Khảo sát biến dạng thân máy tiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn

HÂN MÁY TIỆN ………………. 9 Chương II: CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 12 2.1 Các phương pháp tính sức bền trong cơ học………………………………………….. 12 2.1.1 Phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin kết hợp với phương trình vi phân đường đàn hồi………………………………………………………………………………………… 12 2.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn……………………………………………………… 13 2.2 Các dạng đối tượng của bài toán sức bền trong thiết kế hiện đại……………………. 23 2.2.1. Chi tiết dạng thanh…………………………………………………………………. 23 2.2.2 Chi tiết dạng dầm…………………………………………………………………… 23 2.2.3 Chi tiết dạng khối.……………..…………………………………………………… 23 2.3. Các kiểu phần tử của bài toán phần tử hữu hạn và sử dụng…………………………. 24 2.3.1. Phần tử kiểu đường………………………………………………………………… 24 2.3.2. Phần tử kiểu đa giác……………………………………………………………….. 24 2.3.3. Phần tử kiểu tứ diện………………………………………………………………... 25 2.3.4. Các kiểu khác………………………………………………………………………. 25 2.4. Các bước thực hiện bài toán phần tử hữu hạn……………………………………….. 25 2.5. Các bài toán ứng dụng phương phần tử hữu hạn……………………………………. 27 2.5.1. Bài toán cơ học……………………………………………………………………. 27 2.5.2. Bài toán truyền nhiệt………………………………………………………………. 29 2.5.3. Bài toán dòng chất lưu……………………………………………………………... 33 2.5.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài……………………………………………………. 33 2.6. Các mô hình toán học của phương pháp phần tử hữu hạn………………………….. 34 2.6.1. Phương trình mô tả chuyển vị…………………………………………………….. 34 2.6.2. Phương trình mô tả lực nút………………………………………………………… 34 2.6.3. Phương trình vi phân đường đàn hồi………………………………………………. 34 2.7. Giới thiệu một số phần mền tính FEM………………………………………………. 34 2.7.1. Ansys……………………………………………………………………………….. 34 2.7.2. Catia………………………………………………………………………………... 37 2.7.3. Cosmos Design Star……………………………………………………………… 2.7.4. Mechanical Destop…………………………………………………………………. 38 40 2.8. Lựa chọn công cụ chính và công cụ hỗ trợ………………………………………….. 41 2.8.1. Công cụ chính……………………………………………………………………… 41 2.8.2. Công cụ hỗ trợ…………………………………………………………………….. 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 2.8.3. Nhận dạng lẫn nhau………………………………………………………………. 41 2.9. Tổng quan về mô hình cấu trúc……………………………………………………… 41 2.9.1. Tổng quan về xây dựng mô hình…………………………………………………... 41 2.9.2. Các bước tiến hành………………………………………………………………… 43 2.9.3. Các hệ trục toạ độ…………………………………………………………………. 49 2.9.4. Sử dụng chuột và mặt phẳng làm việc……………………………………………. 53 2.9.5. Mô hình thông qua các đối tượng hình học……………………………………….. 54 2.9.6. Phát sinh lưới……………………………………………………………………… 57 2.9.7. Hiệu chỉnh mô hình………………………………………………………………… 63 2.9.8. Sinh lưới thích ứng ………………………………………………………………… 67 2.9.9. Phát sinh trực tiếp………………………………………………………………….. 71 2.9.10. Mô hình đường ống ………………………………………………………………. 71 2.9.11. Hiệu chỉnh số nút và phần tử……………………………………………………... 73 2.10. Xây dựng mô hình hình học………………………………………………………… 76 2.10.1. Giới thiệu…………………………………………………………………………. 76 2.10.2. Các sản phẩm kết nối…………………………………………………………….. 78 2.10.3. Sử dụng các lệnh trong phần mềm……………………………………………….. 78 2.11. Tạo mô hình phần tử hữu hạn……………………………………………………… 80 2.11.1. Tổng quan………………………………………………………………………… 80 2.11.2. Các thuộc tính cơ bản của phần tử………………………………………………... 