Luận văn: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền bao bì carton - Nguyễn Mạnh Hoàng 2024

Hướng dẫn xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì, giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu, nâng cao khả năng chịu lực và giảm chi phí sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Lương Việt Dũng
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì

Bao bì carton giữ vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng hiện đại. Vật liệu này bảo vệ hàng hóa khỏi hư hỏng cơ học khi vận chuyển. Tuy nhiên, việc đánh giá độ bền thông qua thử nghiệm thực tế thường tốn kém thời gian và chi phí. Do đó, kỹ thuật mô phỏng số đang trở thành tiêu chuẩn kỹ thuật mới trong ngành bao bì. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì giúp dự đoán ứng xử vật liệu chính xác. Phương pháp này mô hình hóa kết cấu nhiều lớp của giấy carton sóng dưới các tác động ngoại lực. Các chỉ số cơ học như ứng suất tập trung, độ võng và độ nén bẹp được tính toán rõ ràng. Doanh nghiệp dễ dàng tối ưu hóa chiều dày và định lượng giấy mà không cần chế tạo nhiều mẫu thử nghiệm. Nhờ tính linh hoạt, phương pháp phần tử hữu hạn rút ngắn quy trình thiết kế công nghiệp. Các kỹ sư có thể kiểm tra hàng loạt kịch bản vận hành khắc nghiệt chỉ trên máy tính. Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy để nâng cao chất lượng thùng carton đóng gói.

1.1. Tầm quan trọng của bao bì carton trong phân phối

Bao bì carton chiếm tỷ trọng lớn trong ngành đóng gói hàng hóa toàn cầu. Kết cấu này sở hữu ưu điểm vượt trội về trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ và khả năng tái chế cao. Trong suốt hành trình phân phối, thùng carton phải bảo vệ toàn vẹn sản phẩm bên trong trước mọi lực ép tĩnh và động. Khi bao bì bị móp méo hoặc bục rách, hàng hóa sẽ chịu tổn hại trực tiếp. Điều này gây thiệt hại tài chính nặng nề cho các đơn vị sản xuất và vận chuyển. Việc nghiên cứu cơ tính bao bì giúp ngăn ngừa rủi ro hư hỏng hàng loạt.

1.2. Vai trò của phương pháp phần tử hữu hạn trong nghiên cứu cơ tính

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là công cụ tính toán số học mạnh mẽ. Kỹ thuật này phân chia vật thể phức tạp thành các phần tử hình học đơn giản để phân tích ứng suất. Đối với bao bì carton, FEM giải quyết hiệu quả các bài toán phi tuyến tính về hình học và vật liệu. Kỹ sư có thể mô phỏng chi tiết các lớp giấy mặt và lớp sóng uốn lượn. Từ đó, các vùng tập trung ứng suất nguy hiểm được phát hiện sớm. Mô phỏng số hỗ trợ đưa ra phương án gia cố kết cấu chính xác và tiết kiệm chi phí vật tư.

II. Phân tích sự cố và mô hình phần tử hữu hạn kiểm tra độ bền bao bì

Trong thực tế, bao bì carton liên tục chịu các tác động phá hủy phức tạp từ môi trường xung quanh. Tải trọng tĩnh xuất hiện khi các thùng hàng xếp chồng lên nhau trong kho bãi thời gian dài. Áp lực nén thẳng đứng này dễ gây hiện tượng mất ổn định và sụp đổ thành hộp. Bên cạnh đó, quá trình vận tải bằng xe tải hoặc tàu biển gây ra rung động cưỡng bức liên tục. Dao động ngẫu nhiên làm giảm dần liên kết sợi giấy và gây hiện tượng mỏi kết cấu. Ngoài ra, các va chạm đột ngột khi bốc dỡ hàng hóa tạo ra xung gia tốc cực lớn. Những xung lực dạng nửa hình sin hoặc hình thang làm biến dạng vĩnh viễn các nếp gấp và góc cạnh hộp. Việc kết hợp đồng thời tải trọng nén, rung lắc và va đập khiến bao bì nhanh chóng suy giảm khả năng chịu lực. Nếu không tính toán chính xác ứng xử phi tuyến của vật liệu giấy, việc thiết kế vỏ hộp sẽ gặp thất bại nghiêm trọng. Do đó, bài toán phân tích độ bền đòi hỏi mô hình mô phỏng số chi tiết.

2.1. Hiện tượng suy giảm độ bền do nén xếp chồng và rung động

Khi lưu kho dài ngày, các thùng carton chịu lực nén tĩnh liên tục từ các lớp hàng bên trên. Hiện tượng từ biến khiến vách hộp phồng rộp và mất dần khả năng chịu lực nén đỉnh. Khi xe di chuyển, mặt đường mấp mô truyền dao động ngẫu nhiên lên kiện hàng qua sàn xe. Phổ mật độ công suất gia tốc kích thích dao động cộng hưởng ở các tần số tự nhiên. Sự cộng hưởng làm gia tăng biên độ ứng suất và phá vỡ liên kết giữa các lớp sóng carton. Thùng carton bị suy giảm cơ tính nhanh chóng trước khi kết thúc hành trình.

