Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí assessment of energy absorption of foam material for applications in fall protection by finite element analysis

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu xốp qua phân tích phần tử hữu hạn trong bảo vệ ngã.

• Tác giả: Vo Thanh Binh
• Người hướng dẫn: Assoc. Vu Cong Hoa
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Engineering Mechanics
• Đề tài: Đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu xốp trong bảo vệ ngã bằng phân tích phần tử hữu hạn
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
• Lời cảm ơn
• Tóm tắt tiếng Anh (Abstract)
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh mục hình ảnh
• Danh mục bảng biểu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu PU Foam trong và ngoài nước
• 1.3. Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp tiếp cận
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về vật liệu siêu đàn hồi
• 2.2. Cơ sở lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn và Dynamic Explicit
• 2.3. Tiêu chuẩn đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của kết cấu
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC BÀI TOÁN KỸ THUẬT
• 3.1. Thử nghiệm nén đơn trục trên mẫu PU trong mô phỏng và so sánh với bài báo
• 3.2. So sánh khả năng hấp thụ năng lượng giữa có xốp và không có xốp
• 3.3. Khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu xốp trong thử nghiệm thả rơi (Dụng cụ đo)
• 3.4. So sánh ảnh hưởng của một số vật liệu xốp: SP100, SP300, SP500 và SP1000

Tóm tắt

I. Đánh giá vật liệu foam

Việc đánh giá vật liệu foam trong khả năng hấp thụ năng lượng là rất cần thiết trong lĩnh vực bảo vệ ngã. Vật liệu foam, như polyurethane foam, có nhiều loại với độ cứng khác nhau, từ SP100 đến SP1000, mỗi loại có ứng dụng riêng trong các tình huống cụ thể. Theo tài liệu, vật liệu foam có khả năng hấp thụ năng lượng tốt, giúp giảm thiểu tác động khi xảy ra va chạm. Sự phân tích này được thực hiện thông qua phương pháp phần tử hữu hạn, giúp mô phỏng hành vi của vật liệu dưới tác động của lực. Đặc biệt, việc lựa chọn loại foam phù hợp dựa trên độ cứng và tính chất của từng loại là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bảo vệ trong các thiết bị chống rơi.

1.1 Khả năng hấp thụ năng lượng

Khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu foam được thể hiện qua khả năng giảm va đập và bảo vệ các thiết bị trong quá trình sử dụng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, độ cứng của foam ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ năng lượng; foam mềm có thể hấp thụ tốt hơn nhưng lại không đảm bảo độ ổn định cần thiết cho thiết bị. Thông qua việc phân tích các đường cong ứng suất-biến dạng, có thể xác định được cách mà foam phản ứng dưới áp lực và va chạm. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc phát triển sản phẩm mới mà còn trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm hiện tại.

II. Phân tích phần tử hữu hạn

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ chính trong việc mô phỏng và đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu foam. Bằng cách chia nhỏ mô hình thành các phần tử nhỏ hơn, FEM cho phép phân tích ứng suất và biến dạng một cách chính xác hơn. Trong nghiên cứu này, mô hình foam được tạo ra trong phần mềm Abaqus, cho phép thực hiện các bài thử nghiệm thả rơi và so sánh kết quả với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy độ lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn cho phép, chứng tỏ tính chính xác của mô hình. Việc ứng dụng FEM không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi của vật liệu dưới tác động bên ngoài.

2.1 Mô phỏng và đánh giá

Mô phỏng bằng FEM cho phép đánh giá chi tiết về hành vi của vật liệu foam trong các tình huống khác nhau. Các chỉ tiêu như giá trị G-Force cực đại, thời gian biến dạng và khả năng nén của foam đều được phân tích kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy, foam có độ cứng cao hơn như SP500 và SP1000 có khả năng bảo vệ tốt hơn trong các thử nghiệm thả rơi. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn đúng loại foam trong thiết kế sản phẩm, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thực tế.

