CHƯƠNG 5 Các nội dung chính Dự báo hư hại Các yếu tố thiết kế vật liệu lớp Thiết kế nối - ghép Các ví dụ thiết kế Các ứng dụng điển hình 5.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Dự báo hư hại đối với lớp vật liệu đơn hướng Thuyết bền ứng suất lớn nhất Thuyết bền biến dạng lớn nhất Thuyết bền Tsai-Hill Thuyết bền Tsai-Wu Dự báo hư hại vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Dự báo hư hại trong vật liệu lớp sợi ngẫu nhiên Dự báo hư hại đối với vật liệu lớp có điểm tập trung ƯS Dự báo hư hại đối với hiện tượng tách lớp 3 5.1. DỰ BÁO HƯ HẠI ... Phân tích thiết kế một cấu trúc hay 1 chi tiết được thực hiện bằng cách so sánh các ứng suất (hoặc biến dạng) do tải trọng với độ bền (hay biến dạng) cho phép của vật liệu. Trong trường hợp trường ứng suất phức tạp, cần phải sử dụng đến các thuyết bền. Với vật liệu đẳng hướng, có thể áp dụng các thuyết bền như: Thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất, Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng, thuyết bền Morh. Một số thuyết bền được áp dụng đối với VLC như: Thuyết bền Ứng suất lớn nhất, Thuyết bền Biến dạng lớn nhất, Thuyết bền Tsai-Hill và Thuyết bền Tsai-Wu. 4 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Các ký hiệu quy ước SLt = σT1 STt = σC1 SLc = σT2 STc = σC2 SLTs = F12 Lt = T1 Lc = C1 Tt = T2 Tc = C2 LTs= F12 = độ bền kéo dọc = độ bền kéo ngang = độ bền nén dọc = độ bền nén ngang = độ bền trượt/cắt (trong mặt phẳng) = biến dạng kéo dọc tới hạn. = biến dạng nén dọc tới hạn. = biến dạng kéo ngang tới hạn. = biến dạng nén ngang tới hạn. = biến dạng trượt/cắt tới hạn. 5 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền ứng suất lớn nhất Hư hỏng xảy ra khi bất kỳ thành phần ứng suất chính nào bằng hoặc lớn hơn độ bền tới hạn tương ứng. -SLc < 1 < SLt -STc < 2 < STt -SLTs < 12 < SLTs Nếu lớp chỉ chịu kéo dọc (x0, y=0 và xy=0) thì: 1 = xcos2; 2 = xsin2; 12 = xsin cos lớp vật liệu sẽ bị phá hỏng nếu x > min[SLt /cos2; STt /sin2; SLTs /sin cos ] giá trị an toàn của x phụ thuộc vào phương sợi. 6 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền ứng suất lớn nhất Ví dụ: Lớp vật liệu composite E-glass - epoxy với SLt = 1100 MPa, STt = 96,5 MPa, và SLTs = 83 Mpa. Nguyên nhân phá hỏng chuyển từ phá hỏng do độ bền kéo dọc đến do độ bền trượt/cắt xảy ra tại = 1=tan-1 (SLTs/SLt) = 4,30 và chuyển từ phá hỏng do độ bền trượt/cắt sang phá hỏng do độ bền nén ngang xảy ra khi = 2=tan-1 (STt/SLTs) = 49,30 . Như vậy, các lớp có góc phương sợi 0 < 4,30 bị phá hỏng do độ bền kéo dọc; các lớp có góc phương sợi 4,30 49,30 bị phá hỏng do độ bền trượt/cắt và các lớp có góc phương sợi 49,30 < 900 bị phá hỏng do độ bền nén ngang 7 8 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền ứng suất lớn nhất Hư hỏng xảy ra khi bất kỳ thành phần ứng suất chính nào bằng hoặc lớn hơn độ bền tới hạn tương ứng. -SLc < 1 < SLt -STc < 2 < STt -SLTs < 12 < SLTs Nếu lớp chỉ chịu kéo dọc (x0, y=0 và xy=0) thì: 1 = xcos2; 2 = xsin2; 12 = xsin cos lớp vật liệu sẽ bị phá hỏng nếu x > min[SLt /cos2, STt /sin2, SLTs /sin cos ] giá trị an toàn của x phụ thuộc vào phương sợi (như hình bên). 