2.2. Tác động của va chạm và sốc cơ học lên vỏ hộp carton

Va đập trong lúc nâng hạ hoặc rơi tự do gây ra xung lực sốc đột ngột. Thời lượng của xung va chạm thường diễn ra rất ngắn từ hai đến năm mươi mili giây. Gia tốc va đập đạt đỉnh cực đại khiến năng lượng cơ học truyền thẳng vào khung bao bì. Tùy thuộc vào bề mặt tiếp xúc, sóng phản hồi có thể mang dạng nửa hình sin hoặc răng cưa. Cấu trúc sóng giấy dễ bị gãy gập cục bộ tại mép đáy và góc cạnh hộp. Sự phá hủy này triệt tiêu khả năng đệm giảm chấn và làm hỏng hàng hóa được bảo vệ.

III. Phương pháp tạo mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì

Việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì đòi hỏi phương pháp tiếp cận khoa học. Việc tạo hình học 3D đầy đủ cho toàn bộ sóng giấy carton rất phức tạp và tốn tài nguyên máy tính. Để khắc phục rào cản này, phương pháp đồng nhất hóa tương đương được áp dụng rộng rãi. Kỹ thuật này chuyển đổi tấm carton sóng 3D thành tấm vỏ 2D đồng nhất có tính chất cơ học tương đương. Mô hình vật liệu giấy được thiết lập dựa trên tính trực giao dị hướng với đặc tính đàn hồi dẻo phi tuyến. Trong phần mềm mô phỏng Abaqus, các chương trình con chuyên dụng như UGENS và VUMAT được tích hợp để mô tả chính xác quy luật phá hủy sợi giấy. Tiếp theo, các điều kiện biên thực tế như mặt sàn tiếp xúc, liên kết dán keo và tải trọng nén tĩnh hoặc va đập động được khai báo chi tiết. Mô hình số cho phép thực hiện phân tích nén hộp (BCT) và kiểm tra sốc va chạm với độ chính xác cao.

3.1. Ứng dụng phương pháp đồng nhất hóa cho tấm carton sóng

Cấu trúc carton sóng gồm nhiều lớp giấy phẳng xen kẽ lớp sóng uốn lượn phức tạp. Phương pháp đồng nhất hóa rút gọn bài toán không gian ba chiều về bài toán tấm vỏ hai chiều tương đương. Kỹ thuật này bảo toàn độ cứng uốn, độ cứng kéo và khả năng chịu cắt của tấm gốc. Nhờ vậy, số lượng phần tử lưới hữu hạn giảm đi đáng kể. Thời gian giải toán số trên máy tính được rút ngắn nhiều lần nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy. Mô hình 2D đồng nhất giúp phân tích toàn diện các góc gấp và nắp dán của hộp carton.

3.2. Thiết lập chương trình con VUMAT và UGENS trong Abaqus

Vật liệu giấy thể hiện tính chất cơ học trực giao và phi tuyến dẻo rõ rệt. Các mô hình vật liệu tiêu chuẩn có sẵn trong phần mềm thương mại khó phản ánh đầy đủ đặc tính này. Do đó, các chương trình con UGENS và VUMAT được lập trình và tích hợp vào môi trường Abaqus. Thuật toán xử lý ma trận độ cứng cơ sở và cập nhật trạng thái ứng suất theo từng bước thời gian phân tích. Quy trình mô phỏng tái hiện chính xác hiện tượng phá hủy sợi giấy khi chịu tải trọng động và nén tĩnh cực hạn.

IV. Hiệu quả của mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì

Nghiên cứu xây dựng mô hình phần tử hữu hạn xác định độ bền cho bao bì mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành công nghiệp đóng gói. Phương pháp mô phỏng số cung cấp kết quả trùng khớp với các phép thử nén hộp và thử nghiệm va đập thực tế. Độ sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm luôn nằm trong ngưỡng kỹ thuật cho phép. Điều này khẳng định tính khả thi và độ tin cậy vượt trội của mô hình tính toán số. Việc áp dụng mô hình số giúp doanh nghiệp xác định nhanh chu kỳ chịu tải và độ bền mỏi của bao bì carton. Quy trình thiết kế sản phẩm được tối ưu hóa toàn diện về mặt kết cấu và chi phí sản xuất. Lượng nguyên liệu giấy tiêu hao giảm bớt mà vẫn duy trì khả năng bảo vệ hàng hóa an toàn. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy chuyển đổi số và phát triển bao bì xanh bền vững trong thời đại công nghiệp mới.

4.1. Khả năng dự đoán nhanh chu kỳ chịu tải và tuổi thọ bao bì

Mô hình số hóa cho phép đánh giá nhanh số chu kỳ chịu va chạm và rung xóc trước khi kết cấu bị phá hủy hoàn toàn. Kết quả mô phỏng phản ánh chi tiết vị trí suy giảm độ cứng và nguy cơ rách mép dán keo. Doanh nghiệp không cần thực hiện hàng loạt bài kiểm tra phá hủy tốn kém trên mẫu thực tế. Thời gian thử nghiệm rút ngắn từ vài tuần xuống còn vài giờ phân tích số. Các dự báo chính xác giúp nhà sản xuất chủ động điều chỉnh thiết kế bao bì phù hợp với từng tuyến đường vận chuyển cụ thể.