III. Ứng dụng thực tiễn

Việc ứng dụng vật liệu foam trong bảo vệ ngã không chỉ giới hạn trong các sản phẩm cơ khí mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau như xây dựng, y tế và công nghiệp. Foam có thể được sử dụng để sản xuất các thiết bị bảo vệ cá nhân, đóng gói hàng hóa, hoặc trong các sản phẩm tiêu dùng như đệm và gối. Mỗi ứng dụng yêu cầu một loại foam phù hợp với đặc tính kỹ thuật riêng, từ đó đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu. Nghiên cứu này cung cấp những kiến thức thiết thực cho các nhà sản xuất và kỹ sư trong việc lựa chọn và phát triển sản phẩm mới.

3.1 Tương lai của vật liệu foam

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, vật liệu foam đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng. Sự nghiên cứu sâu về khả năng hấp thụ năng lượng của foam sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm an toàn hơn. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các phương pháp cải tiến để tối ưu hóa tính chất của foam, từ đó nâng cao hiệu quả bảo vệ và giảm thiểu chi phí sản xuất. Điều này không chỉ có lợi cho ngành công nghiệp mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng các vật liệu tự nhiên và tái chế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường vật liệu polyurethane xốp (PU Foam) trên toàn cầu đã đạt quy mô 114,8 tỷ USD vào năm 2019 và dự kiến tăng trưởng mạnh mẽ lên mức 157,63 tỷ USD vào năm 2026, với sản lượng sản xuất vượt mốc 25 triệu tấn mỗi năm. Nhờ đặc tính tỷ trọng thấp, khả năng chịu nén đàn hồi cao và giảm chấn vượt trội, PU Foam trở thành giải pháp vật liệu hàng đầu để bảo vệ chống sốc và chống rơi cho các thiết bị cơ khí chính xác. Tuy nhiên, việc lựa chọn sai độ cứng xốp có thể dẫn đến hiện tượng va đập thứ cấp giữa các linh kiện bên trong hoặc làm gia tăng gia tốc truyền động, gây hư hại nghiêm trọng cho sản phẩm khi xảy ra sự cố rơi tự do.

Nghiên cứu của tác giả Võ Thanh Bình (chuyên ngành Cơ kỹ thuật, mã số 8520101, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM) tập trung giải quyết bài toán đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của các dòng vật liệu xốp PU ứng dụng trong thiết bị chống rơi, trọng tâm là dòng thiết bị đo lường trong ngành xây dựng. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình vật liệu xốp phi tuyến chính xác trên phần mềm Abaqus, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học hiện (Dynamic Explicit) để mô phỏng bài toán thử nghiệm thả rơi từ độ cao tiêu chuẩn 1,0 m, đảm bảo độ lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng dưới 10%. Công trình được thực hiện từ ngày 04/09/2023 đến ngày 18/12/2023 và bảo vệ thành công vào ngày 11/01/2024. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ qua việc thiết lập quy trình tính toán số tối ưu, giúp giảm tải đỉnh gia tốc G-Force tác động lên các cụm linh kiện nhạy cảm, loại bỏ nguy cơ nứt vỡ và hạ thấp đáng kể chi phí thử nghiệm phá hủy trong sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng cơ học biến dạng lớn phi tuyến và lý thuyết vật liệu siêu đàn hồi (Hyperelasticity). Khác với các mô hình kinh điển như Neo-Hookean (dựa trên bất biến độ biến dạng đầu tiên $I_1$) hay Mooney-Rivlin (kết hợp hai bất biến $I_1$ và $I_2$) vốn áp dụng chủ yếu cho vật liệu cao su đặc không chịu nén với hệ số Poisson $\nu \approx 0,5$, mô hình vật liệu xốp tỷ trọng thấp (Low Density Foam - biến thể từ mô hình Ogden) được lựa chọn nhờ khả năng mô tả chính xác tính nén thể tích cao của cấu trúc ô xốp rỗng. Hàm thế năng biến dạng $U$ của mô hình Low Density Foam được thiết lập từ tổng các tỷ số giãn chính $\lambda_i$, tỷ số thể tích $J$ và các thông số vật liệu $\mu_i, \alpha_i, \beta_i$.

Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng va chạm (Crashworthiness criteria) được áp dụng bao gồm:

• Năng lượng hấp thụ toàn phần $EA = \int_0^{l_{max}} F(s)ds$, biểu thị công biến dạng dẻo và đàn hồi.
• Lực nghiền trung bình $P_m = EA / l_{max}$ và lực đỉnh ban đầu (IPCF).
• Hiệu suất lực nghiền $CFE = P_m / IPCF$ và năng lượng hấp thụ riêng trên đơn vị khối lượng $SEA = EA / m$.
• Gia tốc trọng trường cực đại $G = a / g$, phản ánh trực tiếp xung lực tác động lên cấu kiện theo thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phân tích số trị và đối chuẩn dữ liệu thực nghiệm:

• Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: Sử dụng mẫu chuẩn PU Foam kích thước hình học 30 mm x 30 mm x 20 mm cho bài toán nén đơn trục với độ võng cưỡng bức 14 mm. Khảo sát toàn diện 4 cấp độ cứng vật liệu xốp thương mại bao gồm SP100, SP300, SP500 và SP1000.
• Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Chuyển đổi dữ liệu bảng thông số kỹ thuật (datasheet) thành đường cong ứng suất - biến dạng thực nghiệm. Áp dụng giải thuật phi tuyến Levenberg-Marquardt để khớp đường cong (curve-fitting), trích xuất chính xác các bộ hằng số vật liệu đàn hồi phi tuyến.
• Phương pháp phân tích số: Sử dụng thuật toán tích phân thời gian sai phân trung tâm Dynamic Explicit trong Abaqus. Phương pháp này tối ưu cho các hiện tượng va đập cực ngắn (thời gian dưới 0,1 giây) do không yêu cầu nghịch đảo ma trận độ cứng toàn cục và giải quyết triệt để bài toán phi tuyến tiếp xúc phức tạp. Toàn bộ chuỗi dữ liệu được xử lý trong khung thời gian 16 tuần nghiên cứu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và thực nghiệm đối chứng đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

• Độ chính xác cao của mô hình nén đơn trục: Kết quả mô phỏng nén mẫu thử 30 mm x 30 mm x 20 mm với hành trình 14 mm trên Abaqus hoàn toàn trùng khớp với đồ thị lực - dịch chuyển thực nghiệm, độ lệch giá trị lực kháng nén cực đại đạt mức dưới 5%, khẳng định tính đúng đắn của mô hình Low Density Foam.
• Hiệu quả triệt tiêu xung lực của lớp đệm xốp: Khi thả quả cầu thép va đập vào tấm kính, sự hiện diện của lớp đệm PU Foam đã giúp giảm tải đỉnh phản lực va đập tới hơn 65% so với trường hợp không có đệm xốp, bảo vệ tấm kính nguyên vẹn không bị phá hủy cơ học.
• Phân hóa hành vi ứng xử giữa các mác xốp: Khảo sát 4 mác vật liệu từ SP100 đến SP1000 cho thấy mác SP100 quá mềm, bị nén xẹp hoàn toàn (bottoming-out), dẫn đến va chạm cơ học trực tiếp giữa các linh kiện; ngược lại mác SP1000 quá cứng làm gia tăng giá trị đỉnh gia tốc G-Force vượt mức an toàn; mác SP500 duy trì hành vi biến dạng tối ưu và hấp thụ năng lượng ổn định nhất.
• Đối chuẩn thả rơi thiết bị đo lường ở độ cao 1,0 m: Đồ thị gia tốc G-Force theo thời gian giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và thử nghiệm thả rơi vật lý có sự tương thích cao, sai số giá trị đỉnh gia tốc và thời lượng xung va đập đều duy trì dưới mức 10%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp thụ năng lượng của PU Foam hoạt động dựa trên sự xẹp đàn hồi liên tục của hàng triệu cấu trúc ô xốp kín và hở, kéo dài thời gian truyền xung lực va chạm (thời lượng xung vượt trên 0,02 giây) và triệt tiêu động năng rơi tự do. Dữ liệu từ biểu đồ biến dạng cho thấy mối tương quan phi tuyến rõ rệt: khi mật độ vật liệu tăng từ SP100 lên SP1000, mô đun đàn hồi tăng dần khiến khả năng chống lún tăng nhưng lại làm giảm độ êm dịu khi tiếp xúc ban đầu.

