Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Công Nghệ Đúc Chân Không Và Tính Toán Kết Cấu Vật Liệu Composite Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

• Tác giả: Ong Kiến Thành
• Người hướng dẫn: Pgs. Phan Đình Huấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ đúc chân không và tính toán kết cấu vật liệu composite bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Lịch sử và tình hình phát triển
• 1.3. Cấu tạo của vật liệu composite
• 1.4. Ưu điểm chủ yếu của vật liệu composite
• 1.5. Ứng dụng của vật liệu composite
• 1.6. Mục tiêu của luận văn
• 1.7. Nội dung thực hiện của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO COMPOSITE
• 2.1. Các công đoạn của quá trình chế tạo vật liệu composite
• 2.1.1. Chuẩn bị nền và cốt
• 2.1.2. Kết hợp nền-cốt
• 2.1.3. Gia công sau kết hợp nền-cốt
• 2.1.4. Kiểm tra sản phẩm
• 2.2. Khái quát về các phương pháp tạo sản phẩm bằng vật liệu composite
• 2.2.1. Trải lớp bằng tay (Hand Lay up)
• 2.2.2. Trải lớp bằng phun bắn (Spray-Up)
• 2.2.3. Đúc chuyển resin RTM (Resin Transfer Moulding)
• 2.2.4. Đúc chuyển resin có sự trợ giúp của chân không VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding)
• 2.2.5. Tạo lớp liên tục (Continous Laminating)
• 2.2.6. Tạo sản phẩm bằng cách đan sợi (Filament Winding)
• 2.3. Lựa chọn công nghệ
• 3. CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ĐÚC CHÂN KHÔNG
• 3.1. Các bộ phận, vật liệu làm kín khí
• 3.2. Vật liệu làm màng
• 3.3. Các vật liệu rút trích khí
• 3.4. Kẹp và cơ cấu kẹp
• 3.5. Các dụng cụ khác
• 3.6. Quy trình thao tác
• 3.7. Ưu nhược điểm
• 3.8. Giới thiệu quá trình đúc chân không của công ty West System (Mỹ)
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 4.1. Chế tạo mẫu xác định cơ tính
• 4.2. Chế tạo sản phẩm bằng máy hút chân không
• 4.3. Nhận xét
• PHẦN II: TÍNH TOÁN KẾT CẤU VẬT LIỆU COMPOSITE
• 5. CHƯƠNG 5: CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE
• 5.1. Mục đích của việc xác định cơ tính
• 5.2. Các thông số cơ bản về cơ tính của vật liệu composite
• 5.3. Xác định cơ tính mẫu theo lý thuyết
• 5.4. Xác định cơ tính mẫu bằng máy kéo nén
• 5.5. Nhận xét
• 6. CHƯƠNG 6: GIẢI BÀI TOÁN KẾT CẤU VẬT LIỆU COMPOSITE
• 6.1. Composite một lớp
• 6.2. Composite nhiều lớp
• 6.3. Tấm composite chịu uốn
• 6.4. Dầm composite chịu uốn
• 6.5. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 6.5.1. Trình tự phân tích bài toán theo PPPTHH
• 6.5.2. Phần mềm ANSYS
• 6.5.2.1. Giới thiệu chung
• 6.5.2.2. Những tính năng nổi bật của ANSYS
• 6.5.2.3. Các modul của ANSYS
• 6.6. Tính toán kết cấu tấm composite
• 6.6.1. Nội dung bài toán
• 6.6.2. Tính toán theo lý thuyết
• 6.6.3. Sử dụng phần mềm ANSYS
• 6.7. Tính toán kết cấu dầm composite
• 6.7.1. Nội dung bài toán
• 6.7.2. Tính toán theo lý thuyết
• 6.7.3. Sử dụng phần mềm ANSYS
• 6.8. Nhận xét
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 3. Chế tạo chi tiết bánh lái (rudder) của thuyền (quy trình chế tạo của công ty West System-Mỹ)
• Phụ lục 4. Bản vẽ lắp và bản vẽ tách 2D khung máy hút chân không
• Phụ lục 5.1. Các bước cài đặt thông số kéo mẫu trên phần mềm TRAPEZIUM của máy kéo nén UH-F500KNI
• Phụ lục 5.2. Biểu đồ lực kéo-chuyển vị của các mẫu ở những trường hợp và bảng thông số kết quả
• Phụ lục 6.1a. Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu tấm composite (Trường hợp tấm bị ngàm bốn cạnh)
• Phụ lục 6.1b. Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu tấm composite (Trường hợp tấm tựa tự do trên bốn cạnh)
• Phụ lục 6.2a. Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu dầm composite (Trường hợp dầm chịu uốn ba điểm)
• Phụ lục 6.2b. Sử dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu dầm composite (Trường hợp dầm chịu uốn bốn điểm)