4.2. Tối ưu hóa chi phí sản xuất và hướng tới bao bì xanh

Ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn tạo tiền đề cho quá trình tối ưu hóa trọng lượng bao bì carton. Các nhà sản xuất có thể giảm định lượng giấy tại những vị trí chịu ít ứng suất mà vẫn giữ nguyên độ cứng vững tổng thể. Việc tiết giảm lượng giấy sử dụng trực tiếp cắt giảm chi phí sản xuất và năng lượng vận tải. Đồng thời, giải pháp này góp phần giảm thiểu lượng rác thải ra môi trường tự nhiên. Doanh nghiệp vừa nâng cao năng lực cạnh tranh thương mại vừa đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu xanh khắt khe.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bao bì carton đóng vai trò huyết mạch trong chuỗi cung ứng toàn cầu, chiếm từ 40% đến 50% tổng sản lượng vật liệu đóng gói và đạt tỷ lệ tái chế ấn tượng vượt mức 90% theo báo cáo của Cơ quan Quản lý Môi trường và Năng lượng Pháp (ADEME). Tuy nhiên, bài toán kiểm soát hư hại cơ học trong quá trình bốc dỡ và vận chuyển đường dài luôn là thách thức lớn đối với ngành logistics. Các tác động cơ học liên tục như nén tĩnh khi xếp chồng, rung động ngẫu nhiên trong dải tần số 0,1-10 Hz và va đập tức thời với xung sốc từ 2 đến 50 ms là nguyên nhân hàng đầu gây phá hủy cấu trúc thùng carton, làm gia tăng tỷ lệ tổn thất hàng hóa.

Các phương pháp kiểm tra độ bền vật lý truyền thống đòi hỏi chi phí chế tạo mẫu thử tốn kém và tiêu tốn hàng tuần lễ thử nghiệm thực nghiệm. Mặt khác, việc mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) gặp trở ngại lớn khi xây dựng hình học 3D chi tiết của lõi sóng, dẫn đến số lượng phần tử khổng lồ và hiện tượng méo lưới tại các góc bo, mép dán. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành Kỹ thuật Cơ khí (Mã số: 8520103) của tác giả Nguyễn Mạnh Hoàng, thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên năm 2024 dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lương Việt Dũng, tập trung giải quyết triệt để nút thắt này.

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là ứng dụng kỹ thuật đồng nhất hóa cấu trúc vi mô để chuyển đổi tấm carton lõi sóng không gian 3D phức tạp thành tấm vỏ 2D tương đương. Nghiên cứu hướng đến xây dựng mô hình phần tử hữu hạn hoàn chỉnh của hộp carton nhằm phân tích ứng xử chịu nén tĩnh và xác định nhanh độ bền mỏi dưới tác động va chạm tuần hoàn. Kết quả nghiên cứu cung cấp công cụ tính toán số tin cậy, giúp rút ngắn hơn 70% thời gian mô phỏng kết cấu và giảm thiểu 50% chi phí thử nghiệm phá hủy trong quy trình thiết kế bao bì công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp hệ thống lý thuyết cơ học vật liệu và cơ học phá hủy hiện đại dành cho vật liệu có cấu trúc dị hướng:

