Phát triển công nghệ CAE để thực hiện dự đoán tải trọng gãy có độ chính xác cao

Giới thiệu

Tại Asahi Kasei, chúng tôi phát triển các kỹ thuật CAE để thay thế kim loại bằng nhựa kỹ thuật của mình nhằm thiết kế các thành phần nhẹ hơn. Bằng cách kết hợp các thông số cơ học gãy trong các mô phỏng FE của mình, các kỹ thuật CAE mới của chúng tôi đã đạt được dự đoán chính xác hơn về tải trọng hỏng tối đa của các thành phần so với các phương pháp thông thường, dẫn đến các thiết kế thành phần nhẹ hơn và đáng tin cậy hơn. Để tiếp tục phát triển khả năng CAE của mình, chúng tôi có các dự án nghiên cứu hợp tác với Imperial College London (ICL, Vương quốc Anh). Tổng quan về dự án nghiên cứu này tại ICL được giới thiệu trong trang này.

Lý lịch

Nhựa nhiệt dẻo gia cường sợi ngắn (SFRP) đúc phun (IM) là vật liệu nhẹ phù hợp cho các ứng dụng khối lượng lớn; tuy nhiên, các phương pháp mô phỏng FE hiện tại cho các thành phần đó vẫn chưa thể dự đoán chính xác sự hỏng hóc, dựa trên các tiêu chí khởi tạo hỏng hóc. Công trình này trình bày một phương pháp để dự đoán chính xác sự hỏng hóc của các thành phần phụ IM-SFRP, dựa trên các thông số cơ học gãy được đo bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng mô hình vùng kết dính (CZM). ^​​
*trích dẫn：Bài báo ①,②

Đặc điểm của các thông số cơ học gãy xương

―― Đặc điểm riêng của vật liệu đúc phun: sự sắp xếp sợi và hành vi dị hướng

Trong nghiên cứu này, các tấm IM được hiển thị bên dưới đã được sản xuất và sử dụng để mô tả đặc tính vật liệu. Trong IM-SFRP, các sợi xếp thẳng hàng theo hướng dòng chảy gần bề mặt khuôn. Sự xếp thẳng hàng của sợi này dẫn đến sự thay đổi các đặc tính cơ học tùy thuộc vào góc thử nghiệm (dị hướng). Chi tiết về dị hướng này được giải thích trong「Phần 9 Định hướng trong nhựa gia cường sợi」.

―― Đặc điểm tốc độ giải phóng năng lượng ứng suất của IM-SFRP

Tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng của IM-SFRP được đo thông qua thử nghiệm kéo nén (CT). Các mẫu CT được thể hiện trong Hình 2 được gia công từ các tấm IM ở nhiều góc độ và được thử nghiệm bằng cách áp dụng tải thông qua điều khiển dịch chuyển tĩnh liên tục của các chốt tải được thể hiện trong Hình 3. Trong thử nghiệm này, sự lan truyền vết nứt ổn định đã được quan sát thấy từ đầu vết nứt ban đầu.

Kết quả thử nghiệm thu được đã được chuyển đổi thành đường cong R và vùng cao nguyên của đường cong được sử dụng làm tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng quan trọng của vật liệu. Các tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng này không chỉ bị ảnh hưởng bởi trạng thái định hướng sợi mà còn bởi nhiệt độ thử nghiệm và điều kiện độ ẩm. Chi tiết về phương pháp thử nghiệm và quy trình giảm dữ liệu được mô tả trong bài báo tạp chí của chúng tôi (Bài báo ①).

―― Ảnh hưởng của hướng sợi đến tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng

Bề mặt gãy của mẫu CT sau khi thử nghiệm được quan sát bằng SEM. Theo hướng 0°, nó cho thấy sự phá hủy sợi với biến dạng dẻo của ma trận, sau đó chuyển sang phá hủy cắt ma trận theo hướng 45° và phá hủy kéo ngang ma trận theo hướng 90°. Chúng tôi tin rằng những thay đổi này của cơ chế hư hỏng có liên quan chặt chẽ đến sự tăng/giảm tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng.