Bảng so sánh hành vi động lực học chứng minh việc sử dụng mác SP500 giúp loại bỏ hoàn toàn sự tiếp xúc cứng giữa vỏ ngoài và bo mạch cảm biến của thiết bị đo lường, đồng thời giữ biên độ gia tốc $G$ dưới ngưỡng dung sai cho phép. So với các nghiên cứu sử dụng cao su đặc hoặc kim loại sóng hấp thụ va chạm, PU Foam tỷ trọng thấp thể hiện ưu thế vượt trội về chỉ số năng lượng hấp thụ riêng $SEA$ trên mỗi đơn vị trọng lượng, vừa tối ưu hóa kết cấu nhẹ vừa tiết kiệm không gian lắp ráp bên trong thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thương mại hóa và nâng cao hiệu quả ứng dụng đệm xốp trong công nghiệp cơ khí chính xác, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất:

• Chuẩn hóa lựa chọn mác xốp SP500 cho thiết bị đo lường: Các bộ phận kỹ thuật cần ưu tiên sử dụng vật liệu PU Foam mác SP500 cho các dòng thiết bị đo cầm tay có khối lượng dưới 2,0 kg với yêu cầu chịu rơi tự do ở độ cao 1,0 m, giúp cắt giảm 15% đến 20% chi phí vật tư so với việc lạm dụng các dòng xốp cao cấp SP1000.
• Ứng dụng quy trình mô phỏng Dynamic Explicit trong thiết kế: Doanh nghiệp sản xuất cơ khí cần tích hợp quy trình mô phỏng Abaqus Low Density Foam vào giai đoạn R&D, đặt mục tiêu giảm thiểu từ 40% đến 50% số chu kỳ thử nghiệm thả rơi phá hủy mẫu thật, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường xuống dưới 3 tháng.
• Nghiên cứu ứng dụng phụ gia sinh học xanh Chitin: Nhóm phát triển vật liệu cần đẩy mạnh phối trộn phụ gia Chitin tự nhiên vào nền PU Foam với tỷ lệ thích hợp, hướng tới mục tiêu giảm chi phí sản xuất khoảng 870 USD/tấn vật liệu xốp và giảm mức độ phụ thuộc vào hóa chất gốc dầu mỏ.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa đường cong ứng suất - biến dạng: Phòng thí nghiệm chuyên ngành cần hoàn thiện thư viện dữ liệu vật liệu số cho toàn bộ dải độ cứng SP từ SP100 đến SP1000 trong vòng 6 tháng, tạo nền tảng cho việc tự động hóa thiết kế bao bì bảo vệ và vỏ chống va đập.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế R&D và đóng gói công nghiệp: Ứng dụng phương pháp luận của luận văn để lựa chọn chính xác độ dày và mác xốp chống sốc cho các sản phẩm cơ điện tử, quang học và thiết bị đo lường độ chính xác cao.
• Chuyên gia phân tích mô phỏng kết cấu (CAE/FEA): Nắm bắt kỹ thuật thiết lập mô hình vật liệu phi tuyến Low Density Foam, phương pháp khai báo tiếp xúc va đập phức tạp và kiểm soát sự ổn định trong phần mềm Abaqus Explicit.
• Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cầm tay và thiết bị xây dựng: Tối ưu hóa kết cấu vỏ bảo vệ đạt chuẩn kháng rơi thả va đập từ 1,0 m đến 2,0 m, giảm tỷ lệ bảo hành và đổi trả sản phẩm do rơi vỡ.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ học: Khai thác tài liệu làm tài liệu tham khảo chi tiết về cơ học va chạm, lý thuyết siêu đàn hồi và phương pháp giải số động lực học công trình.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mô hình Low Density Foam lại ưu việt hơn mô hình Neo-Hookean trong bài toán xốp PU?
Mô hình Neo-Hookean giả định vật liệu không chịu nén với hệ số Poisson gần bằng 0,5, không phản ánh đúng cấu trúc rỗng của bọt xốp. Mô hình Low Density Foam cho phép thể tích co ngót lớn theo phương nén đơn trục mà không gây nở hông quá mức, mô tả chính xác ứng xử phi tuyến của bọt khí nén với sai số dưới 5%.

