TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-------------------------------------Ngày
tháng
năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN HỮU THUẬN

MSSV: G0904641

NGÀNH: KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

LỚP: GT09HK

1. Đầu đề luận án:
Dự đoán ứng xử cơ học của chi tiết composite BMC dùng trong công nghiệp điện bằng
mô hình đồng nhất đa cấp độ.
2. Nhiệm vụ luận án:
- Nghiên cứu lý thuyết composite loại BMC
- Xây dựng mô hình dự đoán ứng xử của vật liệu composite dựa vào thành phần và các
tính chất cơ học của thành phần và phân bố hướng sợi
- Mô hình hóa ứng xử vật liệu bằng lập trình matlab
- So sánh các kết quả thu được với kết quả thí nghiệm trên vật liệu BMC
Ngày giao nhiệm vụ luận án: 03/09/2013
3. Ngày hoàn thành luận án: 30/12/2013

và động viên từ gia đình, từ quý thầy cô cùng các bạn. Nhờ đó mà em đã hoàn thành
được luận văn như mong muốn, nay xin cho phép em được gửi lời cám ơn sâu sắc và
chân thành đến:
Ba mẹ là những người đã dạy dỗ và nuôi em khôn lớn cho đến khi em bước chân
vào giảng đường đại học, là người luôn bên cạnh em và chia sẽ mỗi lúc em gặp khó
khăn trong cuộc sống.
Các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật hàng không trường Đại Học Bách Khoa đã truyền
đạt những kiến thức quý báu để từ đó em phát triển thêm vốn hiểu biết của mình vận
dụng trong công việc sau này. Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố
Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Em cũng xin chân thành cảm ơn cô TS. Lê Thị Tuyết Nhung, người trực tiếp
hướng dẫn đề tài. Trong quá trình làm luận văn, cô đã rất tận tình hướng dẫn thực hiện
đề tài, giúp em giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoàn
thành luận văn đúng định hướng ban đầu.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho em
những đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn chỉnh.
Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè là những người luôn chia sẽ
những chuyện buồn vui trong cuộc sống cũng như giúp đỡ em những lúc khó khăn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Chúc tất cả mọi người nhiều sức khỏe và
thành đạt.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 01 năm 2014
Sinh Viên
Nguyễn Hữu Thuận

ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

-

Kết luận và kiến nghị

iii


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................iii
MỤC LỤC ................................................................................................................................. iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ........................................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................................... vii
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ SỢI HƯỚNG
BẤT KÌ ...................................................................................................................................... 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của Composite ............................................................... 3
1.2. Thành phần cấu tạo và cách phân loại vật liệu composite ................................................ 4
1.2.1. Thành phần cấu tạo.................................................................................................... 4
a. Thành phần cốt ................................................................................................................ 4
b. Vật liệu nền ..................................................................................................................... 5
1.2.2. Phân loại vật liệu composite ...................................................................................... 5
a. Phân loại theo bản chất nền và sợi................................................................................... 6
b. Phân loại theo hình dạng sợi ........................................................................................... 6
1.2.3. Các kết quả thí nghiệm về cơ tính của vật liệu composite ...................................... 10

PHỤ LỤC A.1 .......................................................................................................................... 51
PHỤ LỤC A.2 .......................................................................................................................... 53

