GIỚI THIỆU CHUNG
Đặt vấn đề
Vật liệu composite dạng sợi ngày càng trở nên phổ biến trong các ngành công nghiệp toàn cầu nhờ vào ứng dụng đa dạng trong kết cấu và cấu trúc Đặc biệt, chúng được ưa chuộng trong ngành hàng không và vũ trụ do độ cứng, độ bền vượt trội, khả năng chống ăn mòn và ngăn cản oxi hoá Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu này vẫn bị hạn chế do tính dễ bị tổn thương khi chịu tác động Các thiệt hại thường gặp bao gồm phá huỷ do ứng suất kéo/nén, dẫn đến hiện tượng tách lớp, gãy sợi, nứt nền và mất liên kết giữa sợi và nền.
Composite xếp lớp dạng tấm được ứng dụng phổ biến trong ngành hàng không nhờ khả năng chịu đựng điều kiện khắc nghiệt Loại vật liệu này được cấu thành từ nhiều lớp khác nhau, với việc lựa chọn hướng xếp sợi, độ dày và vật liệu nền cho từng lớp bên trong Tuy nhiên, độ bền của epoxy hoặc lớp nhựa giữa các lớp thường yếu theo hướng chiều dày, dẫn đến nguy cơ tách lớp.
Khi sub chịu tải tĩnh, bán tĩnh và động, các lớp keo sẽ mất dần độ cứng theo chiều dày, dẫn đến quá trình tách lớp dễ dàng phát triển cùng với hiện tượng gãy sợi, nứt nền và hư hỏng trong vật liệu composite Điều này đã thúc đẩy sự cần thiết của các bài kiểm tra và nghiên cứu nhằm dự đoán chính xác để hỗ trợ thiết kế cấu trúc composite, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của những hạn chế này.
Xu hướng hiện nay trong phân tích thiệt hại cấu trúc composite là áp dụng các phương pháp phân tích giống trong quá trình sản xuất thực tế Sau khi chế tạo các thành phần hoặc cấu trúc composite, việc đánh giá không phá hủy kết cấu được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn Phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện, kết hợp với việc đồng nhất các lỗi hoặc sai sót trong mô hình thông qua các phương pháp tiếp cận phù hợp.
Sử dụng phương pháp số là rất cần thiết trong việc điều khiển tên lửa đạn đạo, nhằm đảm bảo chúng có thể bắn trúng các mục tiêu đã được xác định trước.
Thiết kế thành công của tên lửa phụ thuộc vào việc hoạt động chính xác của hệ thống điện tử và kết cấu chế tạo Nếu tên lửa gặp lỗi và không đạt được mục tiêu, hậu quả sẽ rất nghiêm trọng Những sai sót trong cấu trúc, đặc biệt là với vật liệu composite, có thể dẫn đến phá hủy trong các giai đoạn chịu tải tới hạn như chuyển hướng và tăng tốc Do đó, việc áp dụng phương pháp phân tích số, cụ thể là phương pháp phần tử hữu hạn, để kiểm tra sự phát triển thiệt hại là cần thiết nhằm kiểm soát các nguyên nhân gây ra sai sót trong sản xuất Phân tích phần tử hữu hạn mang lại lợi thế so với phương pháp thực nghiệm, vì nó có khả năng phát hiện nhiều cấu hình lỗi tiềm ẩn trong quy trình sản xuất, điều này rất quan trọng để đảm bảo an toàn.
1.1.2 Va chạm trên vật liệu composite
Va chạm vận tốc thấp trong quá trình hoạt động hoặc bảo dưỡng có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho vật liệu composite Những tổn thương này, thường không thể quan sát bằng mắt thường, như tách lớp, làm giảm độ bền và tuổi thọ của cấu trúc composite.
Thiệt hại trên tấm composite do va chạm vận tốc thấp có thể chia thành hai loại: thiệt hại bên trong một lớp (intralaminar damages) như vết nứt ma trận và gãy sợi, và thiệt hại giữa các lớp (interlaminar damage) như tách lớp giữa các lớp có hướng sợi khác nhau Trong đó, thiệt hại giữa các lớp rất nguy hiểm vì nó làm gia tăng sự tách lớp, dẫn đến giảm khả năng làm việc và tuổi thọ của vật liệu composite Báo cáo này tập trung vào nghiên cứu thiệt hại tách lớp, đây là loại thiệt hại chính thường gặp khi vật liệu composite bị va chạm.
1.1.3 Các nghiên cứu về bài toán va chạm Ứng xử của các tấm composite ngày càng được nghiên cứu nhiều hơn trong những năm gần đây bằng các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng số như là công trình nghiên cứu của Aymerich [3] đã xây dựng một mô hình số với các phần tử keo kết hợp với sử dụng chương trình con VUMAT để mô phỏng lại quá trình va chạm với
Nghiên cứu về 5 mức năng lượng va chạm khác nhau cho thấy kết quả thu được tương đồng với thực nghiệm, với sai số khoảng 7% Nhóm nghiên cứu của R.K Luo đã mô phỏng quá trình va chạm của tấm composite mà không sử dụng phần tử keo, và phát hiện sự tách lớp thông qua chương trình được xây dựng trên nền tảng ngôn ngữ FORTRAN Mặc dù các kết quả về ứng suất và chuyển vị trong mô phỏng số của R.K Luo có sự tương đồng với thực nghiệm, nhưng sai số vẫn còn lớn.
Một nghiên cứu tại bộ môn Kỹ thuật Hàng Không – Vũ Trụ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giải quyết bài toán va chạm vận tốc thấp trên tấm composite thông qua chương trình VUMAT Chương trình này, được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN, mô hình hóa thiệt hại tách lớp và sử dụng các lý thuyết cùng tiêu chuẩn để lựa chọn thông số kết dính Kết quả nghiên cứu tương đồng tốt với nhóm R.K Luo, tuy nhiên, quy trình phát triển chương trình khá phức tạp, yêu cầu kiến thức sâu rộng trong nhiều lĩnh vực như in học, vật liệu và toán học Các kết quả chi tiết được trình bày trong Bảng 1.
Các kết quả trong toàn bộ quá trình nghiên cứu thể hiện trong báo cáo này sẽ được so sánh với thực nghiệm và mô phỏng số của Aymerich
Bảng 1: Bảng so sánh thiệt hại của tấm composite giữa mô phỏng của R.K Lou [4], thực nghiệm và sử dụng VUMAT [5]
Sử dụng VUMAT (H.V Thanh -KTHK-k59)
Nứt nền 26 mm 34 mm 30 mm 11.76%
Chiều dài tách lớp 19.4 mm 16 mm 15.4 mm 3.75%
Chiều rộng vết tách lớp
Có hai phương pháp chính để phân tích bài toán va chạm của kết cấu composite: kiểm tra thực nghiệm và phương pháp số Các nghiên cứu thực tế đã mô tả phản hồi động của kết cấu composite và thiệt hại do va chạm ở vận tốc thấp Tuy nhiên, thông tin từ các thí nghiệm thực tế thường bị hạn chế, do đó cần có thêm quá trình kiểm tra khác để có phản hồi chính xác hơn Mô hình phần tử hữu hạn đã chứng minh khả năng đồng nhất các kết quả dự đoán cho kết cấu composite gia cường bằng sợi khi chịu va chạm ở vận tốc thấp.