Tiêu chí nào quyết định mức độ tin cậy của mô hình mô phỏng thả rơi?
Độ tin cậy được đánh giá dựa trên sự trùng khớp của đường cong gia tốc G-Force theo thời gian giữa mô phỏng và thực tế. Độ lệch của giá trị gia tốc đỉnh và độ dài xung va chạm phải duy trì dưới mức 10%, đồng thời không xuất hiện hiện tượng biến dạng xuyên thấu phần tử tiếp xúc.

Vì sao mác xốp SP100 không được khuyến nghị cho thiết bị đo lường rơi từ độ cao 1,0 m?
Mác SP100 có độ cứng kháng nén quá thấp. Khi chịu xung lực va đập từ độ cao 1,0 m, lớp đệm xốp nhanh chóng bị ép phẳng hoàn toàn đến giai đoạn đặc hóa kết cấu, làm mất khả năng tiêu tán năng lượng và gây va chạm thứ cấp phá hủy trực tiếp cụm cảm biến bên trong.

Lợi ích của việc bổ sung Chitin vào quá trình sản xuất PU Foam là gì?
Chitin là polyme tự nhiên dồi dào có chứa hai nhóm chức hydroxyl, có khả năng phản ứng trực tiếp với nhóm isocyanate. Việc phối trộn Chitin giúp giảm giá thành sản xuất khoảng 870 USD/tấn vật liệu, cải thiện tính phân hủy sinh học và giảm tác động tiêu cực đến môi trường từ chất thải gốc dầu mỏ.

Sự khác biệt cốt lõi giữa phương pháp Dynamic Explicit và Dynamic Implicit là gì?
Dynamic Implicit giải hệ phương trình cân bằng thông qua nghịch đảo ma trận độ cứng và lặp Newton-Raphson, phù hợp với dao động chậm trên 1,0 giây. Ngược lại, Dynamic Explicit sử dụng tích phân sai phân trung tâm trực tiếp qua ma trận khối lượng đường chéo, xử lý tối ưu các biến cố va đập phi tuyến diễn ra cực nhanh dưới 0,1 giây.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu PU Foam trong bài toán chống rơi cho thiết bị cơ khí chính xác.
• Mô hình siêu đàn hồi Low Density Foam trên Abaqus Dynamic Explicit được kiểm chứng có độ tin cậy cao với sai số so với thực nghiệm nén và thả rơi vật lý luôn dưới 10%.
• Xác định mác xốp SP500 là giải pháp tối ưu nhất cho thiết bị đo lường khi rơi từ độ cao 1,0 m, đảm bảo dung hòa giữa yêu cầu giảm tải gia tốc và tối ưu hóa chi phí.
• Lộ trình 6 tháng tiếp theo hướng tới việc mở rộng kiểm nghiệm mô hình va đập đa góc nghiêng và tích hợp vật liệu xốp composite thân thiện với môi trường vào sản xuất thực tế.
• Các đơn vị sản xuất và kỹ sư thiết kế cơ điện tử nên áp dụng ngay quy trình mô phỏng số này để rút ngắn chu kỳ nghiên cứu và nâng cao năng lực cạnh tranh cho sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY VO THANH BINH ASSESSMENT OF ENERGY ABSORPTION OF FOAM MATERIAL FOR APPLICATIONS IN FALL PROTECTION BY FINITE ELEMENT ANALYSIS Major: Engineering Mechanics Major code: 8520101 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, January 2024 i THIS THESIS IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Supervisor 1: Assoc. Vu Cong Hoa………………………………. Nguyen Ngoc Minh………………………………. Mai Duc Dai…………………………………………….

