ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN UỐN CỦA ỐNG COMPOSITE BẰNG LÝ THUYẾT PHÁ HỦY TSAI-WU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3D

Tóm tắt

Nghiên cứu này phân tích khả năng chịu uốn ba điểm của ống composite ba lớp sợi carbon đan lưới (Carbon Fiber 3K-240g) với nhựa HDPE làm chất kết dính, áp dụng tiêu chuẩn phá hủy Tsai-Wu 3D để đánh giá độ bền vật liệu. Mục tiêu là xác định giới hạn bền, kiểm chứng độ chính xác của mô hình Tsai-Wu 3D và đề xuất cải tiến thiết kế nhằm nâng cao độ bền. Phương pháp thực hiện mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS để phân tích ứng suất, cơ chế phá hủy. Vật liệu ống có đặc tính cơ học cao: mô đun đàn hồi dọc E1 = 230 GPa, mô đun ngang E2  = 15 GPa, và cường độ kéo dọc Ft1 = 2300 MPa. Kết quả cho thấy nguyên nhân chính gây phá hủy là mất ổn định do uốn ngang và tách lớp do ứng suất cắt lớn. Các giải pháp cải thiện bao gồm: tăng độ dày thành ống, đổi hướng sợi từ 0° sang ±45°, thay nhựa HDPE bằng epoxy hoặc nhựa nhiệt rắn, và tối ưu cấu trúc gia cường. Kết luận, tiêu chuẩn Tsai-Wu 3D là công cụ dự đoán phá hủy hiệu quả, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế trong ứng dụng kỹ thuật

Title

ASSESSMENT OF BENDING STRENGTH OF COMPOSITE TUBES VIA TSAI-WUFAILURE THEORY AND 3D FEM

Abstract

This study analyzes the three-point bending resistance of a three-layer composite tube made of woven carbon fiber (Carbon Fiber 3K-240g) with HDPE resin as the matrix, using the 3D Tsai-Wu failure criterion to evaluate the material strength. The objective is to determine the strength limit, validate the accuracy of the 3D Tsai-Wu model, and propose design improvements to enhance durability. Numerical simulations were conducted using ANSYS software to analyze stress distribution and failure mechanisms. The composite tube exhibits high mechanical properties: longitudinal elastic modulus E1 = 230GPa, transverse modulus E2 = 15GPa, and longitudinal tensile strength Ft1 = 2300MPa. Results indicate that the primary causes of failure are lateral buckling and delamination due to high shear stress. Proposed improvements include increasing tube wall
thickness, changing fiber orientation from 0° to ±45°, replacing HDPE with epoxy or thermoset resin, and optimizing the reinforcement structure. In conclusion, the 3D Tsai-Wu criterion is an effective tool for failure prediction and supports design optimization in engineering applications.