Nghiên cứu hiện tại về thiệt hại tách lớp trong vật liệu composite cho thấy phương pháp miền keo (Cohesive Zone Method - CZM) có khả năng dự đoán tốt ứng xử và hình dáng thiệt hại, tương đồng với thí nghiệm thực nghiệm Trong CZM, hiện tượng tách lớp được mô tả qua các phần tử keo, cho phép dự đoán sự khởi đầu và lan truyền thiệt hại trong cấu trúc thông qua ứng xử của các phần tử trên bề mặt liên kết Các cơ chế phá huỷ được mô hình hóa bằng mối quan hệ ứng suất kéo - chuyển vị, kết quả từ nghiên cứu của Park và Paulino Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đối với thiệt hại tách lớp trong vật liệu composite được thực hiện bằng mô hình phần tử keo dạng 2D và 3D trong phần mềm ABAQUS.
Nhà nghiên cứu Turon đã đề xuất một quy trình nhằm giảm yêu cầu đối với lưới của lớp kết dính, trong đó tăng chiều dài ảo vùng keo bằng cách giảm độ bền liên kết giữa các bề mặt liên kết chung mà vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả Đồng thời, Camaho cũng đưa ra một phương pháp khác nhằm giảm thời gian tính toán bằng cách lựa chọn độ cứng đàn hồi tuyến tính ban đầu hợp lý cho phần tử keo.
Báo cáo này trình bày nội dung được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số sử dụng phần tử keo, dựa trên nghiên cứu của Aymerich Ngoài ra, báo cáo cũng đề xuất phương pháp xác định các thông số của lớp keo cho vật liệu composite Mặc dù phương pháp này không hoàn toàn giống như trong tài liệu tham khảo, nhưng nó mở ra hướng phát triển mới, là tiền đề cho các nghiên cứu chi tiết hơn về các ứng dụng như cánh lái tên lửa, cánh máy bay, mũi máy bay, tàu và thuyền.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một mô hình hiệu quả để mô tả thiệt hại do va chạm trên tấm composite Đồng thời, nghiên cứu cũng chú trọng vào việc sử dụng phần tử keo nhằm mô phỏng rõ ràng thiệt hại về tách lớp, điều này chưa được thực hiện trong Đồ án môn học.
Có ba nhiệm vụ trong mô phỏng này sẽ thực hiện là:
1) Phát triển mô hình phần tử hữu hạn phù hợp đối với tác động của va chạm vận tốc thấp của composite và so sánh với kết quả của Aymerich và những người khác để đánh giá độ chính xác của mô hình
2) Nghiên cứu ảnh hưởng của tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại, hướng sợi và năng lượng va chạm đối với thiệt hại do tách lớp
3) Đưa ra phương pháp xác định tính chất phần tử keo.
Bố cục của báo cáo DATN
Báo cáo bao gồm 4 chương, đó là:
- Chương II: Các tiêu chuẩn bền và phương pháp phần tử keo
- Chương III: Mô phỏng thiệt hại tách lớp composite sử dụng phần tử keo
- Chương IV: Phương pháp xác định tính chất phần tử keo
Từ chương II trở đi, bài viết sẽ khám phá các loại thiệt hại đối với vật liệu composite xếp lớp, cùng với các tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại và hiện tượng tách lớp của tấm composite Kết quả phân tích sẽ được trình bày dựa trên tiêu chuẩn khởi đầu thiệt hại QUADS (Quadratic traction damage initiation criterion).
Tiêu chuẩn này đã chứng minh khả năng đạt được kết quả tương đồng tốt với thực nghiệm Bên cạnh đó, sự tách lớp có thể dễ dàng phát triển trong quá trình chịu tải, và hiện tượng mất độ cứng K ban đầu xảy ra theo phương chiều dày.
Sự phát triển và tiến tới phá huỷ vật liệu chủ yếu xuất phát từ các chế độ phá huỷ trong quá trình tách lớp Phương pháp phân tích tách lướp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về quá trình này.
8 trình bày trong chương này Trong chương này sẽ trình bày sơ lược về phương pháp miền keo CZM được áp dụng trong nghiên cứu
Chương III trình bày việc sử dụng vật liệu composite trong bài toán va chạm, dựa trên dữ liệu năng lượng phá huỷ thu thập từ các phân tích Kết quả sẽ được phân tích và so sánh với các kết quả thực nghiệm cũng như phương pháp số đã được nhóm nghiên cứu của Aymerich thực hiện trước đó.
Chương IV trình bày phương pháp xác định tính chất của phần tử keo Trong nghiên cứu này, các phân tích phần tử hữu hạn với bộ giải Standard và Explicit được sử dụng trong mô hình thí nghiệm 2D và 3D của thí nghiệm với Mode I là DCB (Double cantilever beam – DCB) và Mode II là ENF (End notched flexure), kết quả được so sánh với kết quả của Cerioni [10].
CÁC TIÊU CHUẨN BỀN VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ KEO
Thiệt hại xảy ra trong từng lớp composite (intralaminar failure)
Hầu hết thiệt hại trong vật liệu composite xảy ra do ứng suất kéo/nén, ảnh hưởng đến tính chất của nền và cốt, dẫn đến hiện tượng gãy sợi, nứt nền và mất liên kết giữa sợi và nền Để đánh giá thiệt hại trong từng lớp, các tiêu chuẩn thường được áp dụng theo các phương trình cụ thể.
• Tiêu chuẩn đánh giá phá hủy sợi
- Thiệt hại về sợi (gãy sợi) xảy ra khi ứng suất kéo 𝜎 11 dọc theo hướng sợi thỏa mãn biểu thức sau:
• Tiêu chuẩn đánh giá phá hủy nền
- Thiệt hại về nền xảy ra khi đạt đến tiêu chuẩn sau
- Đánh giá phá hủy nền (𝜎 22 > 0)
Ứng suất kéo 𝜎 22 gây ra các vết nứt kéo ngang và bên trong bề mặt, trong khi ứng suất cắt 𝜏 12 và 𝜏 23 gây ra vết nứt theo mặt phẳng có nguy cơ phá hủy Khi một nút đạt đến tiêu chuẩn phá hủy, độ cứng sẽ được điều chỉnh để giảm ba thành phần ứng suất về không Nếu bỏ hai thành phần 𝜏 12 và 𝜏 23, ta sẽ giả định về ứng suất kéo lớn nhất Các ứng suất tới hạn [𝜎 22] và [𝜏] sẽ đạt giá trị tại điểm có ứng suất tới hạn lớn nhất [𝜎 22] 𝑖 và [𝜏] 𝑖 khi không có thiệt hại về nền.