Pham Tan Hung……….……… This master’s thesis is defended at HCM City University of Technology, VNU- HCM City on 11th January 2024. Master’s Thesis Committee: 1. Nguyen Tuong Long - Chairman 2. Pham Bao Toan - Secretary 3.

Mai Duc Dai - Reviewer 1 4. Pham Tan Hung - Reviewer 2 5. Nguyen Ngoc Minh - Commissioner Approval of the Chair of Master’s Thesis Committee and Dean of Faculty of Applied Science after the thesis being corrected. CHAIR OF THESIS COMMITTEE DEAN OF FACULTY OF APPLIED SCIENCE Master Thesis Vo Thanh Binh ii VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom - Happiness THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: Vo Thanh Binh Student ID: 2270002 Date of birth: 31/10/1999 Place of birth: Vung Tau Major: Engineering Mechanics Major ID: 8520101 I.

THESIS TITLE (In Vietnames): Đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu xốp trong thiết bị chống rơi bằng phương pháp phần tử hữu hạn. THESIS TITLE (In English): Assessment of energy absorption of Foam Material for applications in fall protection by Finite Element Analysis. TASKS AND CONTENTS: This thesis presents assessment of energy absorption of Foam material for applications in fall protection of some mechanical products, especially Measurement Tool that is focused more. Initially, there are a lot of Foam types with difference hardness such as SP100, SP300, SP500, SP1000,… From material datasheet, convert and calculate to have stress-strain curve for PU Foam material and Low Density Foam model will is chosen in simulation on Abaqus software.

The next step is to apply Dynamic Explicit Method to solve drop test problem. Subsequently, compare simulation result with testing (the deviation is allowed below 10%) based on some criteria: peak G- Force value, shape duration, compression and behavior of Foam. Finally, based on simulation result of some Foam types, propose a suitable Foam. THESIS START DAY: 4th September 2023……………………………………………… V.

THESIS COMPLETION DAY: 18th December 2023……………………………. Vu Cong Hoa, Dr. Nguyen Ngoc Minh………………. Ho Chi Minh City,………………………….

SUPERVISOR 1 SUPERVISOR 2 HEAD OF DEPARTMENT DEAN OF FACULTY OF APPLIED SCIENCE Master Thesis Vo Thanh Binh iii ACKNOWLEDGEMENT To begin with, I want to thanks Assoc. Vu Cong Hoa and Dr. Nguyen Ngoc Minh who supervised my thesis. Without the dedication to point out the shortcomings, I would not have been able to complete this thesis.

I would like to show my respect to them, they often encourage me to work hardly and check for mistakes before making any decisions. I would like to express my gratefulness to the University of Technology - Viet Nam National University Ho Chi Minh City, especially the Department of Engineering Mechanics for the knowledge and advices they have given to me for two years Master’s Degree in college. I also offer with my sincere thanks to my friends for all their support, their comments help me add a lot of useful things to my thesis. Last but not least, I am profoundly grateful to my parents for their financially support and encouragement throughout my education.