81 2.11.3. Các thuộc tính kết hợp của phần tử………………………………………………. 86 2.11.4. Điều khiển mật độ lưới…………………………………………………………… 87 2.12. Đặt tải………………………………………………………………………………. 87 2.12.1. Định nghĩa tải…………………………………………………………………….. 87 2.12.2. Hệ toạ độ nút (Nodal Coordinate System - NCS)……………………………...... 88 2.12.3. Các ràng buộc chuyển vị………………………………………………………….. 89 2.12.4. Lực tập trung……………………………………………………………………… 89 2.12.5. Kiểm tra các kết quả……………………………………………………………… 89 CHƯƠNG III : MÔ HÌNH HỌC VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CỦA BÀI TOÁN THÂN MÁY TIỆN…………………………………………………………………. 91 3.1. Xây dựng mô hình hình học thân máy………………………………………………. 3.1.1. Cụm thân máy…………………………………………………………………….. 91 91 3.1.2. Mô hình hình học với Mechanical Destop………………………………………… 99 3.1.3. Mô hình FEM của thân máy………………………………………………………. 100 3.2. Xác định các thông số cơ bản của mô hình hình học………………………… 101 3.2.1. Thông số cơ học của vật liệu……………………………………………………… 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 3.2.2. Thông số hình học của mô hình…………………………………………………… 101 3.3. Tính toán bộ tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục chính và thân máy…………. 102 3.3.1. Chế độ cắt tính toán…….………………………………………………………….. 102 3.3.2. Tính lực cắt………………………………….……………………………………… 102 Chương IV: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH THÂN MÁY TIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRÊN HỆ THỐNG COSMOS/ANSYS……………………………………………….. 104 4.1. Sơ đồ tính……………………………………………………………………………. 104 4.2. Phân tích hệ thống ngoại lực tác dụng………………………………………………. 104 4.3. Đơn vị tính………………………………………………………………………….. 107 4.4. Ứng dụng phần mềm Ansys/Cosmoss….…………………………………………….. 107 4.4.1. Khởi động chương trình Ansys, giao diện Ansys…………………………………. 107 4.4.2. Xây dựng mô hình học…………………………………………………………….. 108 4.4.3. Định hướng bài toán………………………………………………………………. 108 4.4.4. Tạo mô hình phần tử hữu hạn……………………………………………………… 109 4.4.5. Khai báo các thuộc tính của vật liệu……………………………………………….. 109 4.4.6. Khai báo các điều kiện biên……………………………………………………….. 110 4.4.7. Đặt tải trên mô hình………………………………………………………………… 110 4.4.8. Giải…………………………………………………………………………………. 111 4.4.9. Kết quả……………………………………………………………………………… 111 4.5. Kết quả dạng dữ liệu…………………………………………………………………. 120 4.6. Đánh giá và kết luận …..……………………………………………………………… 121 4.6.1. Đánh giá …………………………….……………………………………………… 121 4.6.2. Kết luận…..………………………………………………………………………… 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO. …………………………………………………………………… 124 PHỤ LỤC. …………………………………………………………………………………… 126 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 MỞ ĐẦU Phương pháp phần tử hữu hạn đã được ứng dụng vào cơ học từ rất lâu, nó thường được sử dụng để khảo sát các mô hình có những đặc điểm cơ học phức tạp. Do đặc điểm quản lý thông tin về nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính toán sơ cấp rất lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn chỉ thực sự có ý nghĩa khi được ứng dụng máy tính. Ngày nay với sự phát triể n của kỹ thuật gia công và các phần mền hỗ trợ thiết kế. Trong thực tế xuất hiện rất nhiều các loại chi tiết không thuộc kiểu chi tiết truyền thống (Trục, dầm, thanh) điều này điều này đòi hỏi phải có công cụ tính mới. Bên cạnh đó các hệ vật phức tạp khi tính toán sức bền được ứng dụng Phương pháp phần tử hữu hạn cho hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt nhất. Xuất phát từ tình hình nói trên, việc hệ thống hoá các kiểu phần tử trong bài toán cơ học và xây dựng các mô hình tính cho một số chi tiết phức tạp trong chế tạo máy đang là một vấn đề cấp bách. Vì vậy đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu sâu. Tuy nhiên, mặc dù có cố gắng nhiều trong việc xây dựng ý tưởng mô hình nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều những điểm mới cần được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm. Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn. Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn thành với nội dung tốt nhất. Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS TS Trần Vệ Quốc, Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề kỹ thuật Thiết bị Y tế - Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình xây dựng ý tưởng mô hình và hoàn thành nội dung luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm. Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn. HỌC VIÊN Nguyễn Thế Đoàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 CHƯƠNG I : CÁC DẠNG KẾT CẤU HIỆN ĐẠI CỦA THÂN MÁY TIỆN 1.1. Thân máy tiện thường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 1.2. Thân máy tiện CNC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1. Các phương pháp tính sức bền trong cơ học. 2.1.1. Phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin kết hợp với phương trình vi phân đường đàn hồi. * Thành lập công thức: Dựa theo công thức tích phân Mor, ta có nhận xét như sau: - Mô men uốn do tải trọng gây ra Mx là hàm số bất kì f(z). -Mô men uốn Mk do lực đơn vị gây ra là hàm số bậc nhất ta có thể phân tích là: Mk =F(z) =az+b (2.1) Giả sử EJ =const, ta tính tích phân: I= ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )∫ ∫ ∫ ∫ ∫+=+== l l l l l kx dzzfbdzzzfadzbazzfdzzFzfdzMM 0 0 0 0 0 ...... (2.2) Ta nhận thấy: f(z).dz là diện tích của hình gạch gạch, cho nên: ( ) ( ) c l zf zSdzzzf ... 0 Ω==∫ (mô men tĩnh của hình phẳng giới hạn bởi đường f(z) với trục f(z)) ( ) Ω=∫ l dzzzf 0 .. là diện tích của hình phẳng được giới hạn bởi đường f(z) Thay vào ta được: ( ) ccc bzabzaI η.... Ω=+Ω=Ω+Ω= (2.3) * Phép nhân biểu đồ: - Vẽ biểu đồ mô men uốn do tải trọng gây nên, ta được biểu đồ mô men được ký hiệu là MP. Giả sử ta tính được diện tích của biểu đồ MP là Ω và trọng tâm C của biểu đồ. - Tại điểm cần tính chuyển C f(z) Ω 0 z z dz l zc F(z) cη Hình 2.1 z Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 vị ta đặt 1 lực đơn vị (Pk=1) và vẽ biểu đồ mô men do lực đơn vị đó gây nên. Ta được biểu đồ Mk gọi là biểu đồ đơn vị. Gióng từ trọng tâm C của biểu đồ MP xuống biểu đồ Mk ta được tung độ tương ứng là η . Khi đó chuyển vị của điểm K được xác định như sau: fk= (Mp).(Mk) = 1 EJ Ω.