10 điểm xung quanh Còn khi điểm này ngay cạnh mũi của vết nứt các giá trị [𝜎 22 ] và [𝜏] sẽ lấy bằng [𝜎 22 ] 𝑝 và [𝜏] 𝑝
Ngoài ra, trong ABAQUS [8] còn có tiêu chuẩn Hashin về thiệt hại về sợi, nền do ứng suất kéo/nén
• Tiêu chuẩn đánh giá tách lớp
- Thiệt hại tách lớp xảy ra khi đạt đến tiêu chuẩn sau
Ứng suất kéo 𝜎 33 vuông góc với mặt phẳng tấm và các thành phần ứng suất cắt 𝜏 13 và 𝜏 23 tương tác lẫn nhau, gây ra sự di chuyển tương đối giữa hai lớp composite theo chiều dày và song song với mặt phẳng lớp Hiện tượng này dẫn đến sự tách lớp bên trong tấm composite Các ứng suất tới hạn [𝜎 33 ] và [𝜏] đạt giá trị lớn nhất tại điểm [𝜎 22 ] 𝑖 và [𝜏] 𝑖 khi không có thiệt hại tách lớp ở xung quanh Khi phát hiện tách lớp xung quanh điểm này, giá trị sẽ được xác định bằng [𝜎 22 ] 𝑝 và [𝜏] 𝑝.
Thiệt hại xảy giữa các lớp composite (interlaminar failure)
Hiện tượng tách lớp xảy ra do mất khả năng chịu tải, dẫn đến suy giảm độ cứng ban đầu của vật liệu Quá trình này được mô tả thông qua các phần tử keo và mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị Các nhà khoa học Dugdale và Barenblatt đã áp dụng phương pháp tiếp cận vùng ứng suất cho các cơ chế phá hủy đầu tiên, sau đó Needleman đã cải tiến khái niệm về miền keo Phần tử keo được mô hình hóa để thể hiện sự phân tách giữa hai bề mặt liên kết Trong mô hình miền keo, liên kết tại bề mặt chung và các kết nối dựa trên hiệu ứng kết dính được mô tả qua các phần tử keo và định luật ứng suất-chuyển vị Thiệt hại tách lớp thường được chia thành hai giai đoạn chính: khởi đầu thiệt hại và phát triển thiệt hại.
R.K Luo [4] đã dự đoán hiện tượng tách lớp trên các tấm composite bằng một tiêu chuẩn chưa có sẵn trong ABAQUS [8] kết hợp với việc lập trình bằng ngôn ngữ
FORTRAN mới có thể thu được thiệt hại tách lớp Tiêu chuẩn R.K Luo [4] được viết như sau:
Ứng suất kéo 𝜎 33 lớn hơn 0 trong tấm composite gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa hai lớp composite theo chiều dày, trong khi ứng suất cắt 𝜏 13 và 𝜏 23 tác động làm cho các lớp di chuyển song song với mặt phẳng lớp, dẫn đến hiện tượng tách lớp bên trong Các ứng suất tới hạn [𝜎 33] và [𝜏] được xác định tại điểm có ứng suất tới hạn lớn nhất [𝜎 22] 𝑖 và [𝜏] 𝑖 mà không có thiệt hại tách lớp xung quanh Khi phát hiện tách lớp tại khu vực này, giá trị ứng suất sẽ được điều chỉnh về [𝜎 22] 𝑝 và [𝜏] 𝑝.
2.2.1 Hiện tượng khởi đầu và phát triển thiệt hại tách lớp
Sự khởi đầu thiệt hại được xác định bởi định luật quan hệ ứng suất-chuyển vị, phụ thuộc vào độ bền vật liệu nền và giới hạn ứng suất của phần tử keo Thiệt hại bắt đầu tại vị trí giữa các lớp khi ứng suất đạt giá trị tới hạn Trong quá trình lan truyền vết nứt, ứng suất giảm và chuyển vị giữa các lớp tăng, dẫn đến việc hình thành bề mặt vết nứt mới, trong khi năng lượng phá huỷ đạt giá trị 0.
Hình 1: Đồ thị miêu tả định luật thể hiện mối quan hệ ứng suất- chuyển vị (Bi-linear cohesive law)
Vết nứt có thể lan truyền trên các bề mặt liên kết của vật liệu đẳng hướng và đồng nhất, nhưng chỉ trong từng mặt phẳng riêng biệt do độ bền thấp của bề mặt liên kết Năng lượng bị phân tán ∆U là năng lượng cần thiết cho sự phát triển của vết nứt, được xác định bằng cách so sánh năng lượng gây biến dạng đàn hồi trước và sau khi vết nứt lan truyền Tốc độ giải phóng năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích tách lớp, được gọi là tốc độ giải phóng năng lượng G, được tính theo phương trình 5.
Vết nứt lan truyền xảy ra khi tốc độ giải phóng năng lượng đạt hoặc vượt qua năng lượng phá hủy tới hạn 𝐺 𝑐 Năng lượng phá hủy tới hạn được xác định bởi diện tích dưới đường biểu diễn mối quan hệ ứng suất – chuyển vị, như thể hiện trong Hình 1.
2.2.2 Mô hình miền keo (CZM) và các tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại
Sự tách lớp xảy ra tại bề mặt liên kết giữa các lớp có hướng sợi khác nhau, chủ yếu do quá trình cắt xảy ra giữa các lớp do nứt nền và độ cứng khác biệt Hiện tượng này dẫn đến sự biến dạng của cấu trúc, với hình dáng phổ biến của sự tách lớp giống như hạt đậu, nằm dọc theo trục chính song song với hướng sợi của lớp bên dưới.
Trong báo cáo này, phương pháp miền keo (Cohesive Zone Method - CZM) được áp dụng để mô hình hóa hiện tượng thiệt hại tách lớp thông qua phân tích phần tử hữu hạn Phương pháp này, lần đầu tiên được Duglade và Barenblatt sử dụng trong cơ học phá huỷ, đã được Needleman phát triển để mô phỏng quá trình phát triển vết nứt nhanh trong các mẫu giòn Ý tưởng chính của CZM là tập hợp tất cả các hiệu ứng không đàn hồi xung quanh vết nứt thành một bề mặt gọi là miền thiệt hại kết dính Mô hình miền keo không yêu cầu xác định vết nứt ban đầu, cho phép cả quá trình bắt đầu và lan truyền thiệt hại được xem xét qua mô phỏng số Phương pháp này dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị tương đối tại các điểm có thể xảy ra thiệt hại.
Hình 2: Mô hình phần tử keo ba chiều (3D)
Khi các phần tử keo giữa các lớp composite mất liên kết, thiệt hại được coi là gia tăng Liên kết của các phần tử keo tương tự như các phần tử kết nối (continuum elements) Hình 2 trình bày các đặc tính hình học của các phần tử keo ba chiều (3D).
Hiện tượng khởi đầu thiệt hại dễ dàng được xác định qua ứng suất kéo cho phép và độ bền cho phép trong các chế độ Mode I, Mode II và Mode III, cũng như Mixed-mode Tuy nhiên, trong Mixed-mode, thiệt hại có thể khởi đầu trước khi ứng suất kéo hoặc độ bền đạt đến giới hạn cho phép Do đó, tiêu chuẩn đánh giá cho Mixed-mode yêu cầu một liên kết giữa các thành phần liên quan đến tốc độ giải phóng.
