 2), bởi vì sự truyền bá trong báo cáo giá trị.

Bảng 2.3: Đặc tính cơ học của hệ thống chất dẻo

Sợi Tỷ trọng (kg/m3) Modul đàn hồi (GN/m2) Tensor ứng suất (MN/m2) Epoxy 1100-1400 2.1-6.0 35-90 Polyester 1100-1500 1.3-4.5 45-85 Phenolic 1300 4.4 50-60

39

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên Sợi carbon tăng cường cho ống composite với các loại khác nhau của ma trận nhiệt dẽo đã được học.Năng lượng đặt biệt của ống dẽo nhiệt thực hiện theo trình tự PAS<PI<PEI< PEEK.Trong một nghiên cứu tương tự ,năng lượng hấp thụ của carbon / PEI (C/PEI) , carbon / polyimide (C/PI) ,carbon / polyarylsulfore (C/PAS) ,carbon / PEEK (C/PEEK) được khám phá và so sánh với carbon / epoxy va thủy tinh / polyester.Ống dẫn nhiệt carbon chứng tỏ khả năng hấp thụ năng lượng mạnh hơn ( ES = 128-194 kJ/Kg) so với cấu trúc carbon /epoxy (ES = 110 kJ/Kg) hoặc glass/polyester ( ES = 80 kJ/Kg)

2.5.2.7.3 Sợi và ma trận liên kết:

Những sự nghiên cứu được mơ tả ở trên hướng tới để liên hệ khả năng hấp thụ năng lượng của FRP tới những thuộc tính riêng lẻ của những sợi thành phần và ma trận của nĩ.Nĩ được đề xướng rằng năng lượng hấp thụ căn bản tùy thuộc vào dạng tương quan (hơn là tuyệt đối) đặc tính của sợi và ma trận. Nĩi riêng, ơng ta thơng báo những giá trị liên quan đĩ của sợi và sự biến dạng ma trận hỏng ảnh hưởng một cách đáng kể đến sự hấp thụ năng lượng.Nĩ được gợi ý rằng sự hấp thụ năng lượng cực đại đạt được từ một FRP, một ma trận vật chất với một biến dạng hỏng bậc cao so với sự tăng cường sợi cần phải được sử dụng.Điều này bảo đảm nghiền nhỏ bởi sự phân đoạn năng lượng cao.

2.5.2.7.4 Hiệu quả của sự định hướng và sự ngưng trữ:

Sự định hướng của những sợi trong một lớp đã cho, và sự định hướng tương đối của những lớp liên tiếp bên trong một sản phẩm nhiều tấm, cĩ thể ảnh hưởng một cách đáng kể đến những thuộc tính một thành phần cơ khí

Khả năng hấp thụ năng lượng khác nhau với các lớp định hướng.Các biến thể trong khả năng hấp thu năng lượng đặc biệt được quan sát để kiểm tra về [0 /]3ống carbon / epoxy

0 0

15  45 .Khả năng hấp thu năng lượng đặc giảm xuống khá rõ rệt trên giới hạn này.Điều này sẽ đề nghị rằng sợi carbon hấp thụ năng lượng nhiều nhất khi khuynh hướng của họ hướng tới sự đặt tải.Tuy nhiên, nĩ đã được lưu ý rằng một dát mỏng bao gồm toàn bộ các sợi00 sẽ khơng cĩ đặc tính hấp thụ năng lượng tốt. Trong đĩ, sự vắng mặt của một lớp ở bên ngồi vành lớp mỏng ống ( 0

40

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên Thích hợp tới những cái ống aramid/ epoxi, nĩ được quan sát mà quan sát những sự biến đổi nhỏ hơn trong khả năng hấp thụ năng lượng khoảng[0 /]3.Sự hấp thụ năng lượng đặc biệt nĩi chung tăng với việc tăng qua phạm vi 450  900 .Khơng cĩ sự biến đổi quan trọng được quan sát khỏang 150  450.Khuynh hướng này đối diện đối với việc được quan sát ống carbon-epoxi

2.6 Thuật toán va chạm tiếp xúc

2.6.1 Giới thiệu

Cách sử lý của sự trượt và tác động đến bề mặt luơn là một khả năng quan trọng trong mã DYNA3D. Ba phương pháp riêng biệt để xử lý điều này được thực hiện mà chúng tơi sẽ xem như phương pháp ràng buộc động học, phương pháp hàm phạt và phương pháp tham số phân tán. Trong đĩ, cách tiếp cận đầu tiên giờ chỉ được sử dụng cho buộc dao diện.Những giá trị liên quan đến mỗi cách tiếp cận được bàn luận ở dưới.

