19 Apr

Mô phỏng CFRP bằng phương pháp FEA có là một nhiệm vụ khó?

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA – Finite element analysis) cho phép chúng ta mô phỏng nhiều loại lực tác động lên bộ phận ảo và cung cấp các thông tin về thông số thiết kế để giúp chúng ta đưa ra quyết định chính xác về mẫu thiết kế trước khi đưa chúng vào gia công thực tế. Đây là phương pháp góp phần cắt giảm thời gian và tiền bạc trong quá trình thiết kế – gia công. Tuy vậy, FEA cũng không có khả năng phân tích tốt trong tất cả các trường hợp. Lấy một ví dụ cơ bản, việc mô phỏng lực bẻ cong tác động lên một thanh dầm bằng thép sẽ dễ dàng hơn là một thanh dầm bằng tấm sợi carbon (Carbon fiber reinforced plastic – CFRP). Lý do ư? Trong khi một thanh thép có sự đồng nhất về thành phần thì tấm sợi carbon CFRP lại được tạo ra từ các lớp mỏng và có các sợi chạy theo nhiều góc độ với nhau. Nó cho thấy trạng thái dị hướng, độ xốp và ma sát giữa các lớp – những yếu tố gây khó khăn cho việc phân tích và dự đoán.

Solvay là nhà sản xuất các sản phẩm từ CFRP với đa dạng sản phẩm từ Evolite – CFRP nhiệt dẻo (thermoplastic CFRP), và SolvaLite – CFRP dẻo nhiệt rắn (thermoset CFRP). Cách các vật liệu này hoạt động đều có một số điểm khác biệt cơ bản, vì vậy không có quy tắc nào phù hợp với tất cả các mô phỏng hoặc một giải pháp sản xuất phù hợp cho cả hai loại sản phẩm. Cả hai quá trình mô phỏng và sản xuất của các sản phẩm này đều cần rất nhiều nghiên cứu phù hợp.

Cánh cửa xe hơi bằng CFRP. (Ảnh: Solvay.)

May mắn thay, các nhà khoa học vật liệu, các kỹ sư sản xuất và các nhà hóa học cũng đang nỗ lực nâng cao tầm hiểu biết của chúng ta về mô phỏng sản xuất CFRP. Họ không chỉ nghiên cứu từ góc độ cơ học, mà còn cả ở giai đoạn chế tạo và hơn thế nữa, kể cả quá trình mô phỏng các phép kiểm tra va chạm. Họ đang dần đạt được điều này với sự trợ giúp của các giải pháp mô phỏng khác nhau được phát triển bởi Troy Mich đến từ Altair Engineering, Inc (Altair).

Fabio Bressan, quản lý bộ phận Kỹ thuật ảo của Solvay cho biết “Có ba lĩnh vực trong quy trình hoạt động mà chúng tôi đang đặt mục tiêu mô phỏng. Chúng tôi hy vọng sẽ mô phỏng vật liệu ở cấp độ nano và vi mô, quá trình hiệu chỉnh (máy công cụ) ở cấp độ vĩ mô, và cả quá trình hóa cứng sắp xếp. Mô phỏng hóa cứng là một vấn đề Multiphysics, phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và độ nhớt. “

Mối quan hệ động lực học giữa các yếu tố ảnh hưởng đến việc hóa cứng là một trong những điểm chính giúp phân biệt các trạng thái CFRP nhiệt dẻo và dẻo nhiệt rắn.

Cẩm nang sản xuất CFRP

Trước khi chúng ta đào sâu các chi tiết trên thực tế của phần mềm được sử dụng, hãy cùng xem xét các sản phẩm CFRP và cách chúng được sản xuất. Trình tự theo như sau:

1) Cắt và lắp ráp vật liệu prepreg

2) Tạo hình và bao phủ

3) Ứng dụng áp suất và hóa cứng nhiệt

4) Tháo khuôn

Bước đầu tiên bao gồm việc cắt vật liệu prepreg và lắp ráp (phân lớp) để sản xuất các tấm dày hơn. Vật liệu prepreg, trái ngược với vật liệu khô, bao gồm các tấm hoặc sợi tơ filament carbon với phần nhựa tổng hợp nhân tạo đã được ngâm tẩm vào các sợi filament.

Giai đoạn tiếp theo liên quan đến việc dải các tấm lên vỏ khuôn để cung cấp thông số hình học của bộ phận tạo phôi trước theo phương pháp near-net shape. Giai đoạn này có thể xảy ra vấn đề nếu không được thực hiện chính xác, đây cũng là một bước có thể được mô phỏng bằng cách sử dụng bộ phần mềm mô phỏng HyperWorks của Altair. Nếu vật liệu prepreg không được trải đúng cách, hướng sợi có thể bị thay đổi, kết quả cho ra một chi tiết không tối ưu. Bước này tạo ra một chi tiết 3D với ma trận và sợi được củng cố cho giai đoạn tiếp theo.

