MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay thép tấm được ứng dụng ngày càng rộng rãi và trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau. Thép tấm có thể dùng để chế tạo nhiều dạng sản phẩm như: các đồ gia dụng, nắp vỏ bảo vệ các thiết bị điện - điện tử, tạo khung, ống, bồn chứa, nhà kết cấu thép, cầu,… Nó được ứng dụng và nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực hàng không – vũ trụ, các phương tiện giao thông chủ yếu là các nắp, vỏ, khung của các thiết bị làm việc với vận tốc cao và chịu áp lực va chạm lớn. Đặc biệt trong công nghệ đóng tàu vỏ thép thì kim loại tấm là loại vật liệu không thể thiếu, nó chiếm hơn 90% trọng lượng của con tàu.
Có nhiều loại tàu vỏ thép khác nhau như: Tàu container, tàu chở hàng rời, tàu chở hàng lỏng, tàu quân sự, tàu du lịch, tàu đánh cá,… Dù là các loại tàu khác nhau nhưng kết cấu của một tàu vỏ thép bao gồm các phần: Khung, vỏ, boong (thượng tầng), máy và các thiết bị tàu. Từ kết cấu của tàu vỏ thép [1] chúng ta có thể thấy, phần vỏ tàu có biên dạng là những bề mặt cong trơn nối tiếp với nhau. Vỏ tàu chế tạo từ kim loại tấm được uốn bằng các cách khác nhau để tạo ra hình dạng của từng phần vỏ tàu sau đó được hàn lại với nhau. Tương tự cách gia công như vậy được sử dụng với các cửa ra vào của tàu, cửa thông giữa các khoang bên trong tàu hay các cửa sổ trên tàu, hoặc bên trong kết cấu của bệ máy cũng sử dụng nhiều chi tiết có biên dạng cong được gia công bằng phương pháp uốn.
Với những tấm thép mỏng thì việc uốn tạo hình khá dễ dàng và ít ảnh hưởng đến độ bền. Nhưng với những tấm thép dầy, đòi hỏi độ chính xác cao thì việc uốn tạo hình đòi hỏi cần có công nghệ phức tạp và cần các máy móc có công suất rất lớn. Tuy nhiên, dù là kim loại tấm mỏng hay dầy khi tạo hình đều cần phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về hình dáng và kích thước. Và một trong những vấn đề quan trọng đã và đang được sự quan tâm nhiều đối với quá trình tạo hình cho kim loại tấm là hiện tượng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình và lực tạo hình cần thiết.
Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM), được sử dụng rộng rãi để phân tích các đặc điểm tạo hình, dự đoán hiện tượng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình, tính toán lực tạo hình cần thiết và cải thiện quá trình tạo hình. Thực tế đã cho thấy ABAQUS là một trong những phần mềm có khả năng ứng dụng rất cao trong việc phân tích các đặc điểm tạo hình, dự đoán hiện tượng biến dạng đàn hồi sau quá trình tạo hình và cải thiện quá trình tạo hình. Đã có nhiều nhà nghiên cứu đã tìm hiểu về hiện tượng biến dạng đàn hồi sau biến dạng tạo hình và trạng thái ứng xử của vật liệu khi sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu và sử dụng mô hình Voce’s [2], [3] khi khảo sát biến dạng vật liệu ở điều kiện nhiệt độ đẳng hướng và mô hình Johson-Cook (J-C) [4] cho điều kiện nhiệt độ cao. Trong mô hình J-C có sự kết hợp các tiêu chí vùng ứng suất Von-Mises, biến dạng dẻo tương đương, tốc độ biến dạng và nhiệt độ.
Thép tấm SS400 là loại vật liệu được sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong các lĩnh vực kết cấu thép, phương tiện giao thông đường thủy, đường bộ,… đặc biệt tại Hải Phòng, một thành phố có nhiều công ty gia công chế tạo các sản phẩm thuộc lĩnh vực trên như: Công ty đóng tàu Nam Triệu, Công ty đóng tàu Phà Rừng, Công 1 ty đóng tàu Bạch Đằng, Công ty đóng tàu Sông Cấm, Công ty đóng tàu Đại Dương,… Trong các doanh nghiệp này lượng phôi đầu vào để chế tạo các sản phẩm chủ yếu là kim loại tấm, các tấm có độ dầy từ chưa tới 1mm đến hàng trăm mm. Các công trình khoa học hiện nay đã thực hiện nghiên cứu quá trình uốn tấm ở nhiệt độ phòng và có gia nhiệt, tuy nhiên đa phần là chỉ thực hiện với các tấm mỏng và vật liệu là thép hợp kim hay thép cán nguội. Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận thấy hiện tượng đàn hồi lại sau biến dạng và lực tạo hình cần thiết chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ khi uốn thép tấm SS400 có gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ và vấn đề này cũng chưa có nghiên cứu nào gần đây đề cập. Điều này cho thấy đây là một vấn đề nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn cao, có tiềm năng lớn để áp dụng trong thực tiễn sản xuất.