η (2.4) Ta có quy tắc nhân biểu đồ sau: Lấy diện tích của biểu đồ Mp nhân với tung độ tương ứng với trọng tâm của biểu đồ Mp lấy trên biểu đồ Mk Phương pháp sử dụng các phương trình vi phân : phức tạp, độ chính xác tương đối cao nhưng việc xác định kết quả của bài toán tại các điểm khác nhau trên chi tiết là rất khó khăn và phức tạp. 2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học. Tư tưởng của phương pháp này là 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, 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) Là phương pháp cho độ chính xác cao và kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay duới sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp này đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ. Phương pháp này xây dựng công thức dựa trên cơ sở ha i phương pháp: phương pháp 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: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 [ ]    == ≤≤= ba ubuuau bxaxfxuL )()( )()( Trước hết ta chia đoạn [a,b] thành n miền con (hình 2.1). Các miền con này được gọi là các phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Hình 2.2. Quá trình phân chia các miền và nội suy các hàm quan hệ. Giả thiết rằng, ta có thể tính toán xấp xỉ u của chuyển vị u thông qua phương trình các miền nhỏ có dạng là các đoạn thẳng trong miền con. Trong đó: ui – giá trị u của phần tử thứ i. Ni(x) – là hàm quan hệ (hàm hình dạng) của các nút thứ i. Trong đó: e - số phần tử (e = 1, 2, ... n). xi - toạ độ của điểm nút thứ i (i = 1, ..., e-1, e, ..., n, n+1). ( )e ieN - giá trị của hàm quan hệ tại nút ie (ie = 1e, 2e). ξ – là gia số của 1 điểm tuỳ ý trên phần tử đang xét, ξ = x – xe = x – x1e (h(e)≥ ξ ≥ 0). h(e) - chiều dài của phần tử đang xét, h(e) = x1e - xe = x2e – x1e (2.6) (2.5) (2.7) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Các hàm quan hệ thường được sử dụng là hàm bậc nhất hoặc hàm bậc hai. Nói chung, hàm bậc hai cho lời giải tốt hơn hàm bậc nhất. Phương pháp Galerkin đưa ra cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hàm trọng số wi(x) bằng với hàm quan hệ Ni(x). wi(x) = Ni(x) (i = 1, 2, ..., n + 1) Phương trình Galerkin: Trong FEM, toàn bộ các phương trình đại số có các ẩn số là u(x) tại nút ui và các vi phân du/dx, (dx/di)i được suy ra từ phương trình tích phân trên thông qua các điều kiện biên tại các nút. Dưới sự trợ giúp của máy tính thì việc giải các phương trình trên tại tất cả các nút để từ đó đưa ra giá trị của ui và dx/di là rất nhanh và dễ dàng. *. Biến dạng phẳng (hai chiều) trong FEM Nhìn chung, giá trị biến dạng được xác định nhờ giải các phương trình vi phân riêng thông qua phương trình cân bằng quan hệ ứng suất - biến dạng hoặc các phương trình liên kết (quan hệ biến dạng - chuyển vị) và các phương trình quan hệ thông qua các điều kiện biên. Các lời giải chính xác chỉ có thể nhận được trong các bài toán kết cấu tĩnh và nói chung không thể nhận được lời giải trong các kết cấu kín. Để khắc phục các khó khăn này, phương pháp FEM đã đưa ra cách giải bằng phương pháp số hoá rất mạnh cho lời giải gần đúng nhận được với biến dạng nhận được rất đa dạng. Phương pháp FEM giả thiết phân tích chi tiết thành các miền có hình dạng và kích thước khác nhau (phần tử), các phương trình gần đúng khác nhau tạo lập bởi các phương trình đại số và số hoá quá trình tính toán các biến dạng. Các phần tử có dạng: đoạn thẳng (có một kích thước); tam giác và chữ nhật (hai kích thước); khối tứ diện, khối hộp và khối lăng trụ (có 3 kích thước). Bước 1: Phân tích đối tượng thành các phần tử. Bước 2: Xác định kiểu phần tử hoặc các hàm quan hệ, xác định gần đúng hàm quan hệ chuyển vị và biến dạng trong các phần tử. *. Phương pháp FEM trong phân tích biến