9 Thuyết bền ứng suất lớn nhất … Ưu điểm của thuyết bền: Dễ áp dụng và chỉ ra được nguyên nhân gây phá hỏng. Nhược điểm: Không tính đến tương tác giữa các thành phần ứng suất Đường bao phá hỏng 10 Thuyết bền ứng suất lớn nhất … Ví dụ Lớp composite epoxy – carbon T-300 chịu kéo bởi lực P theo phương x, lớp có chiều rộng 50mm và dày 2mm. Có các giới hạn bền: SLt = SLc = 1447,5 MPa , STt = 44,8 MPa, và SLTs = 62 Mpa. Xác định [P] cho các trường hợp: a) góc phương sợi 00 b) góc phương sợi 300 c) góc phương sợi 600 11 Thuyết bền ứng suất lớn nhất … Ví dụ … P P x A 100 a. 00 1 x SLt 1447,5MPa P 144,75kN b. 300 P 1 x cos 30 0,75 1447,5MPa 100 P 2 0 2 xsin 30 0, 25 44,8 MPa 100 P 0 0 12 xsin30 cos30 0, 433 62 MPa 100 P min 19,3; 17,92; 14,32 14,32kN 2 0 12 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền biến dạng lớn nhất Hư hỏng xảy ra khi bất kỳ thành phần biến dạng theo phương chính nào bằng hoặc lớn hơn biến dạng tới hạn tương ứng. -Lc < 1 < Lt -Tc < 2 < Tt -LTs < 12 < LTs Nếu lớp chỉ chịu kéo dọc (x0, y=0 và xy=0) thì: 1 = xcos2; 2 = xsin2; 12 = xsin cos 13 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền biến dạng lớn nhất Nếu lớp chỉ chịu kéo dọc (x0, y=0 và xy=0) thì: 1 xcos2 ; 2 x sin2 ; 12 x sin cos Bước 1: Các thành phần biến dạng theo các phương chính 1 S111 S12 2 S11cos S12 sin x 2 2 2 S121 S22 2 S12cos2 S22 sin 2 x 12 S66 12 S66 sin cos x 1 12 1 1 S11 ; S12 ; S22 ; S66 ; E1 E1 E2 G12 14 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền biến dạng lớn nhất Bước 2: Lớp bị phá hỏng nếu ứng suất x vượt quá giá trị nhỏ nhất của: Lt E1 Lt S Lt 2 2 2 2 S11cos S12 sin cos 12 sin cos2 12 sin 2 Tt E2 Tt STt 2 2 2 2 2 S12cos S22 sin sin 21cos sin 21cos2 LTs G12 LTs S LTs S66 sin cos sin cos sin cos 15 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI … Thuyết bền biến dạng lớn nhất Ví dụ: Lớp composite epoxy – carbon T-300 với góc phương sợi 100, có trường ứng suất là x= 20.000 psi; y = 10.000 psi. Đặc tính cơ học: E1 21 106 ; E2 2 106 ; G12 0,85 106 ( psi); 12 0, 25 Lt 9,5 103 ; Tt 5,1 103 ; Lc 11 103 ; Tc 14 103 ; LTs 22 103 (in / in) -> Kiểm tra bền theo thuyết bền biến dạng lớn nhất 16 Lời giải 1. Tính 1, 2, và 12 1 20000 cos 2 100 (10000)sin 2 100 19095,9 psi 2 20000sin 2 100 ( 10000)cos 2100 9095,9 psi 12 (20000 10000)sin100 cos100 5130 psi 2. Tính 1, 2 và 12 và kiểm tra bền 1 1 12 2 E1 E1 1,1343 103 Lt 9,5 103 (in / in) 12 1 2 2 4, 77475 103 Tc 14 103 (in / in) E1 E2 12 12 G12 6, 0353 103 LTs 22 103 (in / in) 17 Thuyết bền biến dạng lớn nhất … Ưu điểm của thuyết bền: Dễ áp dụng và chỉ ra được nguyên nhân gây phá hỏng. Nhược điểm: Không tính đến tương tác giữa các thành phần biến dạng Đường bao phá hỏng 18 So sánh 2 thuyết bền 19 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền Tsai-Hill Thuyết bền Tsai-Hill được phát triển trên cơ sở của tiêu chuẩn năng lượng biến dạng von Mises đối với vật liệu đẳng hướng để áp dụng cho vật liệu dị hướng. Nguyên nhân của sự phá hỏng là năng lượng biến dạng bằng hoặc lớn hơn 1 giá trị xác định tương ứng với độ bền của lớp vật liệu. Không phân biệt độ bền kéo hay độ bền nén. Điều kiện bền: 12 S 2 Lt 1 2 S 2 Lt 22 2 Tt S 122 S 2 LTt 1 20 Thuyết bền Tsai-Hill … Ưu điểm: Kể đến tương tác giữa các thành phần ứng suất. Nhược điểm: Không phân biệt độ bền kéo và độ bền nén; khó áp dụng Đường bao phá hỏng 21 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền Tsai-Hill … Nếu lớp chỉ chịu kéo dọc (x0, y=0 và xy=0) thì điều kiện bền được viết: x 1 12 cos sin cos sin sin cos 2 2 2 2 S Lt STt S LTt S Lt 