Mô phỏng quá trình truyền vết nứt trong vật liệu lưới và composite

Ngày nay, các kết cấu kích thước micro, các kết cấu làm bằng vật liệu dị hướng đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống kỹ thuật như y học (xương, khớp,..), năng lượng hạt nhân (vách ngăn, lò phản ứng,..), công nghiệp quốc phòng (động cơ tên lửa,…), đóng tàu (chân vịt, động cơ đốt trong,…), đo đạc (các cảm biến-sensors,…). Đối với các kết cấu này, ngay trong quá trình chế tạo và trong quá trình làm việc, các khuyết tật dạng vết nứt tế vi (là vết nứt hình thành và có thể lan rộng sau thời gian có thể trở thành vết nứt thô đại và sẽ khó phát hiện) có thể xuất hiện, theo thời gian, các vết nứt này sẽ phát triển và làm giảm khả năng làm việc của chúng. Do vậy, việc nghiên cứu ứng xử cơ học của các kết cấu có vết nứt có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, điều này giúp các nhà khoa học hiểu được đặc tính phát triển vết nứt đối với từng loại vật liệu và kết cấu, từ đó dự đoán khả năng phát triển của vết nứt, cũng như đề xuất các biện pháp gia cường hợp lý để khống chế và điều khiển vết nứt theo hướng có lợi nhất.

Nhóm nghiên cứu sử dụng lý thuyết Phase-field kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ảnh hưởng của vết nứt và mô phỏng quá trình lan truyền của vết nứt. Phương pháp này là một công cụ hữu hiệu để giải quyết các kết cấu có nứt, thông qua sử dụng một biến liên tục, nó đã biến miền bị nứt (miền rời rạc) trở thành một miền liên tục, tạo điều kiện thuận lợi thực hiện các phép tích phân trên miền này.

Một trong những ví dụ điển hình về vật liệu lưới và vật liệu composite được nghiên cứu và khảo sát trong đề tài là vật liệu auxetic có hệ số Poisson âm.

Như là một mảng được nghiên cứu nhiều nhất về những siêu vật liệu cơ học, vật liệu auxetic được biết đến với những ứng xử khác thường trong suốt quá trình biến dạng. Cụ thể hơn, dưới tác dụng của lực nén dọc trục, những vật liệu thông thường giãn ra theo hướng trực giao với tải trọng tác dụng. Ngược lại, vật liệu auxetic sẽ có xu hướng co lại, được thể hiện như ở hình 1.

Hình 1. Ứng xử của vật liệu chịu tải kéo và nén. (a) Vật liệu thông thường; (b) Vật liệu auxetic.

Mô hình tấm composite phân lớp được thể hiện như trên hình 2, trong đó tấm gồm 3 lớp vật liệu, vết nứt xuất hiện ở lớp giữa. Từ các kết quả tính toán này, có thể thấy các dạng dao động riêng của tấm composite có nứt và không có nứt không khác nhau nhiều về hình dạng, nhưng vết nứt có ảnh hưởng đến tần số dao động riêng.

Hình 2. Mô hình tấm composite làm bằng vật liệu composite

Đề tài sử dụng lý thuyết phase-field kết hợp với lý thuyết tấm để thiết lập phương trình cơ bản, phương pháp phần tử hữu hạn đi nghiên cứu quá trình lan truyền của vết nứt trong vật liệu gradient elastic. Qua đó, đã tạo ra một cách tiếp cận mới trong nghiên cứu ứng xử cơ học của các vật liệu lưới và composite có vết nứt tĩnh và động.

Nhờ hiểu được đặc tính truyền vết nứt trong các vật liệu lưới và composite trực tiếp mang đến cho các kỹ sư các thông số an toàn mới trong thiết kế các sản phẩm với tính an toàn cao và tiết kiệm nguyên liệu. Dựa trên quá trình truyền vết nứt trong các vật liệu lưới và composite giúp các kỹ sư thiết kế đưa ra các giải pháp gia cường cho các sản phẩm có khuyết tật nhằm duy trì tuổi thọ sản phẩm với giá thành tiết kiệm.

Hình 3a. Kết quả vết nứt lan truyền theo thực nghiệm	Hình 3b. Kết quả vết nứt lan truyền theo tính toán

Những đóng góp mới của nhóm nghiên cứu là sử dụng lý thuyết phase-field kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn vào mô tả quá trình lan truyền vết nứt trong kết cấu kích thước micro, trong đó có xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước. Ứng dụng lý thuyết phase-field và phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng đáp ứng cơ học của các kết cấu làm bằng vật liệu lưới, composite và có vết nứt. Khảo sát số ảnh hưởng của một số tham số đến đáp ứng cơ học của kết cấu làm bằng các loại vật liệu khác nhau có vết nứt.

Kết quả nghiên cứu của đề tài được công bố trên 05 công trình khoa học, trong đó có 3 bài báo được đăng trên tạp chí Quốc tế uy tín (tạp chí Q1), 01 bài báo được chấp nhận đăng trên tạp chí VAST2 và 01 bài báo đăng trên tạp chí trong nước.

Tổng hợp: Chu Thị Ngân, Trung tâm Thông tin - Tư liệu
Xử lý tin: Thanh Hà