Mô hình tính toán biến dạng thân máy tiện

trình thiết kế chi tiết, bộ phận máy.  ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, theo yêu cầu thực tế sản phẩm thường có kết cấu phức tạp và kỹ thuật thiết kế ngày càng phát triển cho phép tính toán thiết kế các vật thể có hình dáng hình học rất phức tạp thuộc các nhóm vỏ, tấm, khối, thanh Tiêu chí để đánh giá trình độ thiết kế là       Kw Kg N G , phương pháp phần tử hữu hạn (FEM- Finite Element Method) và các phần mềm FEM như Catia, Cosmos, Ansys cho phép sơ đồ hóa và tính toán các sản phẩm loại này. Bài báo này nhằm giới thiệu trình tự tính toán các phần tử dạng vỏ mỏng có gân gờ, hốc kín, chi tiết thuộc cấu trúc phức tạp như kết cấu thân máy tiện. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học. Nội dung của phương pháp này là phân chia phần tử ra thành một tập hợp hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng. Trường chuyển vị, ứng suất, biến dạng được xác định trong từng miền con. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng phần tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối. Các phần tử được kết nối với nhau thông qua các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến n (n số nút của phần tử)  Tel: Hình 1. Mô hình phần tử nút Là phương pháp cho độ chính xác khá cao và kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay với sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp này đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp này xây dựng công thức dựa trên cơ sở hai phương pháp: phương pháp Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 47 biến phân (phương pháp Rayleigh–Ritz) và phương pháp weighted residuals (phương pháp Galerkin). Các phương trình cơ bản đều được suy ra từ các phương trình cân bằng tĩnh học bởi các giá trị đặc trưng của điều kiện biên. Quá trình xây dựng các phương trình cân bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phương pháp Galerkin:        ba ubuuau bxaxfxuL )()( )()( (1) Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Ứng dụng phần mềm Khảo sát đối tượng thân máy T616 với tiết diện thay đổi, ảnh hưởng thành, vách, gân, gờ..) Hình 2. Mô hình hình học thân máy tiện Tính toán thiết kế thân máy ở chế độ tính toán với đường kính gia công 320 (mm), chiều dài 850 (mm), thân máy đúc, Thép 45 (HB=170 , E = 2.10 7 N/cm 2 ,  = 7,8 Kg/dm3), với chế độ cắt tính toán : t* = 4,35(mm) ,S* = 1,46(mm/vg), V* =18,52 ( m/ph) và lực cắt : Pz = 11688,19 (N), Py = 6299,15 (N), Px = 4912,10 (N) Hình 3. Sơ đồ phân tích lực tác dụng Hình 4. Sơ đồ tính lực Ngoài các ngoại lực tác dụng lên thân máy xuất hiện trong quá trình gia công, trên sơ đồ (hình 2) còn kể đến các nội lực như trọng lượng hộp tốc độ G1, ụ động G2 , hộp chạy dao G3, chi tiết gia công G4, trọng lượng thân máy G5 được thống kê với máy thực: Bảng 1. Thông số nội lực tác dụng K.hiệu G1 G2 G3 G4 G5 Trọng lượng 4000 1000 3000 427,04 5966,5 Hình 5. Sơ đồ ngoại và nội lực tác dụng lên thân máy Khảo sát trạng thái chịu tác dụng của ngoại lực, nội lực lên thân máy tiện như hình 4 ở mô hình 3D và cho chạy trên phần mềm Ansys ta nhận được phản lực tại các nút, ứng suất nút, chuyển vị nút và tần số dao động riêng. 300 A A 200 270 450 400 40 300 350 10 30 50 30 90 340 240 160 70 30 1300 320 330 300 120 1850 550 A-A B B B-B G2G1 G4 G3 ZA XA YA ZB XB YB MYA MYB G5 PZ Py Px MXA MZBMZA G2 ZB XB YB MYB1 G1 ZA XA YA MXA1 MYA1 G4 G3 Py Mx PZ Px MXB1 G5 MZA MZB G2=1000 N XB=4929,365 N YB=2571,681 N MYB1=1574,634 Nm ZB=5597,575 N G1=4000 N ZA=5597,575 N XA=10022,763 N YA=3727,469 N MXA1=596,39 Nm MYA1=2389,578 Nm G=21081,73 N Py=6299,15 Mx =1007,864 Nm Px=4912,1 N MXB1=411,469 Nm MZA=446,46 Nm MZB=625,426 Nm Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 48 Hình 6. Mô hình thân máy dạng 3D Hình 7. Mô hình phần tử (gồm 16073 phần tử, 29993 nút) Hình 8. Mô hình dạng ứng suất Hình 9. Mô hình dạng chuyển vị Hình 10. Mô hình dạng dao động riêng Đánh giá kết quả * Kết quả dạng dữ liệu Ứng suất tương đương theo Von Mises Smax = 1,249 (N/mm 2 ) Smin = 0,564E-03 (N/mm 2 ) Chuyển vị : Theo phương ox (Node 3381): Ux = - 0.12438E-04 (mm) Theo phương oy (Node 2865): Uy = - 0.46546E-05 (mm) Theo phương oz (Node 1330): Uz = - 0.56923E-05 (mm) Tổng (Node 3381): Usum = 0.12454E-04 (mm) Phản lực lớn nhất: Theo phương ox: Fx = 259.75 (kG) Theo phương oy: Fy = 724.91 (kG) Theo phương oz: Fz = 18.130 (kG) Các tần số dao động riêng: f1 = 0,42091 (Hz) f2 = 0,64470 (Hz) f3 = 0,73091 (Hz) f4 = 0,79875 (Hz) f5 = 1,0106 (Hz) * Đánh giá Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 49 - Công cụ phần mềm dễ thiết kế, gia công, hoạt động của mô hình đáp ứng được những yêu cầu đề ra. - Thao tác đơn giản, không cần tính toán. - Độ chính xác đạt yêu cầu. - Việc lựa chọn phần mềm để kiểm tính toán sức bền dễ dàng, kinh tế. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận - Xây dựng mô hình tính thân máy tiện đầy đủ hơn tính truyền thống. - Sử dụng phương pháp số vào trong quá trình thiết kế. - Ứng dụng phần mềm trong thiết kế máy và kết quả sau khi mô phỏng tính toán chấp nhận được. - Các tần số dao động riêng của thân máy không trùng với tần số kích thích của máy. - Sử dụng kết quả của đề tài (quá trình biến dạng và chuyển vị của cơ hệ) làm dữ liệu để xây dựng thiết kế các mô hình phức tạp mà phương pháp truyền thống không thể đáp ứng được. - Xác định nhanh và chính xác các kết quả của bài toán (ứng suất, biến dạng), giúp cho quá trình thiết kế rút ngắn thời gian. - Qua đề tài này giới thiệu cho chúng ta cách thức giải bài toán sức bền bằng phần mềm ANSYS thông qua hai cách (dùng thanh công cụ hoặc lập trình bằng các câu lệnh). Tạo điều kiện cho người học làm quen với việc ứng dụng công nghệ thông tin trong suốt quá trình học và công tác sau này. - Các bước giải bài toán bằng phần mềm này ngắn gọn, đơn giản, có thể thực hiện tính toán một số bài toán cơ bản với việc ứng dụng tin học trong thiết kế, kiểm tra nhanh và chính xác các kết quả tính toán. Hướng phát triển - Trong báo cáo mới chỉ khảo sát một số bài toán cơ bản, còn các bài toán phức tạp hơn cần tiếp tục được nghiên cứu và làm rõ. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc tính toán bền, mô phỏng quá trính biến dạng của các kết cấu không gian, chi tiết máy có hình dáng phức tạp như các khuôn có hình dáng phức tạp, các chi tiết máy làm việc trong các môi trường đặc biệt... - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc tính toán bền các chi tiết, bộ phận máy khi làm việc với tải trọng thay đổi. - Nghiên cứu để áp dụng phần mềm vào các ngành khác: truyền nhiệt, thuỷ lực, điện, địa chất... - Xây dựng các bước, chương trình liên kết giữa phần mềm ANSYS với các phần mềm thiết kế khác:Pro/engineer, Solikword, AutoCad, Mechanical Desktop, Catia, Inventer để thuận lợi cho quá trình dựng mô hình các chi tiết. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ths Đặng Tính, Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán khung và móng công trình làm việc đồng thời với nền - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội – 1999. [2]. GS.TS Nguyễn Văn Phái, TS Trương Tích Thiện, Ths. Nguyễn Tường Long, Ths. Nguyễn Định Giang, Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Tp. Hồ Chí Minh, 2003. [3]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, Hà Nội. [4].PGS. TS Nguyễn Văn Vượng (2000), Sức bền vật liệu, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội . [5] Kỷ yếu Hội thảo toàn quốc về giảng dạy Nguyên lý-Chi tiết máy, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 11&12/5/2008. [6].The Finite Element Method For Solid and Structural Mechanics , Sixth Edition by O . C . Zienkiewicz . [7] .Machine Design A Cad Approach - Andrew D. Dimarogonas W. Palm Professor of Mechanical Design Washington University, St. Louis, Missouri, USA. [8]. Finite Element Method (FEM), The University of Auckland, New Zealand 2005. [9]. Nguyễn Thế Đoàn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 46 - 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 50 SUMMARY CALCULATING MODEL OF DEFORMATION IN TURNING MACHINE BODY Nguyen The Doan Thai Nguyen University of Technology This paper presented the model, which researched the affection of force appearing in cutting process on turning machines body by finete elements method (FEM). Those results are basis to improve the effect in designing and calculating parts, which have complicated spatial shape. They also are foundation for appling numerical method in designing process parts and units of machines. Key word: calculating model of deformation, turning machine body  Tel: 0915 321 020, Email: nguyenthedoan.tnut@gmail.com