I. Công nghệ đúc chân không

Công nghệ đúc chân không là một phương pháp tiên tiến trong chế tạo vật liệu composite, giúp loại bỏ không khí và tạo ra sản phẩm có độ đồng nhất cao. Phương pháp này sử dụng hệ thống túi chân không, bơm chân không và các vật liệu làm kín để đảm bảo quá trình đúc diễn ra hiệu quả. Công nghệ đúc chân không không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu khuyết tật như bọt khí và rỗ xốp.

1.1. Thiết bị và vật liệu

Hệ thống công nghệ đúc chân không bao gồm các thiết bị chính như bơm chân không, túi chân không, màng làm kín (PA, PVC, PET) và vật liệu rút khí. Bơm chân không, ví dụ như loại 07061-40 của GAST, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo áp suất chân không. Màng làm kín giúp ngăn không khí xâm nhập vào quá trình đúc, trong khi vật liệu rút khí đảm bảo loại bỏ hoàn toàn không khí khỏi vật liệu composite.

1.2. Quy trình và ưu nhược điểm

Quy trình đúc chân không bao gồm các bước chuẩn bị vật liệu, đặt vào túi chân không, hút không khí và đợi quá trình đông kết. Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra sản phẩm có độ chính xác cao, giảm thiểu khuyết tật và tiết kiệm nguyên liệu. Tuy nhiên, nhược điểm là chi phí đầu tư thiết bị cao và yêu cầu kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn.

II. Vật liệu composite

Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hoặc nhiều thành phần khác nhau, mang lại tính năng vượt trội so với vật liệu ban đầu. Composite thường bao gồm cốt sợi (thủy tinh, carbon) và nền nhựa (polyester, epoxy). Vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô và xây dựng nhờ độ bền cao, nhẹ và khả năng chống ăn mòn.

2.1. Phân loại và cấu tạo

Vật liệu composite được phân loại theo bản chất nền (nhựa, kim loại, vô cơ) và hình học cốt (sợi, hạt, cấu trúc). Cốt sợi có thể phân bố đồng phẳng, đẳng hướng hoặc trực hướng, ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của vật liệu. Ví dụ, composite cốt sợi thủy tinh có độ bền cao theo hướng sợi, trong khi composite cốt hạt thô như bê tông có tính đẳng hướng.

2.2. Ứng dụng và phát triển

Vật liệu composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo vỏ tàu, bộ phận máy bay và các sản phẩm công nghiệp nhẹ. Sự phát triển của vật liệu composite đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, đặc biệt trong việc cải thiện tính năng cơ học và giảm chi phí sản xuất. Các ứng dụng thực tế như vỏ tàu composite trọng tải 80 tấn tại Việt Nam và bộ phận máy bay Airbus A380 là minh chứng cho tiềm năng của vật liệu này.

III. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ tính toán hiệu quả để phân tích kết cấu vật liệu composite. Phương pháp này chia vật liệu thành các phần tử nhỏ, áp dụng các phương trình cơ học để mô phỏng hành vi của vật liệu dưới tải trọng. Phương pháp phần tử hữu hạn giúp dự đoán độ bền, độ cứng và biến dạng của vật liệu, từ đó tối ưu hóa thiết kế sản phẩm.

3.1. Cơ sở lý thuyết

Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên các nguyên lý cơ học vật rắn và toán học để mô hình hóa kết cấu vật liệu. Các phần tử được kết nối với nhau thông qua các nút, tạo thành mạng lưới mô phỏng toàn bộ cấu trúc. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác ứng suất, biến dạng và chuyển vị của vật liệu composite dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.

3.2. Ứng dụng thực tế

Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích kết cấu tấm và dầm composite. Ví dụ, phần mềm ANSYS được sử dụng để tính toán chuyển vị của dầm chịu uốn bốn điểm, so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm thời gian và chi phí thử nghiệm mà còn cung cấp dữ liệu chính xác để cải thiện thiết kế sản phẩm.