Mô phỏng bao phủ. (Ảnh: Altair và CEDREM.)

Hình dạng khuôn mẫu sau đó được chuyển đến khuôn thứ hai, nơi nó được nén và một chất nhựa khác được tiêm vào chi tiết. Việc kiểm soát thời gian ở bước này rất quan trọng. Áp suất phải được áp dụng vào đúng thời điểm bởi vì đây là một lớp nền nhựa nhiệt dẻo rắn, kết quả của việc canh đúng thời gian là độ nhớt và pha của nhựa không thể đảo ngược được. Một khi bỏ qua thời điểm vàng ấy, nó có thể cho ra đời những chi tiết không đạt tiêu chuẩn.

Tháo khuôn là công đoạn cuối cùng. Khi chi tiết cuối cùng được hoàn thiện hóa cứng, nó có thể được tháo gỡ khỏi khuôn và sẵn sàng cho quá trình kiểm tra. Mô phỏng tại giai đoạn này đóng vai trò giúp xác định điểm đặt chốt phun khuôn tốt nhất.

Thẻ vật liệu

Phần lớn công việc mô phỏng diễn ra trong môi trường Altair HyperWorks. Các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất có thể được mô phỏng với việc sử dụng các plugin và mã hóa tương đối phức tạp. Độ chắc chắn của các kết quả phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng đầu vào.

Bressan đã nói: “Bạn sẽ nhận được thứ tương ứng với những gì bạn bỏ vào. Nếu bạn bỏ rác vào, bạn sẽ có được rác rưởi,”

Về mặt đầu vào, toàn bộ quá trình mô phỏng CFRP bắt đầu với việc tạo ra những gì được gọi là “thẻ vật liệu”. Các thẻ vật liệu, về cơ bản, là vật liệu ảo cho các loại cấu hình vật liệu prepreg và chứa thông tin liên quan đến độ cứng hướng tính, độ bền của từng vật liệu, cũng như các dữ liệu cơ học khác như mô đun đàn hồi, tỷ số Poisson, mô đun cắt và những thứ khác tương tự.

Thẻ vật liệu được phát triển bằng việc thực hiện các phép thử cơ học đầu tiên trên các mẫu vật thực, đồng thời mô hình hoá trạng thái mesoscale trong một môi trường phần tử hữu hạn.

Kết quả của các thử nghiệm / mô phỏng song song được kết hợp để tạo ra các thẻ vật liệu thực tế. Những thẻ này được viết cho các giải pháp thương mại khác nhau bao gồm bộ giải RADIOSS của Altair cho phân tích động phi tuyến.

Tiếp theo, các thẻ được kiểm tra để xem liệu chúng có phù hợp với các thí nghiệm vật lý bằng cách chạy mô phỏng trên các mô hình thẻ trong khi thực hiện một bộ kiểm tra vật lý khác. Nếu các kết quả thử nghiệm / số học tương quan, thì đó là một tấm thiệp tốt và có thể được sử dụng cho công việc thiết kế và mô phỏng trong tương lai.

“Các thẻ vật liệu không phải là các bảng dữ liệu ASTM đơn giản”, Bressan nói. “Chúng chứa thông tin liên quan đến các trạng thái phi tuyến tính động học vượt xa những gì một bảng dữ liệu có thể cung cấp. Điều này rất quan trọng cho việc phân tích các lỗi phức tạp của cấu trúc, chẳng hạn như phân tích va chạm xe. “

Áp suất/ Hóa cứng

Một trong những vấn đề với cơ sở dữ liệu hiện tại của thẻ là thông tin trên nhiều thẻ dựa vào polyme nhiệt dẻo hơn là polyme dẻo nhiệt rắn. Tuy vậy, các sản phẩm polyme dẻo nhiệt rắn lại được ưa dùng hơn vì chúng hoạt động giống nhau trong cùng một phạm vi nhiệt độ và sự thay đổi pha không thể đảo ngược, không giống như nhựa nhiệt dẻo. Điều này đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nơi mà một cấu trúc phương tiện có thể phải chịu nhiều mức nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau tùy thuộc vào vị trí và độ cao so với mực nước biển.

Hiểu được trạng thái của nhựa dẻo nhiệt rắn trên nền CFRPs là rất quan trọng khi mô phỏng quá trình hóa cứng. Do tính chất không thể đảo ngược của nhiệt trong suốt quá trình ứng dụng áp suất ở bước thứ ba của quá trình sản xuất, thời gian chính là tất cả. Có một thời điểm vàng liên quan đến độ nhớt, thời điểm mà áp suất nhất định phải được sử dụng. Nếu thời điểm đó bị bỏ qua, sản phẩm cuối cùng có thể bị thiếu sót dẫn đến lãng phí hiệu suất và làm hỏng một chi tiết quan trọng. Đây không phải là vấn đề với nhựa nhiệt dẻo bởi vì pha và độ nhớt đều có thể đảo ngược được.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt.