• Lý thuyết đàn hồi trực hướng của vật liệu giấy: Giấy và bìa cứng có đặc tính cơ học phân dị rõ rệt theo ba phương chính: hướng máy (MD), hướng chéo máy (CD) và hướng chiều dày (ZD). Nghiên cứu kế thừa quan hệ thực nghiệm của Baum, xác định mô đun Young theo phương ZD nhỏ hơn khoảng 200 lần so với phương MD ($E_1/E_3 \approx 200$), đồng thời tỷ số mô đun trượt $E_1/G_{13} \approx 55$ và $E_1/G_{23} \approx 35$. Giới hạn đàn hồi của giấy thường đạt được ở mức biến dạng tương đối 0,2%.
• Mô hình dẻo tương đương đẳng hướng (IPE - Isotropic Plasticity Equivalent): Được phát triển dựa trên lý thuyết của Mäkelä, Östlund, Karafillis và Boyce cho trạng thái ứng suất phẳng. Mô hình thiết lập quan hệ phi tuyến giữa ten xơ ứng suất lệch và ten xơ ứng suất thực, mô tả chính xác quá trình chảy dẻo và hóa bền của từng lớp giấy thông qua các tham số bất đẳng hướng $A, B, C, D, E_0$ và số mũ $n$.
• Lý thuyết đồng nhất hóa tấm vỏ vi mô sang vĩ mô: Tấm carton lõi lượn sóng được biểu diễn thông qua một chu kỳ sóng tuần hoàn bước $p$ và chiều cao $h_c$. Các ma trận độ cứng màng $[A]$, độ cứng uốn - xoắn $[D]$, độ cứng cắt ngang $[F]$ và ma trận tương tác $[B]$ được tích phân dọc theo chiều dày và phương MD, tạo thành cấu trúc 2D tương đương đại diện cho tấm 3D.
• Lý thuyết mỏi và đường cong giới hạn phá hỏng (CLD/DBC): Ứng dụng đường cong Wöhler (S-N), mô hình suy giảm độ cứng lũy tiến dạng Basquin ($G_{rms}-N$) và hàm số mũ để định lượng quá trình tích lũy hư hỏng mỏi do va đập và rung động lặp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích, lập trình thuật toán số nâng cao và kiểm chứng thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu và đặc tính vật liệu: Thu thập bộ thông số thực nghiệm kéo theo ba hướng (MD, CD, 45 độ) của vật liệu giấy với mô đun đàn hồi $E_x = 2433,92\text{ MPa}$, hệ số Poisson và ngưỡng dẻo $\sigma_0$. Dữ liệu thử nghiệm nén hộp và va đập động trên bàn rung được kế thừa từ các công bố chuẩn mực của Luong và cộng sự.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các mẫu tấm carton lõi sóng dạng B và C theo tiêu chuẩn thử nghiệm uốn 4 điểm ISO 5628 và mẫu hộp carton tiêu chuẩn vận chuyển trên pallet $1200 \times 1000 \times 1200\text{ mm}$. Thử nghiệm động được khảo sát trên bàn rung trong dải tần số 2-200 Hz với biên độ gia tốc kích thích chuẩn 0,5g.
• Phương pháp phân tích số: Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus/Standard và Abaqus/Explicit. Tác giả đã tự phát triển và tích hợp hai chương trình con người dùng chuyên sâu:
  • Chương trình con UGENS trong Abaqus/Standard: Cập nhật ma trận tiếp tuyến độ cứng $DDNDDE(6,6)$ và vector nội lực $FORCE(6)$ tại 3 điểm tích phân Gauss xuyên suốt từng lớp của phần tử vỏ S4R 4 nút.
  • Chương trình con VUMAT trong Abaqus/Explicit: Điều khiển luật ứng xử dẻo phi tuyến IPE cho các bài toán phân tích va đập động ngắn hạn.
• Lý do lựa chọn phương pháp: Kỹ thuật đồng nhất hóa kết hợp UGENS/VUMAT giúp triệt tiêu hoàn toàn nhu cầu chia lưới chi tiết lớp sóng 3D, loại bỏ nguy cơ lỗi hội tụ hình học, đồng thời giảm dung lượng bộ nhớ và thời gian tính toán từ vài chục giờ xuống còn vài chục phút mà vẫn duy trì độ chính xác cao. Toàn bộ quy trình mô phỏng và kiểm chứng được thực hiện liên tục từ tháng 10/2023 đến tháng 04/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu năng vượt trội của mô hình đồng nhất hóa 2D: Mô hình vỏ 2D tương đương tái hiện chính xác đường cong quan hệ lực - chuyển vị khi nén hộp carton so với mô hình 3D thực thể đầy đủ. Thời gian xử lý bài toán trên phần mềm Abaqus giảm hơn 80%, giải quyết triệt để vấn đề phân mảnh lưới tại các nếp gấp nắp và mép dán keo.
2. Quy luật tích lũy biến dạng dẻo do va chạm lặp: Khi hộp carton chịu tác động va đập liên tục trên bàn rung ở mức gia tốc 0,5g, giá trị biến dạng dẻo tương đương ($\varepsilon_{eq}^p$) tích lũy tăng nhanh trong 50 chu kỳ đầu tiên, sau đó chuyển sang giai đoạn phát triển ổn định trước khi xuất hiện vết rách cục bộ. Vùng chịu biến dạng lớn nhất tập trung tại 4 góc chân đế và đường cấn gập đáy.
3. Mối quan hệ giữa mức suy giảm độ cứng và tuổi thọ mỏi: Thử nghiệm mô phỏng chỉ ra rằng các mốc suy giảm độ cứng 20%, 30% và 40% là chỉ số tin cậy để dự báo giới hạn mỏi kết cấu. Đường cong quan hệ gia tốc hiệu dụng và số chu kỳ ($G_{rms}-N$) hoàn toàn tương thích với mô hình toán học Basquin và hàm số mũ.
4. Hiệu quả đệm giảm chấn của kết cấu vỏ sóng: Trong thử nghiệm va chạm rơi tự do của khối tải trọng 1,686 kg, sự hiện diện của vỏ hộp carton sóng giúp triệt tiêu năng lượng xung kích, làm giảm gia tốc đỉnh tác động trực tiếp lên sản phẩm bên trong hơn 20% so với trường hợp chỉ sử dụng đệm mút xốp Ethafoam 400 đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố ứng suất và biến dạng dẻo trong kết cấu hộp carton chịu ảnh hưởng quyết định bởi tính trực hướng của giấy. Do mô đun Young theo hướng máy ($E_{MD}$) lớn gấp nhiều lần hướng chéo ($E_{CD}$), các vách hộp bố trí phương MD thẳng đứng thể hiện khả năng chịu tải nén nẹp vượt trội theo công thức McKee ($RVC = a \cdot ECT \cdot \sqrt{Z \cdot D}$).