dạng phẳng (2.8) (2.9) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Bước 3: Xác định ma trận độ cứng, xây dựng mối quan hệ giữa lực và chuyển vị trong mỗi phẩn tử. Bước 4: Xây dựng ma trận độ cứng chung, xác định quan hệ giữa chuyển vị và lực trên toàn vật thể. Bước 5: Đưa các điều kiện biên (tải trọng, chuyển vị) vào ma trận độ cứng chung. Bước 6: Giải phương trình quan hệ (bước 5). Bước 7: Xác định giá trị ứng suất và biến dạng → xF *. Khảo sát mối quan hệ của ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong biến dạng phẳng a. Phương trình cân bằng Xét sự cân bằng của của một phân tố diện tích chữ nhật trong một vật thể trên hệ toạ độ vuông góc với biến dạng hình 2.1. Phân tố chịu tác dụng của hai lực và → yF lần lượt theo hai phương x và y, phương trình cân bằng biến dạng của phân tố (2.9): Hình 2.3.Tr ạng thái ứng suất và biến dạng của phân tố diện tích phẳng trong hệ xoy. Trong đó: + σx, σy - các ứng suất pháp. + τxy = τyx - các thành phần ứng suất tiếp. (2.10) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 b. Quan hệ biến dạng và chuyển vị y u x v y v x u xy y x ∂ ∂ ∂ ∂γ ∂ ∂ ε ∂ ∂ε += = = Trong đó: εx - biến dạng pháp tuyến theo phương x. εy - biến dạng pháp tuyến theo phương y. γxy - biến dạng góc trên mặt phẳng x-y. u, v - chuyển vị theo hai phương của trục x và y. c. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Theo định luật hook ta xây dựng được công thức quan hệ như sau: Hoặc E - mô đun đàn hồi dọc. ν - hệ số Poisson. (2.11) (2.12) (2.13) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 G - mô đun đàn hồi trượt: ( )ν+= 12GE ev - biến dạng thể tích, V Vev ∆ = và ev = εx + εy + εz. - Ứng suất phẳng: σz = 0; τyz = τzy = 0; τxz = τzx = 0. - Biến dạng phẳng: εz = γyz = γzx = 0 Đặt: Thay vào trên ta có: Ứng suất phẳng Biến dạng phẳng Ứng suất phẳng Biến dạng phẳng (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Trong đó: d. Điều kiện biên Khó khăn chủ yếu gặp phải khi giải các phương trình vi phân là không xác định được các hằng số trong phương trình. Để khử bỏ các khó khăn trên, ta phải đặt các điều kiện giới hạn của ứng suất hoặc chuyển vị trên biên của bề mặt vật bị biến dạng. Các điều kiện đó được gọi là điều kiện biên. Các kiểu điều kiện biên: - Điều kiện biên là các tải trọng đặt trên bề mặt. - Điều kiện biên là các chuyển vị. Xét một phần của một vật bị biến dạng, trong đó ứng suất đã được xác định bởi Sσ và bề mặt chính, Chuyển vị được xác định bởi Su. Tổng hợp bề mặt của vật bị biến dạng được xác định bởi S = Sσ + Su. Chú ý: ta không thể đặt đồng thời cả hai điều kiện của ứng suất và chuyển vị trên một phần bề mặt của vật bị biến dạng. - Điều kiện biên tải trọng do Sσ xác định bởi phương trình: Trong đó: *xt , *yt - là hình chiếu của lực t * trên hai trục x và y. Phương trình điều kiện cân bằng của bề mặt: (2.18) (2.19) (2.20) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Trong đó: α – là góc giữa véc tơ đơn vị pháp (n) đặt tại một điểm của một phần tử nhỏ trên phần bề mặt Sσ và trục x. Tại các bề mặt tự do không chịu lực tác dụng thì *xt = 0, *yt = 0. Hình 2.4. Quan hệ giữa các phần tử theo hai phương. - Điều kiện biên về chuyển vị Su xác định bởi phương trình: Trong đó: u , v - là hình chiếu chuyển vị u của S u lên hai phương x và y. Điều kiện biên được sử dụng nhiều