Phản hồi cơ bản chủ yếu và mô hình thiệt hại đối với phần tử keo
Các phần tử keo trong báo cáo này được tính toán theo lý thuyết của Camaho Ứng xử của phần tử keo được xác định thông qua định luật mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị, được tóm tắt như sau:
• Các định luật thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất-chyển vị được sử dụng cho vật liệu bị thiệt hại
• Các thiệt hại được tính theo các tiêu chuẩn về ứng suất
• Suy giảm độ bền, độ cứng, năng lượng của vật liệu được tính dựa trên các cơ chế phá hủy
Tiêu chuẩn thiệt hại giữa các lớp
Trong nghiên cứu của R.K Luo và Aymerich, có hai tiêu chuẩn đánh giá sự khởi đầu thiệt hại dựa trên ứng suất cho phần tử keo, bao gồm tiêu chuẩn thiệt hại US danh nghĩa bình phương (Quads criteriaon) và tiêu chuẩn của Hou Cả hai tiêu chuẩn này được xác định thông qua định luật thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị.
Bài viết này trình bày 14 đánh giá tỷ lệ ứng suất giữa một giá trị ứng suất cho trước và giá trị ứng suất danh nghĩa cực đại cho từng phương khác nhau Các tham số 𝜎 𝑛 0, 𝜏 𝑠 0 và 𝜏 𝑡 0 = 𝜏 𝑠 0 thể hiện các giá trị cực đại của ứng suất danh nghĩa khi xảy ra chuyển vị hoặc hoàn toàn do ứng suất chính tác động đến bề mặt liên kết chung, hoặc hoàn toàn do ứng suất cắt theo phương thứ nhất hoặc thứ hai tương ứng.
Hình 3 trình bày ma trận US trong mô hình 3 chiều của hiện tượng tách lớp Trong đó các thành phần US:
𝜎 33 : Ứng suất theo phương chiều dày
𝜏 13 : Ứng suất cắt theo hướng đầu tiên
𝜏 23 : Ứng suất cắt theo hướng thứ hai
Tensor ứng suất thể hiện sự tách lớp, theo tiêu chuẩn thiệt hại danh nghĩa bình phương của Mỹ, thiệt hại bắt đầu khi hàm tương tác bình phương đạt đến một giá trị nhất định Tiêu chuẩn này có thể được trình bày như trong PT 6.
Trong phương trình trên, ngoặc nhọn 〈 〉 chỉ ra rằng biến dạng do nén không khởi đầu quá trình thiệt hại Ngoài ra, Hou đề xuất các hàm đánh giá khác cho sự tách lớp thông qua phần tử keo, được trình bày như sau:
Mô hình cân bằng năng lượng
Phương pháp phân tích động năng trong va chạm dựa trên sự cân bằng năng lượng của hệ thống Động năng ban đầu của viên bi sắt được sử dụng để làm biến dạng cấu trúc trong quá trình tác động Khi cấu trúc đạt đến mức biến dạng tối đa, vận tốc của viên bi sắt bằng 0, và toàn bộ động năng đã được chuyển hóa để làm biến dạng cấu trúc Do đó, phương trình cân bằng năng lượng có thể được thiết lập như sau:
Trong nghiên cứu này, các yếu tố b, s, m được sử dụng để thể hiện độ uốn, cắt và phân bố của sự biến dạng trong kết cấu composite Năng lượng dự trữ 𝐸 𝑐 tại miền liên kết sẽ ảnh hưởng đến quá trình tấm composite bị thụt xuống Để thay đổi năng lượng va chạm, có hai phương án: thay đổi khối lượng và thay đổi chiều cao thả bi sắt Báo cáo này sẽ tập trung vào việc thay đổi chiều cao của bi sắt để điều chỉnh năng lượng va chạm.
MÔ PHỎNG TÁCH LỚP COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ KEO
Giới thiệu chung
Sự tách lớp trong các kết cấu composite dạng tấm gia cường bằng sợi thường bắt đầu từ việc mất liên kết, như vết nứt ma trận và hiệu ứng cạnh tự do, cùng với các khiếm khuyết trong quá trình sản xuất và độ bền yếu của các lớp dưới Hiện tượng này có thể làm giảm độ cứng và độ bền của kết cấu composite, nhưng trong một số trường hợp, nó cũng có thể giúp giảm ứng suất và làm chậm quá trình phá hủy cuối cùng Do đó, phân tích sự phát triển của quá trình tách lớp và dự đoán hiệu quả của kết cấu composite là rất quan trọng để đảm bảo thiết kế đáng tin cậy và an toàn.
Việc mô phỏng sự tách lớp bằng phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện thông qua kỹ thuật đóng vết nứt thực (VCCT) hoặc bằng cách sử dụng các phần tử hữu hạn mất kết dính hay các phần tử keo.
Phương pháp VCCT dựa trên giả thiết rằng năng lượng giải phóng trong quá trình lan truyền tách lớp tương đương với công cần thiết để khép lại vết nứt về trạng thái ban đầu Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này trong mô phỏng dự đoán lan truyền tách lớp gặp nhiều khó khăn, bao gồm yêu cầu tính toán tốn thời gian, cần nhiều vòng lặp và thường xuyên phải điều chỉnh lưới tại vị trí xảy ra lan truyền vết nứt.
Việc sử dụng các phần tử keo có thể giúp giải quyết những khó khăn trong phân tích, tuy nhiên người dùng cần có kinh nghiệm để xác định lưới phù hợp và lựa chọn đặc tính phản hồi giữa ứng suất và chuyển vị Để mô phỏng chính xác sự phân bố ứng suất kéo tại mũi vết nứt và sự lan truyền tách lớp, tối thiểu cần từ 3 đến 5 phần tử keo trong vùng keo Tuy nhiên, các yêu cầu về lưới này có thể không thực tế trong các phân tích cấu trúc liên quan đến sự lan truyền tách lớp.
Trong phần tiếp theo, phương pháp của Turon [9] sẽ được xác định đối với việc lựa chọn các đặc tính phần tử keo
Tính chất phần tử keo
3.2.1 Phương pháp xác định tính chất phần tử keo thứ I
Như trong báo cáo của Dũng [12], anh đã chọn đặc tính phần tử keo dựa trên phương pháp của Turon theo 3 bước sau:
- Tính toán độ cứng phần tử keo (𝐾 𝐼 , 𝐾 𝐼𝐼 = 𝐾 𝐼𝐼𝐼 ) sử dụng phương pháp của Turon
Xác định kích thước ô lưới trong mô phỏng thí nghiệm kiểm tra DCB và ENF là bước quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác của kết quả Việc so sánh các kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm đã thu thập trước đó giúp đánh giá độ tin cậy và hiệu quả của phương pháp mô phỏng.
Hiệu chỉnh độ bền ban đầu là một bước quan trọng trong mô phỏng thí nghiệm kiểm tra DCB và ENF, nhằm so sánh với các kết quả thực nghiệm đã thu thập trước đó Việc này giúp cải thiện độ chính xác của mô hình và đảm bảo tính khả thi trong các ứng dụng thực tế.
Kết quả được tổng hợp trong Bảng 2
Bảng 2: Đặc tính lớp kết dính của Dung [12] Độ cứng
Các chế độ thiệt hại được xác định với ứng suất danh nghĩa theo phương pháp tuyến là 50MPa, trong khi ứng suất danh nghĩa theo phương cắt I và II đều là 80MPa.