Khi so sánh với các nghiên cứu của Rouillard về nén động và Wang & Sun về mỏi uốn ba điểm, mô hình số tích hợp chương trình con UGENS của luận văn cho thấy sự tương quan chặt chẽ. Sự suy giảm độ cứng ghi nhận qua các chu kỳ rung động bắt nguồn từ hiện tượng vi nứt cục bộ và mất ổn định uốn của các gợn sóng giấy bên trong.

Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được đối chiếu chi tiết qua đồ thị phản hồi xung lực, biểu đồ contour biến dạng dẻo tương đương và bảng sai số tải trọng cực đại. Kết quả cho thấy sai số giữa mô hình FEM đồng nhất hóa 2D và dữ liệu đo thực nghiệm luôn duy trì ở mức dưới 6,5%, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp đề xuất khi ứng dụng vào thực tế kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa quy trình mô phỏng số trong R&D bao bì: Doanh nghiệp sản xuất bao bì cần áp dụng quy trình mô phỏng FEM đồng nhất hóa 2D tích hợp UGENS/VUMAT vào giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm cắt giảm tối thiểu 45% chi phí làm mẫu thử vật lý và rút ngắn 35% chu kỳ phát triển sản phẩm mới trong giai đoạn 2024 - 2026. Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D và Kỹ thuật kết cấu.
• Tối ưu hóa hình học và kết cấu nếp gấp: Điều chỉnh hướng cán sóng (MD) theo chiều chịu lực chính của thùng và tăng cường độ cứng góc đáy bằng các đường cấn bo cong nhẹ, hướng tới mục tiêu tăng 15% đến 20% tải trọng nén tĩnh xếp chồng trên pallet chuẩn $1200 \times 1000\text{ mm}$ trước quý III/2025. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế bao bì phối hợp cùng xưởng sản xuất.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa vật liệu giấy nội địa: Thiết lập thư viện tham số vật liệu IPE ($A, B, C, D, E_0, n, \sigma_0$) cho các dòng giấy bao bì sản xuất tại Việt Nam, hoàn thành trong vòng 12 tháng nhằm chuẩn hóa dữ liệu đầu vào cho các phần mềm FEA. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu chuyên ngành cơ khí và bao bì liên kết cùng các nhà máy sản xuất giấy.
• Mở rộng mô hình dự báo mỏi đa trường vật lý: Bổ sung ảnh hưởng của độ ẩm môi trường (từ 60% đến 90% RH) và dải nhiệt độ vận chuyển thực tế vào thuật toán UGENS để đánh giá chính xác độ bền mỏi của thùng carton đựng nông sản xuất khẩu đường biển trong lộ trình 2025 - 2027. Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu mô phỏng cơ học tính toán tại các trường đại học kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế kết cấu bao bì và R&D: Nắm vững phương pháp mô phỏng hộp carton hoàn chỉnh trên phần mềm Abaqus, khai thác bộ mã nguồn UGENS/VUMAT để tối ưu hóa chiều dày, bước sóng và tiết kiệm nguyên liệu giấy.
• Chuyên gia quản lý chất lượng và logistics: Ứng dụng đường cong ranh giới hư hỏng (DBC/CLD) và phân tích phổ gia tốc rung động (PSD) để tính toán phương án chất xếp pallet an toàn, khống chế tỷ lệ hư hỏng hàng hóa dưới mức 0,5% trên toàn tuyến vận tải.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học vật liệu: Sử dụng luận văn như tài liệu học thuật mẫu mực về kỹ thuật đồng nhất hóa môi trường liên tục (Homogenization Method) và phương pháp lập trình chương trình con người dùng trong cơ học phi tuyến.
• Nhà máy sản xuất giấy và bao bì carton sóng: Tham khảo hệ thống thí nghiệm uốn 4 điểm, đo kéo 3 hướng theo chuẩn ISO và tiêu chí đánh giá độ bền nén mép (ECT) để hoàn thiện quy trình kiểm định chất lượng xuất xưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải đồng nhất hóa tấm carton 3D thành mô hình 2D tương đương? Cấu trúc lõi sóng 3D có hình học uốn lượn phức tạp, đòi hỏi hàng triệu phần tử hữu hạn khi chia lưới cho cả hộp carton, dễ gây lỗi méo lưới tại nếp gấp và làm thời gian tính toán kéo dài hàng chục giờ. Đồng nhất hóa 2D tích hợp ma trận độ cứng màng và uốn tương đương giúp giảm hơn 80% thời gian tính toán mà sai số vẫn dưới 6,5%.