Student Vo Thanh Binh Master Thesis Vo Thanh Binh iv ABSTRACT Foam and sponge rubber are compressible, resilient, lightweight materials that help insulate, absorb shock and impact, reduce vibration, and seal gaps and joints. Foams can be closed-cell, more suited to sealing applications, or open-celled, which are typically better for damping applications. The density and size of Foam area usually differ based on each specific product. Besides, there are also a lot of Foam types with difference hardness such as SP100, SP300, SP500, SP1000,… Depending on working condition, avoid collision between some components, we can choose Foam hardness reasonably because hardness grows, acceleration at sensor position of a specific component which is leaned on Foam in drop test process is also high (measured acceleration value need to be satisfied and smaller allowed acceleration).

Last but not least, price also affect accordingly when Foam hardness rises. This thesis presents assessment of energy absorption of Foam material for applications in fall protection of some mechanical products, especially Measurement Tool that is focused more. The Hyperelastic material model theory, Finite Element Method and the Dynamic Explicit Method are applied for computing. Initially, there are a lot of Foam types with difference hardness such as SP100, SP300, SP500, SP1000,… based on experience we need to give some Foam types to verify and simulate.

Secondly, from material datasheet of customer provided, we will convert and calculate to have stress-strain curve for PU Foam material and Low Density Foam model will is chosen in simulation on Abaqus software. The next step is to apply Dynamic Explicit Method to solve drop test problem to evaluate behavior of that product and Foam or identify acceleration values, stress/strain on components. Subsequently, from Testing result, compare simulation result and test data (the deviation is allowed below 10%) based on some criteria: peak G-Force value, shape duration, Foam compression and behavior (collision or not) from that we have a certain reliability to evaluate components in a product whether they have safe or not? Master Thesis Vo Thanh Binh v Finally, based on simulation result of some Foam types, we will propose a suitable Foam and satisfy some necessary conditions. Master Thesis Vo Thanh Binh vi TÓM TẮT LUẬN VĂN Cao su hoặc cao su xốp là những vật liệu nhẹ, có khả năng nén, đàn hồi, giúp cách nhiệt, giảm chấn, giảm va đập và giảm độ rung, đồng thời bịt kín các khoảng trống và mối nối.

Cao su xốp có thể ở dạng ô kín, phù hợp hơn với các ứng dụng bịt kín hoặc dạng ô mở, thường tốt hơn cho các ứng dụng giảm chấn. Mật độ và kích thước vùng cao su xốp thường khác nhau tùy theo ứng dụng từng sản phẩm cụ thể. Ngoài ra còn có rất nhiều loại cao su xốp có độ cứng khác nhau như SP100, SP300, SP500, SP1000,… Tùy theo điều kiện làm việc, tránh va chạm giữa một số bộ phận mà chúng ta có thể chọn độ cứng của cao su xốp hợp lý vì độ cứng tăng dần, gia tốc ở vị trí cảm biến cũng cao tại vị trí mà chúng ta cần đo (giá trị gia tốc đo được cần phải nhỏ hơn giá trị gia tốc cho phép dựa theo tiêu chuẩn đưa ra). Cuối cùng, dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra đưa ra độ cứng phù hợp (giá càng mắc khi độ cứng của cao su xốp càng tăng).

Luận văn trình bày việc đánh giá khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu cao su xốp, ứng dụng trong bảo vệ rơi của một số sản phẩm cơ khí, đặc biệt là dụng cụ đo cái mà sử dụng trong lĩnh vực ngành xây dựng được chú trọng nhiều hơn. Lý thuyết mô hình hóa vật liệu siêu đàn hồi, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp động lực học được áp dụng cho tính toán và mô phỏng. Ban đầu có rất nhiều loại cao su xốp có độ cứng khác nhau như SP100, SP300, SP500, SP1000,… dựa theo kinh nghiệm chúng ta cần đưa ra một số loại cao su xốp để kiểm chứng và mô phỏng. Thứ hai, từ bảng dữ liệu vật liệu khách hàng cung cấp, chúng tôi sẽ chuyển đổi và tính toán để có đường cong ứng suất - biến dạng cho vật liệu cao su xốp và chọn mô hình Low Density Foam để mô phỏng trên phần mềm Abaqus.

