ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan về vật liệu 1.1 Giới Thiệu Ngày nay, Vật liệu Composite đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp tiên tiến trên thế giới nhƣ: ngành hàng không, vũ trụ… do có nhiều đặc tính hơn hẳn so với kim loại ví dụ nhƣ: khối lƣợng nhẹ, độ bền và mô đun đàn hồi cao, khả năng cách nhiệt, cách âm tốt. Hiện nay, Composite nhiều lớp là loại vật liệu đƣợc dùng rất phổ biến, nó thƣờng đƣợc tạo thành bởi các lớp vật liệu đàn hồi đồng nhất kết hợp với nhau nhằm tạo ra một loại vật liệu có các đặc tính tốt về cơ – nhiệt, Tuy nhiên do Composite đƣợc cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau nên sự thay đổi đột ngột về đặc tính vật liệu giữa các lớp, tại mặt tiếp giáp giữa các lớp sẽ sinh ra ứng suất tiếp xúc lớn, có thể dẫn đến tách lớp làm cho cơ tính vật liệu bị hƣ hỏng. Để khắc phục nhƣợc điểm của vật liệu Composite nhiều lớp ngƣời ta nghiên cứu sử dụng vật liệu phân loại theo chức năng -Functionally Graded Materials -(FGM), có đặc tính vật liệu thay đổi liên tục giữa các lớp. Thật vậy, bằng cách thay đổi dần các thành phần vật liệu theo hƣớng bề dày thì ta có đƣợc sự thay đổi một cách liên tục về các đặc trƣng, tính năng của vật liệu tùy theo tỉ lệ giữa các pha, đồng thời thoả mãn các điều kiện tối ƣu khi vật liệu làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt.2 Ứng dụng Do nhu cầu cần thiết có một loại vật liệu có thể chịu đƣợc các điều kiện làm việc khắc nghiệt, Vật liệu FGM đã đƣợc nghiên cứu chế tạo lần đầu tiên tại Nhật Bản bởi một số dự án nghiên cứu vật liệu của các nhà khoa học quân sự và giáo dục, vào năm 1984, vật liệu FGM đƣợc giới thiệu lần đầu tiên bởi các nhà khoa học thuộc viện nghiên cứu Sudan, Nhật Bản.
1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Đây là một loại vật liệu Composite mà tính chất của nó thay đổi liên tục và tăng hoặc giảm dần từ lớp này sang lớp khác, những đặc tính củavật liệu sẽ thay đổi theo bề dày của tấm vật liệu.Vì thế, trong vật liệu FG sẽ tồn tại nhiều tính chất tốt khác nhau, ví dụ một mặt có độ bền cơ học cao, trong khi mặt khác có khả năng chịu nhiệt độ cao.1 Tấm FGM ZrO2/NiCoCrAlY Từ khi vật liệu FGra đời, nó không những thu hút đƣợc nhiều nhà nghiên cứu ở Nhật Bản mà còn nhận đƣợc nhiều sự quan tâm quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới.Với các tính năng ƣu việt nhƣ vậy, vật liệu FGM rất thích hợp ứng dụng trong các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại nhƣ[1]: Trong hàng không: Vật liệu FGM dùng để chế tạo lớp vỏ của tàu con thoi, tên lửa… lớp ngoài làm bằng gốm, lớp trong làm bằng Titanium, với loại vật liệu này tàu có thể chịu đƣợc nhiệt độ rất cao khi bay với tốc độ siêu âm trong môi trƣờng không khí nhƣng vẫn đảm bảo độ bền, dẻo dai của kết cấu tàu, tránh đƣợc các biến dạng do ứng suất nhiệt gây ra đồng thời giảm trọng lƣợng cũng nhƣ chi phí về vật liệu[1]. Động cơ tên lửa: Vật liệu FGM đƣợc sử dụng để chế tạo các van xả-xupap, buồng đốt nhiên liệu…Vì nó có khả năng chịu đƣợc nhiệt độ cao, lên đến hàng nghìn độ (oC) mà vẫn đảm bảo độ bền cũng nhƣ tuổi thọ cho kết cấu, khi các chi tiết đƣợc chế tạo 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN bằng vật liệu này có thể loại bỏ đƣợc ứng suất nhiệt, tránh bị ăn mòn do sự oxi hóa cũng nhƣ sự rạn nứt của bề mặt.2 Ứng dụng vật liệu FGM trong việc chế tạo các bộ phận của tên lửa Hệ thống chuyển đổi điện trong các nhà máy nhiệt điện tử: Để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống chuyển đổi điện trong các nhà máy nhiệt điện tử, các đầu thu và đầu phát đƣợc chế tạo vật liệu FGnhằm làm giảm sự mất mát nhiệt khi truyền [1] Dụng cụ cắt: Vật liệu FG đƣợc dùng để chế tạo các mũi dao cắt bằng kim cƣơng có độ cứng cao. Khi đó, hàm lƣợng kim cƣơng tại gần mối nối sẽ đƣợc giảm xuống tới mức thấp nhất, do đó ứng suất nhiệt tại mối nối giữa đầu lƣỡi dao và cán dao FGMsẽ giảm xuống vì thế tuổi thọ của dao cắt sẽ tăng lên [1] Chống mài mòn: Trong công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản, ngƣời ta sử dụng tấm FGM làm từ gốm và kim loại để chế tạo các dụng cụ mài, nghiền, lò đốt… Phần vật liệu gốm chống mài mòn tốt, đƣợc tăng cƣờng độ dẻo dai nhờ vật liệu kim loại do vậy các dụng cụ này có độ chống mài mòn tốt và có khả năng chịu va đập tốt. 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Trong y học: Vật liệu FGM đƣợc sử dụng để làm các khớp, cấu tạo xƣơng giả, các thân răng giả… Hình1.3 Ứng dụng FGM trong cấy ghép sinh học và công nghệ a) Xƣơng b) Cây tre Hình 1.4Một số vật liệu FG trong tự nhiên 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Với những ứng dụng quan trọng của vật liệu FG, vào năm 1992, việc tìm ra vật liệu FG đƣợc đánh giá là một trong mƣời phát minh quan trọng nhất của Nhật Bản, với những tính chất đặc biệt, FGM trở thành một vật liệu không thể thiếu trong ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ.2 Tổng quan về ngành cơ học rạn nứt Hiện nay việc ứng dụng các loại vật liệu mới vào các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng đem lại hiệu quả kinh tế cao,đồng thời nâng cao tuổi thọ của các chi tiết và các công trình Tuy nhiên trong vật liệu luôn tồn tại các khuyết tật nhƣ rổ khí, rổ xỉ…tạo thành các vết nứt tế vi, các khuyết tật này gây ảnh hƣởng đến cơ tính và độ bền của các kết cấu, đặc biệt nguy hiểm đối với các kết cấu làm việc trong một thời gian dài dƣới tác dụng của các loại tải trọng.
Các khuyết tật này sẽ phát triển thành những vết nứt gây ra các hƣ hỏng, thậm chí phá hủy các chi tiết Sau chiến tranh thế giới thứ hai, khi nghiên cứu các hƣ hỏng của các chi tiết ngƣời ta nhận thấy hơn 80% chi tiết bị phá hủy nguyên nhân chủ yếu do sự tồn tại của các vết nứt bên trong nó. Vì thế, một ngành khoa học chuyên nghiên cứu sự hình thành và phát triển của vết nứt trong chi tiết đó là ngành cơ học rạn nứt (Fracture Mechanics) Ngành cơ học này phát triển một cách nhanh chóng, một số công trình nghiên cứu của Irwin, David Broeke Paris, Mori K …về trƣờng ứng suất ở lân cận đáy vết nứt, sự mở rộng của vết nứt, sự lan truyền của vết nứt với các dạng khác nhau [2]. Tuy vậy vấn đề chính cần giải quyết là xác định chính xác vị trí của các vết nứt và phân tích ứng xử của chi tiết chứa vết nứt dƣới tác dụng của lực tác động nhằm mục đích dự báo trình trạng làm việc hiện tại của kết cấu, đồng thời đề xuất những giải pháp kịp thời ngăn ngừa các tai nạn, thiệt hại có thể xảy ra. Cơ học phá hủy là một ngành khoa học rất hữu ích trong việc chuẩn đoán và dự báo khả năng chịu tải, tuổi thọ của chi tiết điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong thời đại ngày nay, do vậy ngành cơ học rạn nứt hiện nay rất phát triển không chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu vết nứt tế vi nhƣ rổ khí rổ xỉ… hiện nay ngành cơ học rạn nứt đã có nhiều nghiên cứu về vết nứt sinh ra do sự sai lệch trong mạng nguyên tử và mạng tinh thể.