2. Mô hình dẻo tương đương đẳng hướng (IPE) xử lý tính dị hướng của giấy như thế nào? Mô hình IPE chuyển đổi trạng thái ứng suất của vật liệu trực hướng thực tế sang một vật liệu đẳng hướng giả tưởng thông qua ma trận chuyển đổi chứa các biến bất đẳng hướng $A, B, C, D$. Kết hợp với đường cong chảy dẻo phi tuyến và giới hạn đàn hồi 0,2%, mô hình mô tả chính xác ứng xử phá hủy của giấy theo các phương MD, CD và 45 độ.

3. Dải tần số rung động nào gây nguy hiểm nhất cho thùng carton khi vận tải bằng xe tải? Các nghiên cứu thực nghiệm và phân tích mật độ phổ công suất (PSD) chứng minh dao động tần số thấp từ 0,1 đến 10 Hz gây ra biến dạng uốn và phá hủy mỏi lớn nhất cho kết cấu thùng carton. Dao động theo phương thẳng đứng luôn có giá trị biên độ dịch chuyển hiệu dụng (RMS) cao nhất, trực tiếp làm suy giảm độ cứng chống nén của thùng.

4. Hai chương trình con UGENS và VUMAT đóng vai trò gì trong phần mềm Abaqus? Chương trình con UGENS được viết cho module Abaqus/Standard nhằm định nghĩa trực tiếp ma trận tiếp tuyến độ cứng $DDNDDE$ và nội lực màng, mô men uốn tại từng điểm tích phân vỏ. Trong khi đó, VUMAT được ứng dụng trong Abaqus/Explicit để giải quyết các bài toán biến dạng dẻo lớn, va đập xung sốc cực ngắn trong dải thời gian từ 2 đến 50 ms.

5. Luận văn đánh giá độ bền mỏi của hộp carton dựa trên tiêu chí nào? Độ bền mỏi được đánh giá thông qua việc theo dõi mức độ suy giảm độ cứng tương đối ở các ngưỡng 20%, 30% và 40% kết hợp với sự tích lũy biến dạng dẻo tương đương ($\varepsilon_{eq}^p$). Từ đó, các đường cong mỏi $G_{rms}-N$ dạng hàm mũ và dạng Basquin được thiết lập để dự đoán chính xác số chu kỳ va đập tối đa trước khi hộp bị sụp đổ hoàn toàn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn hoàn chỉnh của hộp carton sóng dựa trên kỹ thuật đồng nhất hóa từ tấm 3D sang tấm 2D tương đương.
• Triển khai thành công hai chương trình con chuyên dụng UGENS và VUMAT trên nền tảng Abaqus, tích hợp mô hình dẻo IPE để mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của vật liệu giấy.
• Kiểm chứng độ tin cậy của mô hình số qua các bài toán nén tĩnh và va đập chu kỳ trên bàn rung với độ lệch so với thực nghiệm dưới 6,5%, cắt giảm hơn 80% thời gian tính toán.
• Thiết lập quy trình xác định nhanh tuổi thọ mỏi và đường cong ranh giới hư hại ($G_{rms}-N$), mở ra giải pháp tối ưu hóa thiết kế bao bì carton chịu tải động trong chuỗi logistics.
• Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc tích hợp trường nhiệt - ẩm môi trường vào thuật toán mô phỏng; các kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm có thể ứng dụng ngay khung tính toán này để nâng cao chất lượng sản phẩm bao bì công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BAO BÌ CARTON 6 1. Giới thiệu Bao bì là một phần quan trọng trong quá trình đóng gói và bảo vệ sản phẩm, từ quá trình sản xuất đến khi đến tay người tiêu dùng. Nó không chỉ giữ cho sản phẩm an toàn mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc quảng cáo, thuận tiện vận chuyển, và duy trì chất lượng của sản phẩm. Bao bì có thể có nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm các loại như hộp, túi, chai, lọ, vỏ hộp, v.

Nó được thiết kế để đảm bảo tính an toàn, bảo quản và hình thức hấp dẫn cho sản phẩm. Tùy theo những mục đích khác nhau mà bao bì có thể được phân loại theo các cách khác nhau. Phân loại bao bì theo một số nội dung về mục đích sử dụng, vật liệu, mức độ tiếp xúc sản phẩm bên trong (Hình 6). Bao bì hộp carton ❖ Phân loại theo mục đích sử dụng Theo mục đích sử dụng, bao bì có thể được phân loại thành: bao bì vận chuyển, bao bì sản xuất, bao bì tiêu thụ.

➢ Bao bì vận chuyển: Là các dạng bao bì dùng để vận chuyển, lưu kho và bảo quản sản phẩm trong kho và trong quá trình vận chuyển. Bao bì vận chuyển thường là một đơn vị trong quá trình vận chuyển như: các container, thùng carton lượn sóng, thùng gỗ. Về kích thước, bao bì vận chuyển có dạng kích thước nhỏ và kích thước lớn. Bao bì vận chuyển kích thước nhỏ thường được xếp trên pallet kích thước 1200x1000x1200 (mm), bao bì vận chuyển kích thước lớn là bao bì có kích thước lớn 7 hơn kích thước trên.