4 2 2 4 2 2 22 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền Tsai-Wu Dựa trên cơ sở năng lượng biến dạng toàn phần. Điều kiện bền: F1112 F22 22 F66122 F11 F2 2 F121 2 1 Trong đó: 1 1 1 1 F1 ; F2 S Lt S Lc STt STc 1 1 1 F11 ; F22 ; F66 2 S Lt S Lc STt STc S LTs F1, F2, F11, F22, và F66 có thể được tính toán từ các độ bền kéo, nén và trượt như trên 23 5.1.1. DỰ BÁO HƯ HẠI Thuyết bền Tsai-Wu F12 là độ bền tương tác giữa 1 và 2, được xác định bằng thí nghiệm kéo hai phương đồng thời. Hoặc có thể tính xấp xỉ dựa vào điều kiện phá hỏng khi kéo theo 2 phương với 1= 2=: 2 F F F F 2 F 1 1 2 11 22 12 1 1 1 1 1 1 1 2 F12 1 2 2 S Lt S Lc STt STc S Lt S Lc STt STc 1 F12 F11F22 2 24 Thuyết bền Tsai-Wu … Ưu điểm: Kể đến tương tác giữa các thành phần ứng suất và tính đến cả độ bền kéo và độ bền nén. Nhược điểm: áp dụng phức tạp Đường bao phá hỏng 25 Thuyết bền Tsai-Wu … Ví dụ Đánh giá giới hạn phá hỏng của lớp đơn hướng trong thí nghiệm kéo lệch trục theo tiêu chuẩn bền Tsai-Wu. Giải: 1.Tính các thành phần ứng suất trong hệ trục 1-2-3 1 1 x cos x 1 cos 2 2 1 2 2 x sin x 1 cos 2 2 1 12 x sin cos x sin 2 2 2 26 Thuyết bền Tsai-Wu … Ví dụ … Giải …: 2. Ở giới hạn phá hỏng, đặt x=S0. Khi đó ta có: S 3F11 3F22 2 F12 F66 4 F11 F22 cos2 F11 F22 2 F12 F66 cos4 2 0 4S0 F1 F2 cos2 8 0 3. Giải phương trình bậc 2 của S0 ta nhận được giới hạn phá hỏng S0. 27 5.1.2. Tấm lớp không có điểm tập trung ƯS Bước 1: Tính toán ứng suất và biến dạng (theo hệ tọa độ cục bộ) trong mỗi lớp. Bước 2: Áp dụng các thuyết bền tương ứng để kiểm tra bền cho mỗi lớp Bước 3. Đánh giá về khả năng làm việc của vật liệu lớp theo các quan điểm: Nếu có 1 hoặc 1 số lớp bị phá hỏng, có thể coi tấm bị phá hỏng. Mặc dù có một số lớp bị phá hỏng, nhưng tấm lớp vẫn tiếp tục duy trì khả năng chịu lực (ứng suất và biến dạng trong các lớp còn lại tăng và độ cứng của tấm giảm); tuy nhiên các lớp đã bị phá hỏng vẫn có thể tiếp tục chịu tải theo 1 số phương nào đó. 28 5.1.2. Tấm lớp không có điểm tập trung ƯS Một số phương pháp đánh giá bền sau khi một số lớp bị phá hỏng: Phương pháp loại bỏ hoàn toàn: Coi độ cứng và độ bền của các lớp đã bị phá hỏng bằng không theo mọi phương. Phương pháp loại bỏ hạn chế: Coi độ cứng và độ bền trượt và modul đàn hồi trượt của lớp bằng không nếu lớp bị phá hỏng nền; áp dụng phương pháp loại bỏ hoàn toàn nếu lớp bị phá hỏng sợi. Phương pháp đặc tính dư: Độ bền và độ cứng dư được gán cho tấm lớp bị phá hỏng. 29 Vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Ví dụ Tấm carbon–epoxy T-300 cấu hình [0/±4 5/90]S; cơ tính: E1=133,44 GPa, E2=8,78 GPa, 12 = 0,26 và 21 = 0,017. Chịu lực kéo màng Nx. Khi tăng Nx, hiện tượng phá hỏng đầu tiên tại các lớp 900 do các vết nứt ngang. Xác định các ma trận độ cứng sau khi lớp đầu tiên bị phá hỏng (FPF). Giả sử rằng mỗi lớp có chiều dày t0. 30 Vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Lời giải Ta có: h8=-h0=4t0; h7=-h1=3t0; h6=-h2=2t0; h5=-h3=t0 và h4=0. Q Q Q Q Q Q ; mn 1 mn 8 mn 00 mn 3 mn 6 mn 450 Q Q Q ; Q Q Q mn 2 mn 7 mn 4 mn 450 mn 5 mn 900 Tính [A], [B] và [D] Do tấm cấu hình đối xứng nên [B] = [0]. 