5 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN 1.3 Giới thiệu về phần tử hữu hạn mở rộng [24][15][6][12] Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phƣơng pháp tính toán số đƣợc ứng dụng rộng rãi để tính toán trong lĩnh vực cơ học, đồng thời phƣơng pháp phần tử hữu hạn cũng là một công cụ hữu hiệu để mô phỏng ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu, tuy nhiên trong một số trƣờng hợp FEM trở nên phức tạp nếu nhƣ miền tính toán là miền không liên tục, bị chia cắt bởi vết nứt dẫn đến việc phải chia lại lƣới phần tử. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn mở rộng (XFEM) là một phƣơng pháp mới, nó phát triển dựa trên cơ sở của FEM, so với FEM thì XFEM tạo ra sự thuận lợi trong việc mô phỏng sự lan truyền của vết nứt, bởi vì XFEM cho phép vết nứt đƣợc thể hiện một cách độc lập hoàn toàn với lƣới phần tử, do đó không cần phải chia lại lƣới phần tử khi có sự lan truyền của vết nứt trong miền tính toán. Phƣơng pháp phẩn tử hữu hạn mở rộng xử lý vết nứt bằng cách mở rộng bậc tự do của những nút thuộc phần tử bị vết nứt cắt ngang, tại đỉnh của vết nứt sẽ đƣợc thêm vào những hàm mở rộng để tính chyển vị của các nút thuộc đỉnh của vết nứt. Đối với lƣới phần tử vết nứt là một đƣờng cong biệt lập với lƣới, khi tính toán ta sẽ kiểm tra xem phần tử đang xét có thuộc đƣờng nứt hay không, nếu nhƣ thuộc thì sẽ rơi vào một trong hai trƣờng hợp, hoặc là bị cắt hoặc là chứa đỉnh vết nứt tùy theo từng trƣờng hợp ta sẽ có cách xử lý riêng biệt, do đặc tính thuận tiện này nên XFEM trở thành một công cụ chính trong tính toán và mô phỏng sự lan truyền của vết nứt, FEM và XFEM là hai công cụ tính toán quan trọng trong cơ học, nó là nền tảngtrong các phần mềm thƣơng mại nhƣ Ansys, Abaqus …đặc biệt Matlab là một chƣơng trình hỗ trợ tính toán rất mạnh cho XFEM , trong khuôn khổ của luận văn tác giả sẽ chọn Matlab là chƣơng trình hỗ trợ cho việc tính toán của tác giả.4 Giới thiệu về phƣơng pháp biến đổi Wavelet[20] Một tín hiệu trong thực tế không bao giờ chứa ít hơn một tần số trong nó, thông thƣờng nó sẽ là một tổ hợp của rất nhiều hàm điều hòa hoặc không điều hòa, để xác định có bao nhiêu tần số chứa trong tín hiệu nhằm tìm ra qui luật và xem xét tác động của mỗi tần số đối với kết cấu nhƣ thế nào, chúng ta sẽ dùng phép phân tích tín hiệu bằng phƣơng pháp phân tích Fourie.
6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.