Sự phát triển thiệt hại
Năng lượng phá hủy ở chế độ chính 520 J/𝑚𝑚 2
Năng lượng phá hủy ở chế độ của ứng suất cắt phương I 870 J/𝑚𝑚 2
Năng lượng phá hủy ở chế độ của ứng suất cắt phương II 870 J/𝑚𝑚 2
Kích thước phần tử 0.3mm
3.2.2 Phương pháp xác định tính chất phần tử keo thứ II
Aymerich và cộng sự đã thực hiện một loạt thí nghiệm để xác định đặc tính của phần tử kết dính trong mô hình Trong quá trình mô phỏng, phương pháp của Camaho được áp dụng để tính toán độ cứng của vùng keo Các bước tính toán đã được tái thiết lập dựa trên công trình của anh Dũng Bảng 3 cung cấp các đặc tính chi tiết của phần tử keo theo nghiên cứu của Aymerich.
Bảng 3: Đặc tính lớp kết dính của Aymerich [3] Độ cứng
Các chế độ thiệt hại Ứng suất danh nghĩa pháp tuyến 30MPa Ứng suất danh nghĩa theo phương cắt I 80MPa Ứng suất danh nghĩa theo phương cắt II 80MPa
Sự phát triển thiệt hại
Năng lượng phá hủy ở chế độ chính 520 J/𝑚𝑚 2
Năng lượng phá hủy ở chế độ của ứng suất cắt phương I 970 J/𝑚𝑚 2
Năng lượng phá hủy ở chế độ của ứng suất cắt phương II 970 J/𝑚𝑚 2
3.2.1 Lựa chọn phương pháp tính toán tính chất phần tử keo
Trong tài liệu [3] và [12], mặc dù cả hai đều sử dụng đặc tính composite, nhưng tính chất phần tử keo của chúng lại có sự khác biệt Cụ thể, phương pháp của Dung cho thấy giá trị độ cứng của phần tử keo có thể lớn hơn gấp đôi so với nghiên cứu của Aymerich, điều này phản ánh sự khác nhau trong cách tiếp cận của hai tác giả.
Các thông số đặc tính của phần tử keo được tính toán bởi Dung [12] đã được so sánh với kết quả thực nghiệm từ một tài liệu khác, không chỉ giới hạn ở kết quả của Aymerich.
Các kết quả thu được đều khả quan, tuy nhiên sự khác biệt này chỉ ra rằng cần thiết phải áp dụng các tham số của Dung [12] để thực hiện kiểm tra đối với mô hình trong báo cáo này.
Những kết quả mô phỏng và thực nghiệm này có 1 sự tương đồng tốt đối với cả
Hai thí nghiệm kiểm tra DCB và ENF đã được thực hiện, giúp tăng tính đáng tin cậy của các đặc tính được chọn trong tài liệu Báo cáo này áp dụng phương pháp của Camaho và cộng sự để so sánh hiệu quả với kết quả thực nghiệm và mô phỏng của Aymerich [3].
Hình 4: Sự tương đồng tốt giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng sử dụng mô hình a) DCB và b) ENF khi sử dụng công thức của Camaho
Bài báo này áp dụng phương pháp tính toán tính chất miền keo của Aymerich để đánh giá thiệt hại do tách lướp trong tấm composite khi chịu va chạm với vận tốc thấp.
Mô hình thực nghiệm
Sau khi hoàn thành phân tích mô hình thiệt hại cho DCB và ENF bằng phương pháp phần tử hữu hạn, chúng tôi sẽ thiết kế mẫu composite tương tự (Seal HS160/REM graphite/epoxy preg tapes) cho bài toán va chạm Vật liệu Seal HS160/REM graphite/epoxy được sản xuất bằng phương pháp đơn hướng, với 61.5% khối lượng là sợi bên trong, sử dụng kỹ thuật hand laid-up, sau đó được hút chân không và hợp nhất trong nồi hấp theo chu kỳ theo hướng dẫn của nhà sản xuất Trình tự sắp xếp hướng sợi là yếu tố quan trọng trong thiết kế này.
Tấm composite có độ dày trung bình 2.0 mm, bao gồm các thành phần [0 3 /90 3] và [0/90] 3𝑠 Trước khi hợp nhất trong nồi hấp, một số tấm được kết hợp với sợi Kevlar (R) -29 bằng máy khâu JUKI DDL-8700 để giảm hiện tượng xô lệch sợi Các lớp được khâu vuông góc dọc theo hướng 0 0 của tấm hai lần, với khoảng cách giữa hai đường khâu gần nhất là 5 mm Cuối cùng, các tấm khâu và không khâu với sợi Kevlar (R) -29 được cắt thành hình chữ nhật kích thước 65 mm x 87.5 mm để phục vụ cho bài toán va chạm vận tốc thấp.
Thí nghiệm va chạm được thực hiện trên máy thí nghiệm rơi vật, bao gồm một tháp để đặt vật rơi và hai thanh dẫn hướng Vật va chạm có khối lượng khoảng 2,3 kg sẽ chạy theo các thanh dẫn và va chạm vào tấm composite Đầu va chạm, có hình bán cầu với đường kính tối đa 12,5 mm, được kết nối với thiết bị cảm biến để xác định biến dạng của vật liệu.
Bài thử nghiệm sử dụng 21 chạm và cảm biến hồng ngoại để đo vận tốc bán cầu bật lại, với một miếng phản quang dán trên bán cầu giúp quan sát dễ dàng Chuyển vị được đánh giá thông qua tín hiệu lực liên kết, trong khi động năng giảm sau va chạm được đo từ quá trình va chạm và vận tốc bật lại của vật Sau khi va chạm, vật sẽ được giữ lại để tránh va chạm nhiều lần lên tấm composite Để giữ tấm composite, thí nghiệm sử dụng tấm thép với một phần hình chữ nhật nhỏ hơn kích thước tấm composite đã bị cắt, kích thước là 45 mm x 67.5 mm, xung quanh có các lỗ để ngàm tấm composite Chiều cao thả vật va chạm sẽ được điều chỉnh để đạt năng lượng va chạm mong muốn, với các tấm thử nghiệm ở mức năng lượng từ 1J đến 14J, tương ứng với vận tốc từ 0,94 m/s đến 4,8 m/s.
Tác động gây thiệt hại được xác định thông qua việc tổng hợp thông tin từ các kỹ thuật phá huỷ và không phá huỷ, như siêu âm và tia X.
Hình 5: Mẫu composite và bệ đỡ (a), phân bố kích thước ngàm tấm composite (b) [10]
Hình 6: Ảnh chụp X-Quang hình dạng tách lớp (thí nghiệm của Aymerich [3])
Kết quả thiệt tách lớp có dạng hình như Hình 5 và Hình 6 bên trên, vết tách lớp lan truyền lơn nhất theo phương 0 0 (hướng chiều dài của tấm).
Mô hình số
3.3.1 Bố trí lớp composite và phần tử keo
Báo cáo này trình bày mô hình mô phỏng dựa trên các thông số đã tính toán, trong đó quả cầu thép với kích thước và khối lượng khác nhau va chạm với tấm composite gồm ba lớp Hai lớp ngoài cùng có phương sợi trùng với phương X (giả thiết là hướng 0°) và có độ dày 0.5 mm, trong khi lớp giữa có phương sợi vuông góc với phương X và độ dày 1.0 mm.