Bước tiếp theo là áp dụng phương pháp động lực học để giải quyết bài toán thử nghiệm thả rơi vật nhằm đánh giá ứng xử của cao su xốp và của sản phẩm đó hoặc xác định các giá trị gia tốc, ứng suất/biến dạng trên các bộ phận của sản phẩm. Sau đó, từ kết quả thí nghiệm, so sánh giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm (độ lệch cho phép dưới 10%) dựa trên một số tiêu chí: giá trị gia tốc cực đại, hình dáng ứng xử và độ nén của cao Master Thesis Vo Thanh Binh vii su xốp theo thời gian, có xảy ra va chạm giữa các bộ phận trong sản phẩm đó hay không, từ đó chúng ta có độ tin cậy nhất định để đánh giá các thành phần trong một sản phẩm có an toàn hay không? Cuối cùng, dựa trên kết quả mô phỏng của một số loại cao su xốp, chúng ta sẽ đề xuất một loại cao su xốp phù hợp và thỏa mãn một số điều kiện cần thiết ví dụ như độ cứng vừa đủ để giảm chi phí. Master Thesis Vo Thanh Binh viii COMMITTMENT I commit that this thesis was written by myself, the data, information and references used in the thesis are truthful, have clear citations, and the thesis is only submitted at HCM City University of Technology, VNU- HCM City. Ho Chi Minh city, 11th January 2024 Student Vo Thanh Binh Master Thesis Vo Thanh Binh ix TABLE OF CONTENTS CHAPTER 1: OVERALL ABOUT RESEARCH THEME.

The urgency of theme. Research status of PU Foam in the country and abroad. Analyze the advantages and disadvantages of the approach. The purpose of theme.

The research scope. The research content. The research method. 10 CHAPTER 2: THEORETICAL BASIS………………………………….

Theoretical basis of Hyper-elastic. Theoretical basis of finite element method and Dynamic Explicit. Criterions for evaluating the energy absorption capacity of structure.25 CHAPTER 3: ENGINERRING PROBLEMS……………………………. Uniaxial compression test on PU sample in Simulation and compare with Article 32 3.

Compare Energy Absorption between with Foam and without Foam………. Energy absorption of Foam in drop test (Measurement Tool)………. Compare affection of some Foam materials: SP100, SP300, SP500 and SP1000. 69 Master Thesis Vo Thanh Binh x LIST OF PICTURES Figure 1.

Example for stress-strain curve of PU Foam material. Example for Foam Material. One of Applications for Foam Material. One of Applications for Foam Material.

Process and formation of polyurethane foam. Stress versus strain curves of low-density foam. Comparison of Implicit and Explicit solution costs. Force-displacement, energy-displacement and deformation efficiency- displacement curves of an axially loaded tube.

(a) PU sample,(b) compression test machine,(c) compression test configuration. PU sample: 30 mm (length) x 30 mm (width) x 20 mm (height). The stress-strain curve from Testing. Material property of Foam in Abaqus software.

Boundary condition of the problem. Load of the problem. The Force-Displacement graph of Experiment and Simulation. The Force-Displacement graph and compression process of Foam.

The Force-Displacement graph of Neo-Hook and Foam models. Compression of PU sample between Neo-Hook and Foam models. Fall drop model of Iron Ball on Glass with support from Foam. Deformation of Glass between with Foam and without Foam.

The Force – Time graph between with Foam and without Foam. The strength of Glass between with Foam and without Foam. Fall drop model of Measurement Tool on Ground from height 1m. Cross Section view of Measurement Tool product.

Other view of Measurement Tool product. Introduction about SP500 Material. Material properties of SP500. 44 Master Thesis Vo Thanh Binh xi Figure 3.

Energy Absorption of SP500 Material. The stress-strain curve for SP500 material. Set up model for Measure Tool. The G-Force time graph and deformation of Foam SP500.

Foam compression in drop process of Foam SP500. Behavior of components when having support from Foam SP500. The G-Force time graph from Testing.