Nghiên cứu trường hợp CAE

―― Mô phỏng FE của các thử nghiệm CT

Mô phỏng FE của thử nghiệm CT đã được tiến hành và đầu ra đã được so sánh với kết quả thử nghiệm. Các thông số được sử dụng trong mô phỏng FE (CZM) của chúng tôi đã được hiệu chuẩn với tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng được đo bằng thực nghiệm. Trong kết quả này, mô phỏng FE của chúng tôi cho thấy sự phù hợp tuyệt vời về độ cứng ban đầu, tải trọng đỉnh và hành vi sau đỉnh so với kết quả thử nghiệm.

―― Xác nhận phương pháp mô phỏng FE ở quy mô thành phần phụ

Các thành phần phụ được hiển thị bên dưới đã được sản xuất và thử nghiệm thông qua phương pháp thụt lề tĩnh. Hình (bên phải) cho thấy các đường cong tải trọng-biến dạng của các thử nghiệm thành phần phụ từ các mô phỏng và thí nghiệm FE. Tiêu chí khởi tạo hỏng hóc có trong phần mềm thương mại (tiêu chí Tsai-Hill (TH) trong ví dụ này) đã dự đoán thấp hơn tải trọng hỏng hóc tối đa khoảng 20%, trong khi các mô phỏng FE sử dụng CZM (được hiệu chuẩn với tốc độ giải phóng năng lượng biến dạng thực nghiệm) cho thấy khả năng dự đoán hỏng hóc tuyệt vời với sai số 3% so với các thử nghiệm. Kết quả này chỉ ra rằng kỹ thuật CAE của chúng tôi hứa hẹn sẽ dự đoán hỏng hóc chính xác, để thiết kế các thành phần nhẹ hơn và đáng tin cậy hơn.

Ấn phẩm và bài thuyết trình hội nghị

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên các tạp chí uy tín và trình bày tại các hội nghị quốc tế/Nhật Bản, như mô tả dưới đây.

―― Bài báo tạp chí

① “Độ dẻo dai khi bắt đầu và lan truyền của vật liệu composite sợi ngắn đúc phun trong các điều kiện môi trường khác nhau” (2023) (https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109891)
Tác giả: Yuki Fujita ^1,2,3, Satoshi Noda ¹, Junichi takahashi ², Emile S. Greenhalgh ³, Soraia Pimenta ³,
② “Dự đoán sự hỏng hóc của các thành phần sợi ngắn được đúc phun trong các điều kiện môi trường khác nhau thông qua cơ học gãy” (2024) (https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111343)
Tác giả: Yuki Fujita ^1,2.3, Satoshi Noda ¹, Junichi takahashi ², Emile S. Greenhalgh ⁴, Soraia Pimenta ³,

Liên kết:
1. Phòng Phát triển CAE, Phòng thí nghiệm Polymer bền vững, Asahi Kasei Corporation
2. Phòng Kỹ thuật CAE, Trung tâm Công nghệ Sản xuất, Asahi Kasei Corporation
3. Khoa Kỹ thuật cơ khí, Đại học Hoàng gia London
4. Khoa Hàng không, Đại học Hoàng gia London

―― Bài trình bày tại hội nghị

・Hội nghị quốc tế về thử nghiệm vật liệu tổng hợp và nhận dạng mô hình (2021)
・Hội nghị Châu Âu về Vật liệu Composite (2022)
・Ngày công nghệ vật liệu (2023)
・Hội nghị quốc tế về vật liệu composite (2023)
・VẬT LIỆU ECCOMAS COMPOSITES 2023 (2023)
・Hội nghị Vật liệu Composite Nhật Bản (2024) *Giải thưởng thuyết trình hay nhất
・Hội nghị Châu Âu về Vật liệu Composite (2024)
・Hội nghị Nhật Bản về Vật liệu Composite (2025)

Về tác giả