Được sự đồng ý của tập thể giáo viên hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình bày, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của gia nhiệt trong quá trình uốn thép tấm để chế tạo một số chi tiết tàu thủy” 2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực uốn tạo hình và góc biến dạng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình khi uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép tấm SS400 trong chế tạo một số chi tiết tàu thủy. Đề xuất và áp dụng phương thức tổng hợp mới xác định các tham số của mô hình toán học bền vật liệu kết hợp sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn quá trình uốn tấm có gia nhiệt. Xây dựng các mô hình toán học miêu tả quan hệ giữa các thông số công nghệ đầu vào (nhiệt độ nung phôi, bán kính chày, hành trình chày) đến các thông số công nghệ đầu ra (lực tạo hình, góc đàn hồi lại, bán kính chi tiết, góc uốn chi tiết).2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu *) Đối tượng nghiên cứu: - Thép tấm có mác SS400 được sử dụng trong công nghiệp chế tạo tàu thủy, kết cấu thép.
- Chi tiết tàu thủy có biên dạng cong được gia công uốn hình chữ V. - Quá trình uốn thép tấm có gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ. - Mô hình ứng xử vật liệu và mô hình toán học bền vật liệu sử dụng trong gia công uốn. *) Phạm vi nghiên cứu: - Thép tấm cán nóng mác SS400 có độ dày 5mm.
Mẫu thực nghiệm được gia công theo hướng cán của tấm. - Các điều kiện nhiệt độ nghiên cứu: nhiệt độ phòng; 3000C; 6000C. - Hành trình dịch chuyển của chày theo phương thẳng đứng H: 10mm; 16mm và 22mm. - Bán kính chày uốn Rch: 10mm; 15mm và 20mm.
Phương pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng kết hợp với thực nghiệm. - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu các công trình đã công bố trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ uốn tấm có gia nhiệt phục vụ cho đối tượng nghiên cứu trong luận án. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng quá trình kéo/nén mẫu thử kéo và uốn tấm hình chữ V có gia nhiệt. - Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng các thí nghiệm kéo, uốn ở các mức nhiệt độ khác nhau.
Xử lý số liệu và đánh giá kết quả lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện trong luận án. - So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng để xác định sự phù hợp của mô hình toán đề xuất. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án *) Ý nghĩa khoa học: - Đã đề xuất và áp dụng phương thức tổng hợp mới cho việc xác định các tham số của mô hình toán học bền vật liệu kết hợp (combined hardening) mô hình vật liệu này được ứng dụng để tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho quá trình uốn thép tấm SS400 ở các mức nhiệt độ khác nhau: nhiệt độ phòng, 3000C, 6000C. - Đã phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến lực tạo hình, độ chính xác hình dạng và kích thước của chi tiết uốn làm từ thép tấm SS400 thông qua xác định sự thay đổi của góc biến dạng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình (springback) khi uốn ở nhiệt độ phòng, 3000C và 6000C.
- Xây dựng được quan hệ của các tham số công nghệ đầu vào (nhiệt độ nung phôi, hành trình dịch chuyển của chày, bán kính chày) đến yếu tố đầu ra của quá trình tạo hình khi uốn chi tiết hình chữ V làm từ thép tấm SS400 sử dụng trong công nghiệp đóng tàu như: góc đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình (springback), lực tạo hình, góc uốn tạo hình chi tiết, bán kính chi tiết sau quá trình tạo hình. *) Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả của nghiên cứu có thể sử dụng cho phân tích dự đoán chính xác lực tạo hình cần thiết (lựa chọn thiết bị gia công có công suất phù hợp) và góc đàn hồi lại sau uốn tạo hình (xác định được chính xác hình dạng chi tiết) khi gia công uốn chi tiết hình chữ V có gia nhiệt làm từ thép tấm SS400 sử dụng trong công nghệ đóng tàu. - Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở sản xuất và phòng nghiên cứu tham khảo về mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ (nhiệt độ nung phôi, bán kính chày uốn, hành trình của chày) đến các yếu tố đầu ra như: góc biến dạng đàn hồi sau quá trình tạo hình, lực tạo hình, góc tạo hình và bán kính chi tiết. 3 - Có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo về cách thức mô tả quá trình uốn kim loại tấm, dự đoán hiện tượng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình (springback) khi sử dụng theo phương pháp phần tử hữu hạn.
Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng được hệ thống thực nghiệm thử kéo xác định cơ tính của thép tấm SS400 ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau (320C, 3000C và 6000C). Từ đó xác định được các tham số của mô hình toán học bền vật liệu sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho quá trình phân tích phần tử hữu hạn quá trình kéo/nén và uốn chi tiết hình chữ V ở ba mức nhiệt độ nếu trên dùng trong đóng tàu bằng phần mềm ABAQUS. - Đã xây dựng mô hình thực nghiệm uốn có gia nhiệt và tiến hành thực nghiệm sau đó phân tích làm rõ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiện tượng biến dạng đàn hồi lại sau biến dạng tạo hình (springback) và lực tạo hình.