nhất là các chuyển vị, tại ngàm và gối thì chuyển vị: u = 0 và (hoặc) v=0 (hình 2.4). e. Công thức biến phân trong biến dạng Nguyên lý di chuyển khả dĩ - Nguyên lý: nếu một vật bị biến dạng và cân bằng thì công khả dĩ của ngoài lực sẽ bằng năng lượng đàn hồi khả dĩ. δW = δU Trong đó: δW - công khả dĩ của ngoại lực. δU - năng lượng đàn hồi khả dĩ trên một chuyển vị khả dĩ. - Xét một vật thể đàn hồi bị liên kết và chịu lực tác dụng: + Phần bị liên kết Ak (điều kiện biên): các chuyển vị đã biết u. (2.21) (2.22) (2.23) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 + Phần chịu lực A s: các lực bề mặt (ứng suất, lực) đã biết P, bên trong vật (trọng lực, lực hút) ρfm đã biết nhưng chuyển vị u chưa biết. + Nếu một vật di chuyển khả dĩ δu làm nó di chuyển và biến dạng nhỏ. Nếu chuyển vị này có δu = 0 trên Ak còn trên As và bên trong vật thì δu # 0 thì: dAupudVf sA T V T mA ∫∫ += δδρδW dV V Tδεσδ ∫=U → dAupudVfdV sA T V T mA V T ∫∫∫ += δδρδεσ Nguyên lý trong biến dạng phẳng Nguyên lý di chuyển khả dĩ sử dụng trong việc nghiên cứu biến dạng phẳng thông qua biểu thức: trong đó: D - tất cả các miền của vật bị biến dạng phẳng Sσ- tất cả các phần của bề mặt vật của vật bị biến dạng (S = Sσ U Su). Fx và Fy – đã được xác định ở (2.1) t – là chiều dày phần tử. Từ phương trình trên ta có thể xác định được toàn bộ các biến của bài toán biến dạng phẳng của vật. f. Các công thức cơ bản của FEM với biến dạng phẳng 1. Ma trận quan hệ giữa biến dạng và chuyển vi [B] Xét vật biến dạng có phần tử ở dạng tam giác (hình vẽ) để từ đó suy ra biểu thức quan hệ giữa biến dạng - chuyển vị trong biến dạng phẳng: (2.19) (2.24) (2.25) (2.26) (2.27) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Hình 2.5: a. Ph ần tử tam giác biến dạng là hằng số. b. Tính liên tục của chuyển vị. Ma trận quan hệ giữa chuyển vị của cả phần tử và chuyển vị của các nút trên phần tử: Ma trận quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị: Trong đó các giá trị xác địng như sau: (2.28) (2.29) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 [B] – ma trận quan hệ giữa { }eδ và ε. 2. Ma trận quan hệ giữa ứng suất - biến dạng [D] 3. Phương trình độ cứng của phần tử: Fε0 - lực liên kết giữa tại các nút của phần tử FF - lực tác dụng lên phần tử [K]{ }δ - lực biến dạng của phần tử 4. Phương trình độ cứng của vật thể: 2.2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết phương pháp lực: Dựa vào lý thuyết của phương pháp lực khó tự động hoá. 2.2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết phương pháp chuyển vị: Dựa vào lý thuyết của phương pháp chuyển vị dễ tự động hoá nên được sử dụng phổ biến trong các phần mềm để giải quyết bài toán tổng quát. 2.2. Các dạng đối tượng của bài toán sức bền trong thiết kế hiện đại. 2.2.1. Chi tiết dạng thanh. 2.2.2. Chi tiết dạng dầm. (2.29) (2.30) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 2.2.3. Chi tiết dạng khối. 2.3. Các kiểu phần tử của bài toán phần tử hữu hạn và sử dụng. 2.3.1. Phần tử kiểu đường. 