Giao diện cĩ thể được định nghĩa trong ba kích thước bằng việc liệt kê trong một trình tự bất kì tất cả các tam giác và những đoạn tứ giác mà gồm cĩ mỗi cạnh của bề mặt. Mỗi cạnh của bề mặt được chỉ định như cạnh phụ, Và cạnh khác được chỉ định như cạnh chính. Những nút nằm trong những bề mặt đĩ được tham chiếu tới như những nút chính và phụ tương ứng. Ở phương pháp hàm phạt cân đối, phân biệt này là khơng liên quan, nhưng phương pháp khác nút phụ bị bắt buộc trượt trên bề mặt chính sau tác động và phải tiếp tục vào bề mặt chính cho đến lực căng phát triển giữa nút và bề mặt.

Ngày nay, định nghĩa tiếp xúc tự động được thường sử dụng. Trong phương pháp này bề mặt phu và chính được tạo ra nội tại trong LS - DYNA từ bộ phận ID được đưa cho mỗi bề mặt. Cho mơ hình va chạm xe cộ hồn tồn thơng thường để bao gồm tồn bộ xe cộ trong một định nghĩa tiếp xúc bề mặt đơn nơi tất cả nút và yếu tố trong giao diện tương tác.

2.6.2 Phương pháp ràng buộc động học

Phương pháp ràng buộc động học mà sử dụng ảnh hưởng và điều kiện phĩng thích Hughes et al. [ 1976 ] đã được triển khai trước tiên trong DYNA2D [Hallquist 1976b] và cuối cùng mở rộng cho ba chiều trong DYNA3D. Ràng buộc được áp dụng trên cân bằng tồn cục do biến đổi của thành phần chuyển vị nút của nút phụ dọc theo bề mặt tiếp xúc. Biến đổi này cĩ ảnh hưởng loại

41

GVHD:TS.VŨ CƠNG HOÀ SV TH:Cơng Duyệt&Trung Nguyên bỏ mức độ bình thường của những nút tự do. Bảo quản hiệu suất của tích hợp thời gian rỏ ràng, khối được gọp lại đến chừng mực nào đĩ mà chỉ sự tự do của mức độ tồn cục của mỗi nút chính được kết hợp. Ảnh hưởng và điều kiện phĩng thích được áp dụng để đảm bảo sự thúc đẩy bảo tồn

Vấn đề nảy sinh với phương pháp này khi phân vùng bề mặt chính là tốt hơn phân vùng bề mặt phụ như đã cho thấy thành hai khía cạnh trong hình 23.1. Nút chủ nào đĩ ở đây cĩ thể xâm nhập qua bề mặt phụ khơng cĩ sức chống chịu và tạo nút trong đường thẳng trượt. Những nút như thế tương đối phổ biến với phương pháp này, và khi áp lực bề mặt cao, các nút này xuất hiện khơng một thì nhiều điểm vuơng gốc trở lên được dùng trong tích hợp phần tử. Nĩ cĩ thể bị tranh cãi, dĩ nhiên, phân vùng tốt hơn sẽ giảm thiểu những vấn đề như thế ; nhưng cho nhiều vấn đề mà cĩ quan tâm, phân vùng tốt trong cấu hình ban đầu cĩ thể rất xấu cho phân vùng sau này.Đĩ là trường hợp, chẳng hạn, khi sản phẩm cĩ dạng khí cĩ sức cơng phá mãnh liệt chống lại bề mặt bộ phận kiến trúc.

2.6.3 Phương pháp hàm phạt

Phương pháp hàm phạt được dùng trong chương trình chi tiết DYNA2D và DYNA3D cũng như trong chương trình ẩn NIKE2D và NIKE3D. Phương pháp bao gồm sự định vị giao diện gốc bình thường giữa tất cả các nút xâm nhập và thơng tin liên bề mặt tiếp xúc. Với sự khác biệt của ma trận độ cứng lị xo mà phải tập hợp lại thành ma trận cứng cục bộ, phương pháp ẩn và hiện thì tương tự. Chương trình NIKE2D / 3D và DYNA2D / 3D tính tốn một modulus duy nhất cho