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng............................. 6
Hình 1.2 – Sơ đồ công nghiệp sản xuất composite sợi dài [3] ................................................... 7
Hình 1.3 – Sơ đồ các công nghệ sản xuất composite sợi ngắn [5] ............................................. 9
Hình 1.4 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC ........................................................ 12
Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7] ....................................... 14
Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi của 2 chi tiết BMC 20%wt ở 2D ............................... 14
Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D ................................... 15
Hình 2.1- Sơ đồ khối tính toán các tính chất cơ học của composite sợi đơn hướng ................ 16
Hình 2.2- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớp ........................................... 17
Hình 2.3 – Các hệ trục tọa độ quy ước của composite ............................................................. 18
Hình 2.4 – Sơ đồ khối mô hình hóa composite sợi ngắn bằng mô hình Mori – Tanaka .......... 21
Hình 2.5 – Minh họa các hệ trục hướng sợi của phần tử sợi composite................................... 22
Hình 3.1 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các
phương khác nhau của composite Glass/Epoxy ....................................................................... 30
Hình 3.2 – Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ sợi tới module đàn hồi của composite theo các
phương khác nhau của composite Graphite/Epoxy .................................................................. 30
Hình 3.3 – Mô phỏng chi tiết cánh NACA 0012 ...................................................................... 32
Hình 3.4 – Chia lưới cho mô hình cánh NACA 0012 .............................................................. 33
Hình 3.5 – Điều kiện biên, điều kiện tải áp dụng cho mô hình cánh NACA 0012 .................. 33
Hình 3.6 – Vị trí biên dạng thứ nhất lấy ứng suất trên mô hình cánh NACA 0012 ................. 34
Hình 3.7 – Vị trí biên dạng thứ hai lấy ứng suất trên mô hình cánh NACA 0012 ................... 34
Hình 3.8 – Ứng suất S33 phát triển trên chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi ......... 35
Hình 3.9 – Đồ thị trạng thái ứng suất Mises của chi tiết cánh composite Glass/Epoxy 45% sợi

Bảng 3.9 - Góc đo hướng sợi chi tiết 20F-Xmold ở 2D cho mô hình Mori – Tanaka ............. 44
Bảng 3.10 - Góc đo hướng sợi của chi tiết 20F-Xmold ở 3D cho mô hình Mori – Tanaka ..... 44
Bảng 3.11 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm chi tiết composite BMC 20%wt - 20FXmold 2D và composite BMC 20%wt - 20F-Xmold 3D ......................................................... 45
Bảng 3.12 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt (20F
Injected plate) ........................................................................................................................... 46
Bảng 3.13 – Bảng so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô hình composite BMC 20%wt
(20F-Xmold) ............................................................................................................................. 46

vii


GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trong nhiều năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vật
liệu composite đã và đang tạo nên những bước đột phá quan trọng trong nền công
nghiệp vật liệu. Việc nghiên cứu và áp dụng composite rộng rãi hơn nữa là một trong
những nhiệm vụ cấp thiết trong xu thế phát triển không ngừng của nền công nghiệp vật
liệu hiện nay.
Vật liệu composite đã giải quyết được phần lớn các vấn đề về vật liệu mà lúc
nghành công nghiệp này chưa phát triển là tạo ra một loại vật liệu vừa có cơ tính tốt
vừa có độ bền cao nhưng lại rất nhẹ. Với những ưu điểm về cơ tính phổ biến vừa nêu,
bên cạnh đó bằng công nghệ nano hiện nay người ta có thể tạo ra những vật liệu
composite với những tính năng đặc biệt phù hợp với từng nhu cầu sử dụng khác nhau,
chính vì vậy hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu vật liệu composite để có thể
đưa composite ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực.
Xác định được tầm quan trọng của việc nghiên cứu các tính chất cơ học của
composite, luận văn này được xây dựng với mục đích xây dựng một chương trình tính
toán dự đoán các tính chất cơ học của composite dựa vào các thông số thành phần.
Trong tính toán với composite, để tính toán được độ bền của một chi tiết bằng
composite thì cần biết được tính chất cơ học của composite, mà tính chất cơ học của
composite lại phụ thuộc vào loại sợi của composite (ví dụ: sợi ngắn, sợi dài), phụ

Tanaka sẽ cho phép xây dựng nên mô hình bài toán cho phép dự đoán ứng xử của
composite bắt đầu từ quan hệ của sợi và nền. Trong phương pháp này trình bày cách
xây dựng mô hình Mori – Tanaka để tính toán tính chất cơ học của composite, tiếp
theo là xây dựng chương trình tính toán đó trên phần mềm Matlab và kiểm nghiệm kết
quả với một vài mẫu thí nghiệm composite, cuối cùng là phân tích ứng suất năm mẫu
chi tiết cánh sải 0.36 m của cùng một loại composite sợi ngắn, hướng bất kì từ các kết
quả dự đoán của phương pháp này trên phần mềm Abaqus.
Kết quả sẽ đạt được của hai phương pháp này sẽ cho ta một chương trình dùng để
tính toán các module đàn hồi cho composite từ các thông số đầu vào của sợi và nền với
các loại thành phần, đặc điểm, cấu trúc sợi khác nhau.