Mô phỏng

Chúng ta đã xem qua tổng quan cơ bản về quá trình sản xuất và những thách thức liên quan đến việc cung cấp các mô hình vật liệu tốt. Vậy các nhà thiết kế vật liệu tổng hợp (composite) đã sử dụng phần mềm để mô phỏng những quá trình này chính xác đến mức nào?

Các giai đoạn thiết kế phức hợp ban đầu có thể được thực hiện với phần mềm OptiStruct, phần mềm cho phép các biến thiết kế được thay đổi để xác định thiết kế tối ưu. Bằng cách sử dụng OptiStruct, các nhà thiết kế có thể hiểu được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng và tính an toàn của sản phẩm trước khi tiến hành cắt từng lớp.

Bằng cách sử dụng OptiStruct trong giai đoạn đầu của thiết kế, các kỹ sư có thể xác định vị trí tối ưu của các lớp mỏng và lớp vỏ xây dựng, từ đó, phát triển bản mẫu cắt ra và xác định trình tự xếp chồng tối ưu để tạo ra các lá chất dẻo dày.

Mô phỏng phương pháp đúc khuôn áp lực nhiệt độ cao (Ảnh: Solvay.)

HyperMesh có thể được sử dụng để thiết lập các mô hình Phần tử hữu hạn. Điều này cho phép người dùng tạo ra các định nghĩa laminate hiệu quả và hình tượng hóa trình tự xếp chồng lên nhau, định hướng lớp và độ lệch góc phủ.

Trong khi đó, để phân tích các bối cảnh tĩnh và động , OptiStruct có thể được sử dụng cho các phân tích tuyến tính và phi tuyến có liên quan đến tĩnh học, động học và tải nhiệt. Còn RADIOSS có thể được sử dụng cho các vấn đề phi tuyến tính khi tải động học, chẳng hạn như phân tích va chạm.

Bởi vì các mô hình Phần tử hữu hạn đã được xác định rõ ràng ở cấp độ lớp và lớp nhân bản trong HyperMesh, nên việc xử lý hậu kỳ tinh xảo ở cấp độ lớp hoặc lớp nhân bản có thể đạt được và các kết quả cũng được đánh giá bằng HyperView.

Giống như bất kỳ công việc thiết kế hiện đại nào, kết quả của việc phân tích như vậy được kết hợp với dữ liệu thực nghiệm trong thế giới thực và đưa vào vòng lặp, cho phép mô phỏng chắc chắn và chính xác hơn cho công việc thiết kế trong tương lai.

Các phát triển tương lai

Chúng ta có thể thấy, hiện nay, mô phỏng đang được sử dụng ở nhiều giai đoạn khác nhau của thiết kế và sản xuất các sản phẩm CFRP. Solvay vẫn còn rất việc phải làm để thu hẹp khoảng cách giữa mô phỏng tưởng tượng và thực tế sản xuất. Như đã đề cập trước đây, một mô phỏng tốt bắt đầu với một thẻ vật liệu tốt. Vì vậy, cơ sở dữ liệu thẻ vật liệu càng phát triển, thì kết quả mô phỏng càng chính xác.

Tuy vậy, phần lớn các lỗi xảy ra vẫn xuất phát từ phía con người. Ở một số giai đoạn nhất định, CFRP vẫn đòi hỏi hướng tiếp cận thủ công, và lỗi có thể xảy ra tại chính những điểm này.

“Tự động hóa là tương lai cho vật liệu composite”, Bressan nói. “Nếu bạn có thể mô phỏng từng bước sản xuất, thì bạn có thể nắm vững được vật lý học của quá trình sản xuất.”

Khi các sản phẩm CFRP có thể được sản xuất với quy trình độc lập hoàn toàn và các chi tiết chất lượng cao có tính nhất quán phù hợp với các ngành công nghiệp có đòi hỏi cao như hàng không vũ trụ và ô tô, chi phí sản xuất sẽ giảm đáng kể.

Nhanh hơn, tốt hơn và rẻ hơn. NASA đã áp dụng triết lý đó một lần và nhận được nhiều kết quả trái chiều. Liệu ngành công nghiệp CFRP có thành công khi mà nhiều doanh nghiệp đã thất bại trước đây? Chỉ có thời gian mới cho chúng ta biết được điều đó.

Nguồn: engineering.com

 

Share this

Leave a reply