8 Amn Q mn j 1 h 2t0 Q mn j j h j 1 Q 0 0 mn 0 45 Q mn 45 0 Q mn 0 90 31 Vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Lời giải 32 Vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Lời giải 1. Sau khi các lớp 900 bị phá hỏng: Phương pháp loại bỏ hoàn toàn: Đối với các lớp 900, Q11 Q12 Q22 Q26 Q66 0 33 Vật liệu lớp không có điểm tập trung ƯS Lời giải Sau khi các lớp 900 bị phá hỏng: 2. Phương pháp loại bỏ giới hạn. Vì các lớp 900 bị phá hỏng do gãy ngang, nên: Q11 Q12 Q26 Q66 0; Q22 134,03GPa 34 5.2. CÁC YẾU TỐ THIẾT KẾ VẬT LIỆU LỚP Triết lý (quan điểm) thiết kế Tiêu chuẩn thiết kế DESIGN ALLOWABLES Hướng dẫn chung Phương pháp phân tích PTHH (FEA) 35 5.2. CÁC YẾU TỐ THIẾT KẾ VẬT LIỆU LỚP 5.2.1. Triết lý (quan điểm) thiết kế Thiết kế 1 kết cấu hay 1 chi tiết thường dựa trên quan điểm tránh bị phá hỏng trong một khoảng thời gian xác định.. However, what constitutes failure depends principally on the type of application involved. For exampl e, the most common failure mode in a statical ly load ed structure made of a ductile metal is yielding beyond which a permanent de formati on may occur in the struc ture. On the other hand , the design of the same structure in a fatigue load application must take into account the possibility of a brittle failure accompanied by negligible yielding and rapid crack propagation. 36 Strong recommendations Trật tự xếp lớp đồng nhất được khuyến khích áp dụng cho các thiết kế theo độ bền (Nói cách khác, phương sợi được phân bố đều khắp trong suốt cấu hình lớp). Bình luận: các lớp không đồng nhất nên tránh với các thiết kế quan trọng trừ khi đã có dữ liệu phân tích và thử nghiệm chứng tỏ được tính vượt trội rõ ràng. Trong trường hợp buộc phải sử dụng các lớp không đồng nhất (ví dụ như, các lớp gage tối thiểu), tốt nhất nên xếp các lớp chịu tải chính hướng vào lõi tấm. Cách tốt nhất để xem các bài toán bền với cấu hình không đồng đều là quan tâm đến ứng xử của các nhóm lớp đôc lập (ví dụ, các nhóm bị tách do sự tách lớp) mà có thể được tạo ra trong quá trình sản xuất hoặc tiếp xúc với dịch vụ. Cấu hình không đồng nhất có thể mang lại độ cứng tối ưu, hiệu suất ổn định, tuy nhiên, các hiệu ứng trên tất cả các khía cạnh khác của thiết kế (ví dụ, độ bền, khả năng chịu thiệt hại) nên được xem xét trước khi bỏ qua Khuyến nghị 1. Ví dụ, sự phân bố ứng xuất xen lớp bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của trường ứng suất trong mặt phẳng tấm trong mặt phẳng xung quanh các lỗ khoét và các rãnh cắt và "hiệu quả" LSS (tức là, phương sợi liên quan đến tiếp xúc với cạnh). Trong trường hợp này việc tối ưu là khó khăn, giải pháp tốt nhất là làm cho cấu hình lớp càng đồng nhất càng tốt 37 Strong recommendations . Heterogeneous LSS can yield optimum stiffness or stability performance; however, the effects on all other aspects of the design (e.g., strength, damage tolerance, and durability) should be considered before ignoring Recommendation 1. For example, interlaminar stress distributions are affected by variations in the in-plane stress field around the periphery of holes and cutouts and the "effective" LSS (i.e., ply orientations relative to a tangent to the edge). Since it is difficult to optimize for a single layup in this case, the best solution is to make the LSS as homogeneous as possible 38 Strong recommendations A LSS should have at least four distinct ply angles (e.g., 0°, ±θ°, 90°) with a minimum of 10% of the plies oriented at each angle. Ply angles should be selected such that fibers are oriented with principal load axes. Comment: This rule is