2


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI HƯỚNG ĐỒNG NHẤT VÀ
SỢI HƯỚNG BẤT KÌ
Composite hiện có nhiều loại và nhiều thành phần cấu tạo khác nhau, có rất
nhiều cách phân loại composite nhưng phổ biến là cách phân loại dựa theo loại sợi
(sợi ngắn, sợi dài). Nhu cầu ứng dụng thực tế của composite là rất lớn trong nhiều
lĩnh vực, và mỗi lĩnh vực lại có nhiều thế mạnh riêng cho từng loại sợi, tương ứng với
cách sản xuất loại composite có sợi đó (ví dụ trong hàng không, thì composite sợi dài,
đơn hướng có ưu điểm hơn vì tạo được các chi tiết composite dạng tấm, các lớp tấm
phẳng 2D ứng dụng trong chế tạo vỏ, cánh máy bay…, phương pháp sản xuất loại này
chủ yếu là nén sợi và nền theo các lớp. Trong công nghiệp ôtô, công nghiệp điện, hay
gia dụng thì sợi ngắn có nhiều ưu điểm hơn, do tạo được các chi tiết khối 3D phức tạp,
và có chi phí sản xuất rẻ vì phương pháp sản xuất loại composite sợi ngắn này chủ yếu
là phun – đúc khuôn). Vì phương pháp sản suất thì có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của
vật liệu composite, đặc biệt là phương pháp phun khuôn (Injection), do hướng sợi

liệu composite lên tới 53% [2]. Hiện nay không chỉ trong hàng không, trong nghành
vận tải đường bộ, vật liệu composite đã được sử dụng trong việc sản xuất các toa xe
tàu hỏa, các bộ phận cơ khí phức tạp của ôtô nhằm hạn chế tối đa trọng lượng và giảm
chi phí. Trong công nghiệp đóng tàu, vật liệu composite đã bắt đầu được dùng để đóng
các loại tàu thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano…Ngoài ra, rất nhiều ứng dụng của vật liệu
composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các nghành công
nghiệp và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv…
1.2. THÀNH PHẦN CẤU TẠO VÀ CÁCH PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
COMPOSITE
Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân
bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường
làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt sợi hay vật
liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính,
chống mòn, chống xước...[2]
1.2.1. Thành phần cấu tạo
a. Thành phần cốt
Có nhiều loại thành phần cốt khác nhau, nhưng về cơ bản có các nhóm cốt như
sau: Nhóm sợi khoáng chất gồm có sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm. Nhóm sợi tổng
hợp ổn định nhiệt gồm sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi
4


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
khác ít phổ biến hơn như là sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô, giấy, sợi đay, sợi gai, sợi
dứa, sơ dừa,...) sợi gốc khoáng chất (sợi Amiăng, sợi Silic,...), sợi nhựa tổng hợp: sợi
polyeste (tergal, dacron, térylène, ..), sợi polyamit,..; sợi kim loại: thép, đồng,
nhôm,…[2]
b. Vật liệu nền
Vật liệu nền có bốn loại chính sau là bốn loại chất liệu nền đặc trưng của
composite, chúng có các tính chất cơ học phù hợp và nhiều cơ tính tốt để tạo nên vật

(polyamit, kevlar (là sợi aramit cơ tính cao)…), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi
cacbon,…), sợi kim loại (Bo, nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được
nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C.
Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm,
composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại
(Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...).
Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết
hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...).
Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng
600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C).[2]
b. Phân loại theo hình dạng sợi

a) Sợi dài (Continuous fibers)

b) Sợi ngắn (Discontinuous fibers)

Hình 1.1 - Các loại thành phần sợi của composite phân loại theo hình dạng

Composite hiện nay sử dụng dạng cốt sợi là phần lớn (còn lại số ít là dạng cốt
hạt), cốt sợi được chia thành hai loại khác nhau là composite sợi dài và composite sợi
ngắn.
 Composite sợi dài (Continuous fiber)
Composite sợi dài là composite có sợi với một chiều kích thước (gọi là chiều dài)
lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia
chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể

6


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

dụng của composite sợi dài chủ yếu hiện nay là trong nghành công nghiệp hàng không,
các bộ phận vỏ, cánh, hay khung của máy bay đang dần thay thế bởi vật liệu
composite, ví dụ máy bay A350 có tới 53% khối lượng là composite, hay mỗi chiếc
787 Dreamline gồm xấp xỉ 35 tấn carbon – fiber – reinforced - polymer (CFRP), trong
đó gần 23 tấn là sợi carbon, chiếm khoảng 50% khối lượng máy bay và phần lớn là ở
bộ phận thân, cánh, đuôi. Tỉ lệ composite này giúp cho A350 được đánh giá cao hơn
787 Dreamline về tiết kiệm nhiên liệu, hiệu năng cũng như tính kinh tế. Ngoài những
ứng dụng thực tế mang ý nghĩa lớn trong hàng không, trong các ngành công nghiệp
khác cũng có rất nhiều ứng dụng thiết thực như:
• Bình chịu áp lực cao.
• Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3.
• Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (ống cốt sợi thủy tinh).
• Ống dẫn nước thải, hóa chất composite, hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng.
• Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn.
• Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất.
• Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ silicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ
đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì.
• Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp.
• Vỏ tầu thuyền composite (vỏ lãi)...
• Thùng rác công cộng
• Mô hình đồ chơi trẻ em
 Composite sợi ngắn (Discontinuous fiber)
Composite sợi ngắn là loại có vật liệu sợi ngắn, gián đoạn, các sợi gia cường
ngắn khoảng từ 6 – 12 mm, hướng của sợi trong chi tiết là ngẫu nhiên. Các chi tiết
được chế tạo từ composite sợi ngắn thường rất khó khăn trong việc dự đoán ứng xử,
đặc biệt là các chi tiết 3D phức tạp vì hướng sợi phân bố trong chi tiết là bất kì, mặc dù
hướng chính sợi là theo hướng dòng chảy khi phun.
Nguyên lí của các phương pháp sản xuất composite sợi ngắn là trộn hỗn hợp nền
và sợi trước sau đó đổ hoặc phun, đùn vào khuôn chi tiết. Phương pháp này làm cho
8

nhiều trong các chi tiết 3D, các chi tiết công nghiệp phức tạp như các thiết bị điện,
9


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
điện tử trên máy bay, hay các thiết bị điện dân dụng, công nghiệp… bình đựng xăng
dầu, các dung dịch kiềm hay axit, các chi tiết phức tạp trên oto, moto, tàu thủy hay các
thiết bị điện, điện tử trên máy bay, tên lửa…vv.
Đặc trưng cho loại sợi này là Composite loại Bulk Moulding Compound (BMC).
So với sợi loại dài thì BMC có nhiều tính chất tốt hơn như: độ cứng, độ bền phân bố
gần như đều theo các hướng, khả năng chống ăn mòn cao, khả năng kháng hóa chất
cao, tính cách nhiệt hoặc cách điện tốt và đặc biệt là có thể chế tạo cho nhiều chi tiết
cần độ phức tạp cao hơn, chi phí sản xuất lại rẻ hơn.
1.2.3. Các kết quả thí nghiệm về cơ tính của vật liệu composite
Các kết quả thí nghiệm dưới đây sẽ cho ta thấy rõ hơn về tính chất cơ học của
một số loại composite, và sự ảnh hưởng bởi các thành phần cấu tạo tới tính chất của
composite. Đồng thời đây cũng là các số liệu dùng để kiểm chứng với mô hình tính
toán sẽ xây dựng ở chương 3.
a. Thông số tính chất cơ học của một vài loại composite tham khảo nhà sản xuất
Bảng 1.1 - Tính chất cơ học của một vài loại composite [6]
Thông số