Bao bì vận chuyển có loại dùng một lần như các bao tải hoặc thùng carton lõi sóng và có loại dùng nhiều lần như các dạng container, thùng gỗ, thùng sắt. ➢ Bao bì sản xuất: là dạng bao bì dùng để chứa các nguyên vật liệu, các chi tiết, bán thành phẩm, các vật tư thừa, dùng cho việc lưu kho, vận chuyển, trung chuyển giữa các xưởng của nhà máy, hay giữa các nhà máy. ➢ Bao bì tiêu thụ: là bao bì dùng cho quá trình bán sản phẩm, bao bì tiêu thụ là một thành phần của sản phẩm, giá thành của bao bì tiêu thụ được tính vào giá sản phẩm. Bao bì tiêu thụ có chức năng chứa đựng và bảo vệ sản phẩm trước các tác nhân môi trường.

Cấu trúc, kích thước và vật liệu của bao bì tiêu thụ được lựa chọn phù hợp với tính chất, hình dạng và kích thước của sản phẩm. Bao bì tiêu thụ là bao bì được trưng bày trên kệ hàng trong quá trình bán hàng và được chuyển cho khách hàng sau khi bán, nên chức năng quảng cáo và thông tin sản phẩm là hai chức năng quan trọng nhất của bao bì tiêu thụ. Bao bì tiêu thụ có thể tích, kích thước giới hạn. Kích thước của bao bì tiêu thụ được tính toán phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của sản phẩm, số lượng sản phẩm chứa trong bao bì tiêu thụ (số lượng sản phẩm cho 1 lần bán hàng), khoảng dịch chuyển của sản phẩm.

Mặt khác, kích thước của bao bì tiêu thụ phải được tính toán để khi đóng gói vào bao bì vận chuyển sẽ tận dụng tối đa thể tích, diện tích của bao bì và các phương tiện vận chuyển; phù hợp với các kệ hàng, kệ lưu trữ trong kho. ❖ Phân loại theo vật liệu Vật liệu bao bì rất đa dạng: từ giấy bìa, tấm carton lượn sóng, nhựa bao gồm màng nhựa và các dạng chai, thùng từ nhựa, đến thủy tinh, kim loại, gỗ. ✓ Bao bì từ giấy: Đây là loại bao bì chiếm thị phần khá lớn trong tổng sản lượng bao bì (từ 40% – 50%) tùy thuộc vào từng vùng thị trường). Bao bì giấy gồm các dạng hộp làm từ vật liệu carton cứng, các dạng túi giấy, nhãn hàng, các dạng bao bì mềm từ vật liệu phức hợp đế giấy.

8 ✓ Bao bì mềm đế giấy: Do giấy có tính dễ in, khả năng dựng hình tốt, độ cứng cao nên các dạng ba bì mềm đế giấy thường được sử dụng làm bao bì cấp một chứa đựng các dạng chất lỏng như sữa, nước trái cây. Giấy dạng cuộn sau khi in thường được ghép với các loại màng nhằm tăng tính chống thấm ẩm, đảm bảo khả năng hàn kín bao bì, sau đó cuộn vật liệu được chuyển sang hệ thống định hình riêng hoặc được định hình, hàn kín trên dây chuyền đóng kín. ✓ Bao bì hộp làm từ giấy bìa: đây là nhóm chiếm thị phần lớn, thường được dùng làm bao bì cấp 2, bao bì tiêu thụ, do đó đây là nhóm bao bì có kiểu dáng và thiết kế đồ họa phong phú. Các tờ giấy được in hình ảnh lên trên bề mặt sau đó tiến hành định hình (cấn; bế) thành các mảnh, tiếp theo là dán ghép các mép hộp với nhau.

Các nhà sản xuất hàng tiêu dùng sẽ dựng hộp, đóng gói sản phẩm, dán hoặc cài nắp đáy hộp. ✓ Thùng carton lõi lượn sóng là dạng thùng giấy, với yêu cầu chịu lực cao, thường là dạng bao bì vận chuyển và được làm từ carton lõi lượn sóng. Bao bì carton lõi lượn sóng là một dạng bao bì vận chuyển với chức năng quan trọng được quan tâm đầu tiên là khả năng chịu lực, chịu chất xếp cao. Đây là yêu cầu thiết yếu mà khách hàng đòi hỏi ở các nhà cung cấp.

Để đảm bảo tính chất chịu lực trong quá trình vận chuyển, yếu tố quan trọng cần xem xét là tấm carton lõi lượn sóng; để đảm bảo việc đóng gói có hiệu quả thùng được làm từ tấm carton có cấu trúc ổn định, phẳng, cách đóng mở thích hợp. Các nghiên cứu liên quan đến kết cấu bao bì carton Trong quá trình thiết kế bao bì cần thiết phải thực hiện các thí nghiệm để xác định ứng xử cơ học của kết cấu. Đối với bao bì là hộp carton các thí nghiệm được tiến hành đối với giấy, tấm carton lõi lượn sóng và hộp carton. Các thí nghiệm tĩnh Trường hợp chịu tải tĩnh quan trọng nhất đối với hộp carton là tải trọng nén từ trên xuống dưới, như thể hiện trên Hình 1.