intended to avoid the matrix-dominated behavior (e.g., nonlinear effects and creep) of laminates not having fibers aligned with principal load axes. Such behavior can lead to low strengths and dimensional stability problems 39 Strong recommendations Minimize groupings of plies with the same orientation. For tape plies, stack no more than four plies of the same orientation together (i.e., limit stacked ply group thickness ≤ 0.03 in. (0.8 mm)). In addition, stacked ply group thicknesses with orientations perpendicular to a free edge should be limited ≤ 0.015 in. (0.38 mm). Comment: This guideline is used for laminate strength-critical designs. For example, it will help avoid the shear-out failure mode in bolted joints. It also considers relationships between stacked ply group thickness, matrix cracking (i.e., transverse tension and shear ply failures) and delamination. In general, ply group thickness should be limited based on details of the design problem (e.g., loads, free edges, etc.) and material properties (e.g., interlaminar toughness). Note that the absolute level of ply group thickness identified in this guideline is based on past experience. It should be confirmed with tests for specific materials and design considerations. 40 Strong recommendations If possible, LSS should be balanced and symmetric about the midplane. If this is not possible due to other requirements, locate the asymmetry or imbalance as near to the laminate midplane as possible. A LSS is considered symmetric if plies positioned at an equal distance above and below the midplane are identical (i.e., material, thickness, and orientation). Balanced is defined as having equal numbers of +θ and - θ plies, where θ is measured from the primary load direction. Comment: This guideline is used to avoid shear/extension couplings and dimensional stability problems (e.g., warpage which affects component manufacturing tolerances). The extension/bending coupling of unsymmetric laminates can reduce buckling loads. Note that some coupling may be desired for certain applications (e.g., shear/extension coupling has been used for aeroelastic tailoring) 41 Strong recommendations Alternate + θ and - θ plies through the LSS except for the closest ply either side of the symmetry plane. A + θ /- θ pair of plies should be located as closely as possible while still meeting the other guidelines. Comment: This guideline minimizes the effect of bending/twisting coupling, which is strongest when angle plies are separated near the surface of a laminate. Modifications to this rule may promote more efficient stiffness and stability controlled designs. 42 Strong recommendations Shield primary load carrying plies from exposed surfaces. Comment: The LSS for laminates primarily loaded in tension or compression in the 0° direction should start with angle and transverse plies. Tensile strength, micro- buckling resistance, impact damage tolerance and crippling strength can all increase by shielding the main load bearing plies from the laminate surface. With primary load fibers buried, exterior scratches or surface ply delamination will not have a critical effect on strength. For laminates loaded primarily in shear, consideration should be given to locating +45° and -45° plies away from the surface. For cases in which an element