Ký
hiệu

Đơn
vị

Thành phần thể tích
của sợi

8.27

18.5

10.3

Hệ số Poisson

v

-

0.26

0.23

0.28

Module cắt

G12

GPa

1.14

5.59

7.17



Mpa

31

61

40

Độ bền nén theo
phương ngang

 1T

Mpa

118

202

246

Độ bền cắt trên mặt
phẳng

 12

MPa

72


Module dọc trục

GPa

230

85

3.4

3.5

Module ngang

GPa

22

85

3.4

3.5

Hệ số Poisson

-

0.3


Độ bền nén dọc trục

MPa

1999

1550

102

108

Độ bền kéo ngang

MPa

77

1550

72

54

Độ bền nén ngang

MPa

42

composite ở các hướng bất kì.
Ở đây ta chú ý tới Bảng 1.2, các thành phần như sợi glass, nền epoxy, nền
polyamide là vật liệu isotropic còn sợi graphite là vật liệu transversely isotropic. Tức
là đối với vật liệu isotropic, module đàn hồi hay tính chất cơ học của vật liệu theo
phương dọc trục và phương ngang là như nhau trong khi đối với loại vật liệu
transversely isotropic thì module đàn hồi theo phương dọc trục là lớn hơn nhiều so với
phương ngang (ví dụ sợi Graphite có module đàn hồi theo phương dọc trục - 230 GPa)
lớn hơn gấp 10 lần theo phương ngang – 22 GPa). Vì vậy khi định nghĩa vật liệu để
11


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
tính toán các tính chất của composite, phải định nghĩa đúng cho từng loại vật liệu
isotropic và transverse isotropic này, đặc biệt là trong các ma trận độ cứng của vật liệu.
Các kết quả thí nghiệm về vật liệu composite ở trên sẽ dùng để so sánh, kiểm
nghiệm kết quả với mô hình vật liệu composite sẽ xây dựng ở chương 3.
b. Các kết quả thí nghiệm trên vật liệu composite sợi ngắn, hướng bất kì
Các thí nghiệm được trình bày trong phần này dùng vật liệu composite sợi ngắn
có tên gọi là Bulk Moulding Compound (BMC) với chiều dài sợi từ 6 – 50 mm, hướng
sợi trong chi tiết là ngẫu nhiên. Hai mẫu thí nghiệm được sản xuất theo hai phương
pháp khác nhau nhưng cùng với một loại sợi BMC, chi tiết thứ 1 là mẫu 20F – Xmold
được sản xuất bằng cách đúc với khuôn hình chữ thập. Chi tiết thứ hai là mẫu 20F –
Injection plate được sản xuất bằng cách phun hỗn hợp sợi và nền vào khuôn.

a) Xmold sample

b) Injected plate

Hình 1.4 - Mẫu thí nghiệm vật liệu composite loại BMC
Thí nghiệm kéo hai mẫu chi tiết trên được thực hiện bởi N. Le [7] với mục đích

Đường
kính sợi

Phần trăm
thể tích của
sợi

Polyester
chưa bão hòa
(hạt Al2O3 –
80%wt)

E-Glass

6.5 GPa

72 GPa

6 mm

14 μm

0.14

Sau khi thí nghiệm kéo hai mẫu trên, N. Le đã thống kê được các module đàn hồi của
hai mẫu thí nghiệm 20F - Injected plate và 20F – Xmold, kết quả kéo theo phương dọc
và phương ngang của sợi được giới thiệu trong bảng sau:
Bảng 1.4 - Kết quả thí nghiệm của N. Le với chi tiết BMC 20% wt (Injected plate,
Xmold samples)
Thông số 20F - Xmold 20F – Injected plate

Bằng phương pháp phân tích ảnh vi mô chi tiết composite để đo các hướng sợi
của hai mẫu trên. N. Le đã thống kê được các thông số về độ hướng sợi của hai mẫu
BMC trên [9]. Với các thông số về độ hướng sợi, bằng các cách rời rạc hóa các họ sợi
13


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì
đo được về các nhóm sợi theo góc, sẽ thu được biểu đồ độ hướng sợi của các nhóm sợi
theo góc, và với các cách rời rạc khác nhau sẽ cho ra các biểu đồ hướng sợi khác nhau
như hình 1.6 với quy ước về các góc hướng sợi như sau:

Hình 1.5 - Mô phỏng hướng sợi chi tiết BMC trong không gian [7]
30

45
40

25

35

20

30
25

15

20
Tỉ lệ sợi (%)


90

Góc phi - φ (độ)

b) 20F - Xmold sample

Hình 1.6 – Thống kê góc đo hướng sợi của hai chi tiết BMC 20%wt ở 2D
Trên hình 1.6 mặc dù mẫu thí nghiệm BMC có góc hướng sợi là bất kì nhưng hướng
chính vẫn là hướng phun sợi, tức là thẳng theo hướng phun sợi và phần lớn nằm ở góc
phi = 0 độ (chiếm tới 28% ở chi tiết 20F – Injected plate, và 40% trong chi tiết 20F Xmold). Phần sợi còn lại lệch ra các góc từ 30 đến 60 độ nhưng vẫn nằm trong mặt
phẳng chi tiết (mặt phẳng 2D).

14


Chương 1: Vật liệu composite sợi hướng đồng nhất và sợi hướng bất kì

40
0

10

30
60

5

90
120

120

0
-90 -60 -30

0 30 60
90
Góc phi (độ)

0

b) 20F - Xmold sample

Hình 1.7 – Thống kê góc đo hướng sợi hai chi tiết BMC 20%wt ở 3D
Hình 1.7 là biểu đồ các họ sợi bao gồm cả các góc lệch ngoài mặt phẳng của chi tiết, ở
biểu đồ này ngoài các góc phi là các góc lệch giữa trục chính tải và hình chiếu trục
chính sợi, còn có góc theta là góc lệch giữa trục chính sợi và mặt phẳng vuông góc với
mặt phẳng sợi (Hình 1.3). Ở biểu đồ 3D này, hướng chính theo mặt phẳng chi tiết vẫn
là 0 độ (theo hướng phun sợi), và các góc lệch theta ở 90 và 120 độ là phổ biến (theta
bằng 90 độ tức là sợi nằm trên mặt phẳng của chi tiết – Hình 1.5), chứng tỏ rằng các
sợi hầu như vẫn nằm trong mặt phẳng chi tiết và chỉ lệch ra các góc với tỉ lệ nhỏ dù ở
2D hay 3D.

15


Chương 2: Các phương pháp mô hình hóa vật liệu composite

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU
COMPOSITE

Nếu composite là loại có trục chính sợi lệch góc θ so với trục chính tải thì từ các
thông số ở bước trên ta xây dựng được ma trận độ cứng [Q] của composite (ma trận
[Q] này là ma trận độ cứng của composite theo trục tọa độ địa phương) – công thức
(2.2). Tiếp theo ta sẽ tìm được ma trận độ cứng thực [Qc] của composite theo hệ trục
tọa độ toàn cục bằng cách xoay ma trận độ cứng [Q] theo một góc theta (ma trận quay
góc theta [T]) – công thức (2.3). Từ ma trận độ cứng [Qc], ta có được ma trận độ mềm
[Sc] thông qua quan hệ [S] = [Q]-1, các thông số tính chất cơ học của composite E1c,
E2c, E3c, G12c sẽ được tính từ các hệ số của ma trận độ mềm [Sc] theo công thức (2.4).
2.1.1. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi trùng với trục chính tải
Nếu như composite được cấu tạo từ nền và sợi đơn hướng thẳng đều, trục chính
tải trùng với trục chính của sợi.

Hình 2.2- Minh họa một phần tử đại diện của composite một lớp
Thì ta có thể tính được các thông số thể hiện cơ tính của tấm composite 2D với
các đại lượng cho trước của nền và sợi theo lý thuyết cơ bản của composite như sau:
 E1c  V f * E f  Vm * E m G f  E f / (2 * (1  v f ))


V f Vm
vf
v
 1



; G12 
 m

G f Gm
 E2 c E f Em

   0
0 Q66  12 
 12  

Với các thành phần của ma trận độ cứng [Q]:
E1

 Q11  (1  v v )
12 21

E2

 Q 22 
(1  v12 v 21 )


v12 E 2
 Q12  Q 21 
(1  v12 v 21 )

Q  G
12
 66

(2.2)

2.1.2. Trường hợp với tấm có góc hướng sợi lệch với trục chính tải

Hình 2.3 – Các hệ trục tọa độ quy ước của composite
Để giải quyết các bài toán cho loại composite này trước tiên phải tìm được mối