Phương pháp tiêu chuẩn để xác định khả năng chịu nén dọc là thử nghiệm nén dọc. Thử nghiệm nén dọc được thực hiện trên các thùng carton rỗng hoặc đầy. Trong thử nghiệm này, một chuyển vị thẳng đứng 9 được tác dụng lên bề mặt phía trên của hộp và bề mặt phía dưới được cố định. Biến dạng thẳng đứng của phần này được ghi lại, sau đó cường độ nén được xác định dựa trên biểu đồ tải trọng và chuyển vị từ các phép đo.

Sau khi nghiên cứu thử nghiệm nén dọc được thực hiện trên các hộp carton sóng khác nhau, McKee và cộng sự [10] đã đề xuất công thức thực nghiệm sau đây để ước tính RVC của hộp carton sóng: 𝑅𝑉𝐶 = 𝑎. Xếp chồng các hộp carton Trong đó: a, b: các hằng số được xác định bằng thực nghiệm, ECT: cường độ nén trên mép bìa cứng (kN/m), Z: chu vi của hộp bìa cứng (m), D: độ cứng uốn của bìa carton sóng (kN/m). Theo phương trình (1), cường độ chịu nén theo phương thẳng đứng của hộp phụ thuộc vào: cường độ chịu nén ở mép bìa carton sóng, độ cứng khi uốn theo MD và CD và các kích thước của hộp. Các thử nghiệm cơ học cần thiết để ước tính khả năng chịu nén dọc của hộp carton được minh họa trên Hình 1.

Để thu được đặc tính của tấm carton khi uốn, các thử nghiệm uốn được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 5628 bằng cách sử dụng thiết bị thử nghiệm như trong Hình 1. Yokoyama và Nakai [12] đã tiến hành thử nghiệm độ bền kéo trên ba các loại 10 giấy (giấy photocopy, giấy túi và bìa cứng), theo ba hướng (MD, CD, 450) (Hình 1. Từ đường cong ứng suất-biến dạng nhận được (Hình 1.5), tính chất cơ học của giấy đã được xác định. Sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của hộp [11] Hình 1.

Thiết bị kiểm tra uốn bốn điểm [12] 11 Hình 1. Các mẫu giấy và bìa cứng bị đứt theo ba hướng [12] Hình 1. Đường cong ứng suất kéo của giấy photocopy theo ba hướng [12] 1. Thực nghiệm đo rung động của hộp carton Trong quá trình vận chuyển và phân phối hàng hóa, bao bì sẽ bị rung và va đập.

Những tác động này có thể gây ra những hư hỏng không mong muốn cho hàng hóa. Để định lượng và phân tích các rung động xảy ra trong quá trình vận chuyển, các cảm biến đã được gắn trên phương tiện vận chuyển, trên bao bì hoặc trên sản phẩm để ghi lại dữ liệu rung động. Ví dụ, trong một xe tải vận chuyển, các bánh xe của xe chịu các tác động của đường, hệ thống treo và kết cấu truyền những dao động này cùng với các rung động bên trong khác tới sàn xe. Các sản phẩm đóng gói đặt trên sàn xe cũng sẽ nhận được những rung động này.6 minh họa một số tín hiệu ngẫu nhiên điển hình tương ứng với nhiễu trắng và phản hồi trên gói hàng [13].

Các rung 12 động được ghi lại có thể thay đổi và không thể đoán trước. Vì vậy, không có phương pháp chính xác để dự đoán, phân tích hay tổng hợp chúng. Cách tiếp cận phổ biến nhất bao gồm tính toán mật độ phổ công suất rung trung bình (PSD) được xác định bằng bình phương của mô đun biến đổi Fourier, chia cho băng thông phổ, chính nó bằng nghịch đảo của thời gian tích phân T. Kỹ thuật này hữu ích theo nhiều cách, chẳng hạn như xác định tần số chung và mức độ rung tổng thể bằng cách sử dụng Root Mean Square (RMS).

Các nghiên cứu trước đây [13–17] đã phân tích mức độ rung trong quá trình vận chuyển hàng hóa trên mạng lưới đường bộ và đường sắt để đề xuất PSD cho từng loại hình vận tải. Sau đó, các phương pháp thử nghiệm hệ thống đóng gói dựa trên những dữ liệu này đã được đề xuất. Rung động tần số thấp (0,1-10 Hz) được coi là có hại cho sản phẩm hơn nhiều so với rung động tần số cao (Hình 1.7) [5] Sử dụng các hàm phân phối tích lũy (CDF) của các giá trị RMS rung động trong miền thời gian được đo theo hướng ngang, dọc và thẳng đứng. Pateroster [4] đã phân tích mức độ rung của bao bì bìa cứng trong quá trình vận chuyển bia bằng xe tải ở Bỉ (Hình 1.9 biểu thị CDF của giá trị RMS và Kurtosis của tín hiệu gia tốc được đo trong miền thời gian trong các lần truyền khác nhau.9, có thể kết luận rằng rung động theo phương thẳng đứng là lớn nhất và có giá trị RMS cao nhất.