is shielded by other structures (e.g., shear webs) and it may not be necessary to stack primary load carrying plies away from the surface 43 Strong recommendations Avoid LSS that create high interlaminar tension stresses (σz) at free edges. Analyses to predict free edge stresses and delamination strain levels are recommended to help select LSS Comment: Composite materials tend to have a relatively low resistance to mode I delamination growth. Edge delamination, followed by sublaminate buckling can cause premature failure under compressive loads. Edge delamination occurring under tensile loads can also effectively reduce stiffness and lower the load carrying capability. Since delaminations occurring at the core of the laminate can have the strongest effect on strength, avoid locating tape plies with fibers oriented perpendicular to a free edge at the laminate midplane 44 Rules and Design Heuristics The rules and design heuristics to reduce undesirable stress coupling are as follows: 1. A laminates stacking sequence should be symmetric about the mid-plane to avoid extension-bending coupling. 2. A laminate stacking sequence should be balanced to avoid shear-extension coupling. 3. ±θ plies should be grouped to reduce bending-twisting coupling 45 rules of design heuristics The rules of design heuristics to improve strength are as follows: 1. Homogeneous lay-up is recommended for strength-controlled design. heterogeneous laminates should be avoided for strength-critical designs. In the case where heterogeneous laminates cannot be avoided, it is generally best to stack primary load-carrying plies toward the laminate core. 2. Minimize groupings of plies with same orientations to create a more homogeneous laminate and to minimize interlaminar stress and matrix cracking during the service period. If plies must be grouped, avoid grouping more than four plies of the same orientation. 3. Avoid grouping of 90° plies and separate 90° plies by a 0° or 45° ply to minimize interlaminar shear and normal stress. 4. Separate ±θ plies to reduce interlaminar shear stress. 46 rules of design heuristics 5. Shield primary load carrying plies by positioning inside of laminate to increase tensile strength and buckling resistance. 6. To avoid large-scale matrix cracking and delamination, the ply angle difference between the adjacent plies must not exceed 45°. 7. Avoid positioning tape plies with fibres oriented perpendicular to edge at the laminate mid-plane to lessen high interlaminar at free edges. 8. If tape plies with fibres oriented perpendicular to a free edge should be stacked at mid-plane, stack no more than approximately three plies. 9. When there exits a hole, avoid locating tape plies with fibres oriented perpendicular to loading direction at the laminate mid- plane to lessen interlaminar stress around a hole. The above rules of design heuristics should be carefully applied according to loading and conditions. 47 5.3. THIẾT KẾ NỐI - GHÉP Mối ghép cơ khí Mối ghép cứng 48 5.4. CÁC VÍ DỤ Thiết kế chi tiết (bộ phận) chịu kéo Thiết kế chi tiết (bộ phận) chịu nén Thiết kế dầm Thiết kế chi tiết (bộ phận) chịu xoắn 49 5.5. Các ứng dụng điển hình Cánh điều khiển của máy bay LOCKHEED L1011 Van áp lực Lò xo lá của tàu hộ tống CORVETTE LEAF SPRINGS Các ống cho cấu trúc dàn tàu không gian 50