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

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.

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.