Hình 7: Cách bố trí hướng sợi và lớp keo trên tấm composite sử dụng trong bài toán mô phỏng số
Hình 8: Hướng sợi bố trí trên tấm composite 90 0
Để gán hướng sợi trong các tấm composite, hướng sợi 0° trùng với trục X, như thể hiện trong hệ tọa độ Trục Z đóng vai trò là trục xoay, theo hướng xếp các tấm composite Hình 8 minh họa hệ thống hướng sợi cho từng tấm composite, trong đó hướng S là hướng chính thể hiện cách sắp xếp các lớp composite.
Mật độ của graphite/epoxy và lớp keo được xác định là 1600 kg/𝑚³, như đã trình bày trong bảng 1 ở chương trước, dựa trên một số tài liệu tham khảo.
Phần tử keo được đặt vào giữa hai lớp composite có hướng sợi khác nhau là [0 𝑜 /90 𝑜 ] và [90 𝑜 /0 𝑜 ]
Dựa trên kết quả tính toán từ mô hình DCB và ENF, chúng tôi đã xác định được các tính chất của phần tử keo sơ bộ, được trình bày trong Bảng 3, phản ánh đặc tính lớp kết dính của Aymerich.
3.3.3 Liên kết và ràng buộc
Phương pháp liên kết cứng (hard contact) trong ABAQUS áp dụng các ràng buộc liên kết khi khoảng cách giữa hai bề mặt bằng 0, cho phép áp lực liên kết không bị giới hạn trong quá trình hình thành Khi áp lực liên kết bằng 0 hoặc âm, các bề mặt sẽ bị phân tách và ràng buộc sẽ bị mất Lực liên kết phụ thuộc vào khoảng cách thâm nhập và được áp dụng lên các nút của vật liệu chịu tác động (slave), trong khi lực tương đương tác động lên các bề mặt gây ra tác động (master) tại các điểm thâm nhập Định luật liên kết cứng cho phép hiện tượng bề mặt gây ra tác động (master) thâm nhập vào mặt chịu tác động (slave) thông qua thuật toán master–slave thuần tuý (pure master–slave algorithm).
Hình 9: Bề mặt tác động thâm nhập vào bề mặt bị tác động trong một cặp liên kết master-slave thuần tuý
Cặp master-slave thuần túy và các thuật toán cân bằng liên kết master-slave có sẵn trong ABAQUS/Explicit Thông thường, ABAQUS/Explicit sẽ tự động áp dụng thuật toán phù hợp cho mọi cặp liên kết dựa trên hình dạng tự nhiên của chúng.
Trong quá trình hình thành các cặp liên kết giữa hai bề mặt, ABAQUS/Explicit áp dụng thuật toán liên kết master-slave, trong đó một bề mặt cứng liên kết với bề mặt có khả năng biến dạng Khi sử dụng thuật toán liên kết penalty, phần mềm này cân bằng giữa hai bề mặt như hai phần tử liên kết với nhau Có hai phương pháp liên kết giữa lớp keo và lớp composite: lưới tương xứng, nơi các nút trên lớp keo tiếp xúc với các nút trên lớp composite, và lưới không tương xứng, nơi các nút không tiếp xúc hoàn toàn Lưới tương xứng giúp đơn giản hóa mô hình và giảm thời gian tính toán, trong khi lưới không tương xứng cho phép thay đổi mật độ phân bố phần tử Thông thường, lớp keo có mật độ dày hơn lớp composite để đạt được độ chính xác cao hơn, mặc dù điều này có thể làm tăng thời gian tính toán Hình 10 minh họa sự ràng buộc giữa lớp keo và lớp composite.
Hình 10: Ràng buộc cứng giữa các lớp composite và lớp keo tương ứng
Chỉ một phần mẫu composite có kích thước 45 mm x 67.5 mm được cắt ra từ tấm thép làm nhiệm vụ đỡ Các điều kiện biên được thiết lập như trong Hình 11, với vị trí gần 4 góc của tấm composite được kẹp cứng, dẫn đến các bậc tự do của các phần tử tại vị trí kẹp được thiết lập bằng 0 (URx = URy = URz = Ux = Uy = Uz = 0) Vật va chạm bị chặn 5 bậc tự do (URx = URy = URz = Ux = Uy = 0), chỉ cho phép tịnh tiến theo phương vuông góc với mặt tấm (Uz ≠ 0) và điểm đặt tại tâm quả cầu (R), do đó tất cả các phần tử trên quả cầu sẽ di chuyển chính xác như chuyển động của điểm tham chiều (R).
Năng lượng va chạm được mô hình hóa thông qua việc thay đổi khối lượng riêng và thể tích của vật va chạm, với khối lượng là 2.3 kg, như đã được áp dụng trong thí nghiệm thực tế của nghiên cứu này Ngoài ra, vận tốc ban đầu của vật va chạm được thiết lập từ mức năng lượng va chạm, bắt đầu từ 1J.
Thời gian xảy ra quá trình va chạm thay đổi tùy thuộc vào mức năng lượng va chạm, trong đó mức năng lượng 1J tương ứng với chu kỳ thiết lập khoảng 0,006 giây Việc thiết lập chu kỳ thời gian khác nhau là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của các kết quả.
Hình 11: Điều kiện biên sử dụng trong mô hình phần tử hữu hạn
3.3.5 Phần tử và phương pháp bố trí các phần tử
Hiện tượng biến dạng của vật va chạm, được mô phỏng bằng quả cầu thép, rất nhỏ so với biến dạng của tấm composite Do đó, trong mô hình phần tử hữu hạn, vật va chạm được giả thiết là vật liệu cứng hoàn toàn (rigid body) với bán kính 6,25 mm và khối lượng 2.3 kg Quả cầu này được tạo thành từ 528 phần tử C3D8R (khối rắn 8 nút trong không gian 3 chiều) và 240 phần tử C3D6R (khối rắn 6 nút trong không gian 3 chiều), như thể hiện trong Hình 12 Chuyển động của vật va chạm được kiểm soát bởi điểm tham chiếu (R) với các điều kiện ban đầu và các thông số vật lý đã được phân tích ở phần trên.
Hình 12: Phân bố các phần tử trên vật va chạm
Mô hình tấm composite được xây dựng với diện tích xung quanh vị trí va chạm được phân bố các phần tử tối ưu, trong đó kích thước phần tử nhỏ nhất là 0.25 mm x 0.25 mm Nghiên cứu sử dụng tổng cộng 95,232 phần tử C3D8R để mô phỏng tấm composite, như thể hiện trong Hình 13.
Hình 13: Phân bố các phần tử trên tấm composite 0 𝑜
Mật độ phân bố các phần tử trên lớp keo được thiết lập tương tự như các tấm composite, với tổng cộng 31,744 phần tử COHD8 (phần tử kết dính 8 nút trong không gian 3 chiều) được sử dụng để mô hình hóa lớp keo, như thể hiện trong Hình 14.
Hình 14: Phân bố các phần tử trên lớp keo đầu tiên
Diện tích xung quanh miền chịu va chạm trên cả hai tấm composite và lớp keo được chia thành lưới tối ưu với kích thước 30 mm x 30 mm, nhằm thu được hiện tượng tương tự.
27 với thực tế Các khu vực khác được chia lưới giảm dần để giảm thời gian tính toán nhưng không ảnh hưởng đến kết quả của bài toán
Theo các tài liệu tham khảo, quá trình mô phỏng va chạm vận tốc thấp của tấm composite có thể thực hiện bằng cả bộ giải Explicit và Implicit trong phần mềm ABAQUS Tuy nhiên, ABAQUS/Explicit là lựa chọn tối ưu hơn cho các bài toán phi tuyến và mô hình thiệt hại luỹ tiến Hơn nữa, bộ giải Explicit cho phép giải quyết các bài toán lớn một cách nhanh chóng và chính xác hơn so với các bộ giải khác.
Đánh giá mô hình
Mô hình được đánh giá tại mức năng lượng 2.1 J trình bày tổng thể về tải trọng được thiết lập trong mô hình
Bảng 4: Vận tốc vật va chạm được thiết lập với mức năng lượng 2.1J
Khối lượng vật va chạm (kg)
Vận tốc ban đầu vật va chạm (m/s)
Mô hình số như bên dưới:
Hình 15: Hình ảnh mô hình số
Hình 15 minh họa quá trình va chạm giữa quả cầu thép và tấm composite, cho thấy mô hình ban đầu được phân chia thành hai pha khác nhau.
Khi quả cầu bay đến và va chạm vào tấm composite, quá trình mang tải diễn ra, trong đó quả cầu chuyển từ pha mang tải sang pha chưa chịu tải Vận tốc của quả cầu giảm dần từ 1.351 m/s đến 0, và năng lượng va chạm được chuyển hóa vào bên trong tấm composite.
Hình 16: Mối quan hệ giữa động năng – thời gian va chạm
Khi quả cầu đạt chuyển vị lớn nhất, năng lượng của nó được hồi phục, cho phép quả cầu lấy lại vận tốc và bật ra Tuy nhiên, quả cầu không thể đạt lại vận tốc ban đầu trước khi va chạm, vì trong quá trình va chạm, tấm composite đã hấp thụ một phần năng lượng, gây ra thiệt hại như tách lớp, chuyển vị, nứt ma trận và ma sát.
Hình 17: Mối quan hệ giữa vận tốc – thời gian va chạm
Hình 18: So sánh mối quan hệ lực – thời gian va chạm với mức năng lượng 1.0 J (bên trái) và 2.1 J (bên phải)
Hình 18 so sánh kết quả nghiên cứu của bài báo này với kết quả của nhóm Aymerich về biến thiên của lực va chạm theo thời gian Đồ thị thể hiện các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của Aymerich tại hai mức năng lượng va chạm là 1 J (bao gồm 3 đường đồ thị bên trái) và 2.1 J (bao gồm 3 đường đồ thị bên phải).
Bảng 5 dưới đây sẽ trình bày về những giá trị sai khác giữa thực nghiệm và kết quả trong báo cáo
Bảng 5: So sánh các kết quả về lực tác động theo thời gian tại mức NL 1J
Mức NL 1J Lực tới hạn (N) Thời gian tiếp xúc quả cầu-composite (s) Thực nghiệm (Aymerich)
30 so với thực nghiệm so với mô phỏng số so với thực nghiệm so với mô phỏng số
Bảng 6: So sánh các kết quả về lực tác động theo thời gian tại mức NL 2.1J
Mức năng lượng 2J Lực tới hạn (N) Thời gian tiếp xúc quả cầu-composite (s) Thực nghiệm (Aymerich)
2.75 % so với mô phỏng số
15% so với mô phỏng số
Kết quả mô phỏng trong báo cáo cho thấy sự tương đồng đáng kể với các kết quả của Aymerich, đặc biệt khi xem xét các giá trị lực tới hạn (peak load) và khoảng thời gian va chạm, được đo bằng khoảng cách giữa hai chân trên cùng một đồ thị.
Tại các giá trị xung quanh tải tới hạn, đồ thị lực – thời gian xuất hiện nhiễu loạn do tiếp xúc giữa quả cầu và bề mặt composite Những dao động này cho thấy thiệt hại bắt đầu phát triển trong các tấm composite Sự giảm lực đột ngột đầu tiên, được khoanh đỏ trên Hình 18, là do giảm độ cứng uốn quá mức trong cấu trúc composite giòn, dẫn đến tình trạng khởi đầu tách lớp Các đường lực không ổn định sau đó thể hiện sự phát triển vết nứt trong mẫu thí nghiệm Sau khi đạt chuyển vị cực đại, vật tác động sẽ lấy lại năng lượng và bật ra khỏi tấm composite.
Tại mức năng lượng 2.1 J, giá trị xung quanh vị trí tải tới hạn của đường đồ thị trong báo cáo không ổn định so với các đường đồ thị khác Nguyên nhân chính là do tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại trong báo cáo này khác với tiêu chuẩn sử dụng trong mô hình của Aymerich [3] Hiện tại, tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại vẫn chưa có sẵn.
31 trong phần mềm ABAQUS (đã giới thiệu ở chương II) được Aymerich sử dụng thông qua chương trình con VUMAT nhằm xác định thiệt hại tách lớp
Kết quả nghiên cứu cho thấy năng lượng đạt mức 2.1 J, với diện tích tách lớp gia tăng nhanh chóng, dẫn đến việc giảm chuyển vị của quả cầu do năng lượng chủ yếu được sử dụng để phá hủy lớp keo Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mô hình bao gồm cách bố trí các phần tử (phân bố lưới quanh vị trí va chạm), liên kết giữa các bề mặt composite và lớp keo Việc lựa chọn các phần tử trong mô hình cũng có ảnh hưởng đáng kể; ABAQUS cung cấp nhiều loại phần tử để xây dựng cấu trúc composite xếp lớp như conventional shell, continuum shell, solid elements và homogeneous solid Mỗi loại phần tử có ưu nhược điểm riêng, kiểu liên kết khác nhau, và ảnh hưởng đến ứng xử của ứng suất cắt/kéo trong composite xếp lớp, dẫn đến sự khác biệt trong năng lượng lan truyền qua các loại phần tử.
Mô hình đã được tối ưu hóa thông qua việc phân bố lại các phần tử trên các lớp composite, tăng diện tích với kích thước lưới 0.25 mm, dẫn đến tổng số phần tử tăng từ 95,232 lên một con số lớn hơn.
Số lượng phần tử trong lớp keo đã tăng từ 31,744 lên 41,168, dẫn đến sự giảm thiểu các giai đoạn rối Hình ảnh tách lớp được minh họa dưới đây cho thấy kết quả này.
Hình 19: Hình dáng của miền tách lớp giống củ lạc
Tóm lại, giá trị lực va chạm tới hạn và khoảng thời gian va chạm có sai số chấp nhận được để thực hiện các phân tích tiếp theo
Hình 20 và Hình 21 mô tả chuyển vị theo thời gian của bề mặt tiếp xúc của quả cầu và lớp composite trên cùng
Hình 20: Mối quan hệ giữa chuyển vị – thời gian trong quá trình va chạm
Hình 21: Chuyển vị trên tấm composite
Phân tích thiệt hại tách lớp
Trong phần này, thiệt hại tách lớp được mô phỏng số thông qua việc sử dụng các phần tử keo (cohesive element) và kết quả thu được sẽ được so sánh với các kết quả của Aymerich.
Mô hình dự đoán thiệt hại do tách lớp trên bề mặt liên kết có hiệu suất dưới 90% tại mức năng lượng 2.1 J Hệ số không thứ nguyên D được áp dụng để kiểm soát thiệt hại tại bề mặt liên kết khi vật liệu chịu tải Ban đầu, hệ số D có giá trị 0 và sau đó tăng từ 0 đến 1 tương ứng với tải trọng mà cấu trúc phải chịu, dẫn đến hiện tượng tách lớp Các thành phần ứng suất được dự đoán thông qua việc đánh giá mối quan hệ giữa ứng suất và chuyển vị đàn hồi, dựa trên giá trị biến dạng tại thời điểm cụ thể.
33 điểm đó mà không xảy ra thiệt hại [13], thu được công thức tính ứng suất còn lại theo
Giá trị cực đại của diện tích tách lớp được thể hiện qua hình có biên màu đỏ, cho thấy diện tích tách lớp tính từ tâm đến hết đường biên màu đỏ tương ứng với hệ số.
Khi D = 1, vùng màu đỏ xác định quá trình diễn ra khi D < 0 Vết tách lớp có hình dạng giống hạt lạc, lan truyền mạnh mẽ theo hướng sợi 0° với tất cả các mức năng lượng va chạm được tính toán trong báo cáo này, tương đồng với kết quả của nhóm Aymerich.
Bảng 7: So sánh kích thước tách lớp tại 2.1 J
Mức năng lượng 2.1 J Chiều dài tách lớp (mm) Thực nghiệm
Nhỏ hơn 4.7 % so với thực nghiệm
Nhỏ hơn 17.3 % so với mô phỏng số
Bảng 7 trình bày kích thước vết tách lớp trong báo cáo này, cho thấy rằng kết quả chiều dài tách lớp gần sát với giá trị thực nghiệm hơn so với kết quả mô phỏng số của nhóm Aymerich Tuy nhiên, sai số của chiều rộng lớn nhất vết tách lớp lại cao hơn so với kết quả thực nghiệm của Aymerich Nguyên nhân là do sự khác biệt trong các tiêu chuẩn đánh giá tách lớp mà hai bên sử dụng Nhóm Aymerich đã áp dụng chương trình con (VUMAT) để đạt được kích thước vết tách lớp gần nhất với thực nghiệm Hình 22 cung cấp hình ảnh so sánh định tính về diện tích và kích thước tách lớp giữa kết quả trong báo cáo này và của Aymerich.
Hình 22: Diện tích tách lớp của báo cáo và nhóm Aymerich [3]
Thiệt hại tách lớp với các mức năng lượng khác nhau
Báo cáo này sẽ phân tích các diện tích thiệt hại khác nhau, bao gồm hình dáng và chiều dài, khi thay đổi với các mức năng lượng khác nhau Các mức năng lượng này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều cao thả vật va chạm, dẫn đến các vận tốc va chạm khác nhau Mối quan hệ giữa năng lượng và vận tốc sẽ được trình bày trong Bảng 8.
Diện tích tách lớp sẽ gia tăng tương ứng với mức năng lượng va chạm Kích thước chiều dài và chiều rộng tối đa của vết tách lớp có thể thay đổi, nhưng hình dáng tổng thể của tách lớp (giống hình củ lạc) vẫn giữ nguyên Các kết quả này được thể hiện trong Hình 23, dựa trên mô phỏng 1/4 mô hình ban đầu tại mức năng lượng 2.1.
J khi phân bố lại các phần lưới kết hợp thêm điêu kiện biên là SYMMETRY (Ux=URy=URz=0, Uy=URx=URz=0)
Bảng 8: Mối quan hệ giữa năng lượng và vận tốc va chạm
Khối lượng (kg) Vận tốc trước khi va chạm (mm/s)
Hình 23 trình bày điều kiện biên trên mô hình cắt ra từ 1/4 mô hình ban đầu
Hình 23: Điều kiện biên cho mô hình bị cắt ra 1/4 mô hình ban đầu
Hình 24 so sánh chiều dài tách lớp khác nhau tương ứng với các mức năng lượng
Hình 24: So sánh chiều dài tách lớp với các mức năng lượng khác nhau.
Bề mặt liên kết chung bên trên 0 o /90 o
Bề mặt liên kết chung bên dưới 90 o /0 o
Hình 25: Diện tích tách lớp với mức năng lượng lớn (6.0J, 5.1J, 3.9 J)
Bề mặt liên kết chung bên trên 0 o /90 o
Bề mặt liên kết chung bên dưới 90 o /0 o
Hình 26: Diện tích tách lớp với mức năng lượng nhỏ (3.1J, 2.1J, 1.0J)
Tại mức năng lượng 1 J, báo cáo cho thấy kết quả thấp hơn khoảng 17.8% so với mô phỏng số (Aymerich) và 14.5% so với kết quả thực nghiệm (Aymerich) Ở mức năng lượng 2.1 J, kết quả trong báo cáo giảm 17.3% so với mô phỏng số (Aymerich) và 4.7% so với kết quả thực nghiệm (Aymerich).
Sự khác biệt trong việc sử dụng các tiêu chuẩn đánh giá thiệt hại tách lớp khác nhau đã được nhấn mạnh Nghiên cứu của Aymerich còn áp dụng phần mềm con để mô phỏng sự phát triển của vết nứt, giúp hình dáng vết nứt trở nên tương đồng hơn với thực tế.
Kích thước tách lớp với các góc đặt sợi khác nhau
Hình 27, 28 trình bày về kết quả sau khi thay đổi hướng sợi lớp giữa từ 90 𝑜 xuống: 75 o , 60 o , 45 o , 30 o
Hình 27: Chiều dài tách lớp với các góc đặt sợi khác nhau
Hình 28: Chiều rộng tách lớp với các góc đặt sợi khác nhau
Thiệt hại tách lớp được phân tích thông qua việc thay đổi hướng đặt sợi, nhằm kiểm tra ảnh hưởng của góc đặt sợi đến kích thước tách lớp Kết quả cho thấy chiều dài và chiều rộng của vết tách lớp thay đổi khi góc đặt sợi của lớp giữa được điều chỉnh từ 90 độ xuống 75 độ, 60 độ, 45 độ và 30 độ Hình 29 và 30 minh họa diện tích tách lớp tương ứng với các góc đặt sợi này.
Hình 29: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 30 o (A), 45 o (B).
Hình 30: Diện tích tách lớp với góc đặt sợi 60 o (C), 75 o (D).
Nhận xét cho thấy rằng khi xoay các hướng sợi khác nhau, hình ảnh diện tích tách lớp cũng thay đổi Cụ thể, với hướng sợi 45 độ, chiều rộng vết tách lớp là nhỏ nhất, trong khi với hướng sợi 60 độ, chiều dài tách lớp ngắn nhất Đây là những yếu tố quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn vật liệu trong ứng dụng thực tế liên quan đến composite.