2.3.2. Phần tử kiểu đa giác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 2.3.3. Phần tử kiểu tứ diện. 2.3.4. Các kiểu khác. 2.4. Các bước thực hiện bài toán phần tử hữu hạn. - Chia vật liệu ra thành nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phần tử ờ gần biên sao cho thật nhuyễn. Nếu làm như vậy, ta có thể dùng các phần tử đơn giản thay vì dùng các phần tử phức tạp. - Tìm phiếm hàm,tìm điều kiện biên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 - Dùng các hàm số tạo hình tìm ra các ma trận cứng của các phần tử. - Kết nối các phần tử với nhau qua các nút,sẽ có hệ thống phương trình cấu trúc. - Giải hệ thống phương trình để xác định các ẩn số là chuyển vị sau đó suy ra độ biến dạng và ứng suất. - Kết quả sẽ thoả mãn các điều kiện biên, các điều kiện vật lý. Thuật toán giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Start Định nghĩa bài toán: - Số bậc tự do. - Số nút ở gốc. - Số phần tử. - Số liệu về vật liệu. - Chọn tọa độ các điểm nút ở gốc. - Gán trị cho các arrays = 0 (Xác định được bộ nhớ, array) i = 1 - Loại phần tử. - Các bậc tự do. - Ma trận A, D. - Ma trận cứng của phần tử. - Ghép vào ma trận cứng cấu trúc. i = n - Điều kiện biên. - Sửa đổi lại hệ thống phương trình. - Giải hệ phương trình. Những đặc biệt cho bài toán (mặt tiếp xúc). - Kết quả. - Biểu diễn kết quả. End Bài toán phi tuyến n: Số phần tử trong cấu trúc i = i+1 No Yes Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 2.5. Các bài toán ứng dụng phần tử hữu hạn. 2.5.1. Bài toán cơ học. Dưới tác dụng của tải trọng làm cho độ bền của các chi tiết máy bị ảnh hưởng, khi tải trọng tác dụng vượt quá giới hạn cho phép dẫn đến ứng suất phát sinh σ, chuyển vị (chuyển vị góc θ và chuyển vị dài f) lớn hơn giá trị cho phép ([σ], [θ], [f]) chi tiết bị phá huỷ. Tuỳ theo đặc tính của các dạng tải trọng tác dụng mà các chi tiết máy có thể có các dạng hỏng khác nhau. Trong các bài toán sức bền khi chịu tải trọng tĩnh các chi tiết máy xảy ra các dạng bài toán sau: - Bài toán kéo (nén): - Bài toán trọng uốn: - Bài toán chịu lực phức tạp: - Bài toán hệ thanh chịu lực: Hình 2.6. Các dạng bài toán Khảo sát mô hình sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Khi tải trọng tác dụng vào vật thể, khiến vật thể bị biến dạng và nội lực cân bằng với ngoại lực. Các ẩn số của bài toán được hình thành từ đây. Các bài toán cơ học thường có dạng phương trình vi phân và phải thoả mãn 3 điều kiện dàng buộc sau: +, Điều kiện vật liệu (định luật Hooke…) +, Tính tương thích +, Điều kiện cân bằng lực 0 1 =∑ = n i iF (2.31) Thực tế khó có phương pháp nào thoả mãn đồng thời cả 3 điều kiện ràng buộc trên. Phương pháp phần tử hữu hạn láy chuyển vị làm gốc đáp ứng chính xác đáp ứng Điều kiện vật liệu, Tính tương thích và thoả mãn đối với ràng buộc Điều kiện cân bằng lực. Phương pháp này thoả mãn chính xác các điều kiện biên về chuyển vị. Ẩn số của phương pháp này là chuyển vị (phương pháp này thường hay dùng nhất). Còn phương pháp phần tử hữu hạn lấy ứng suất làm gốc thì đáp ứng chính xác Điều kiện vật liệu, Điều kiện cân bằng lực và thoả mãn tương đối với ràng buộc Tính tương thích. Ẩn số của phương pháp này là lực và moment. - Các phương pháp giải quyết bài toán: Để giải quyết bài toán sức bền vật liệu có một số phương pháp sau: - Phương pháp mặt cắt : đơn giản, dễ thực hiện nhưng cho độ chính xác không cao với những bài toán phức tạp. - Phương pháp sử dụng các phương trình vi phân : phức tạp, độ chính xác tương đối cao nhưng việc xác định kết quả của bài toán tại các điểm khác nhau trên chi tiết là rất khó khăn và phức tạp. - Phương pháp phần tử hữu hạn : là phương pháp cho độ chính xác cao và kiểm tra kết quả rất thuận tiện. Ngày nay duới sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp này đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ. Để giải bài toán sức bền theo phương pháp PTHH có hai phương pháp để xây dựng thuật toán: + Dựa vào lý thuyết của phương pháp lực khó tự động hoá. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 + Dựa vào lý thuyết của phương pháp chuyển vị dễ tự động hoá nên được sử dụng phổ biến trong các phần mềm để giải quyết bài toán tổng quát. 2.5.2. Bài toán truyền nhiệt. * Mục đích của bài toán truyền nhiệt: + Lặp lại các bước phân tích điển hình đã được giới thiệu + Giới thiệu các tải nhiệt và các điều kiện biên. * Mô hình hoá + Mục tiêu là để mô hình hóa thỏa đáng đối tượng nhiệt của kết cấu. + Các tải tối ưu đòi hỏi các diện tích được mô hình hóa hợp lý. + Các tải do sinh nhiệt đòi hỏi các thể tích mô hình hóa hợp lý. * Chia lưới - Kiểu phần tử + Các kiểu phần tử thông dụng nằm trong bảng dưới đây. + DOF nút là: TEMP (nhiệt độ). Các kiểu phần tử nhiệt thường được sử dụng Khối 2D Khối 3D Vỏ 3D Các phần tử đường Tuyến tính PLANE55 SOLID70 SHELL57 LINK31,32,33,34 Bậc hai PLANE77 PLANE35 SOLID90 SOLID87 - Các thông số vật liệu + Yêu cầu tối thiểu là Kx, độ dẫn nhiệt cho phân tích trạng thái ổn định. + Nhiệt dung riêng (C) sẽ là cần thiết nếu áp đặt sinh nội nhiệt. + Đặt lựa chọn ban đầu là “Thermal” để giới hạn Material Model GUI chỉ hiển thị các đặc trưng về nhiệt. - Các hằng số đặc trưng + Chủ yếu cho các phần tử vỏ và các phần tử đường. * Các điều kiện tải nhiệt có thể là Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Temperatures (Nhiệt độ) Các miền của mô hình đã biết nhiệt độ. Heat flow (Dòng nhiệt) Các điểm của mô hình đã biết tốc độ dòng nhiệt Heat flux (Thông lượng nhiệt) Các mặt của mô hình đã biết tốc độ dòng nhiệt trên một đơn vị diện tích. Convections (Đối lưu) Các mặt ở đó nhiệt được truyền sang vùng lân cận nhờ đối lưu. Đầu vào bao gồm hệ số màng hình họcvà nhiệt độ khối của vùng lân cận TB Heat generation (Sinh nhiệt) Các vùng của mô hình đã biết tốc độ sing nhiệt thể tích. Adiabatic surfaces (Mặt đoạn nhiệt) Các bề mặt “hoàn toàn cách nhiệt” tức là không có sự truyền nhiệt. Radiation (Bức xạ) Các bề mặt tại đó sự truyền nhiệt xuất hiện nhờ bức xạ. Dữ liệu đầu vào bao gồm độ phát xạ, hằng số Stefan-Boltzmann, và có thể (tùy chọn) nhiệt độ tại một “nút không gian”. * Phân tích tương tác giữa các trường vật lý - Trong phần này chúng ta sẽ mô tả ngắn gọn cách thực hiện một phân tích nhiệt- ứng suất. - Mục đích gồm: + Hướng dẫn cách áp đặt tải nhịêt trong một phân tích ứng suất. + Giới thiệu cách phân tích tương tác giữa các trường vật lý. Ứng suất do nhiệt gây ra: - Khi một kết cấu bị làm nóng hoặc làm lạnh, nó sẽ bị biến dạng bởi sự giãn ra hay co vào. - Nếu biến dạng bị hạn chế, ví dụ bởi các ràng buộc chuyển vị hoặc một áp lực, trường ứng suất nhiệt sẽ được sinh ra trong kết cấu. - Một nguyên nhân khác gây ứng suất nhiệt là sự biến dạng không đều trong các vật liệu khác nhau của kết cấu (các hệ số giãn nở nhiệt của chúng khác nhau). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 + Phương pháp nối tiếp:Phương pháp này cổ điển hơn, sử dụng hai kiểu phần tử chấp nhận lời giải nhiệt như tải nhiệt độ cho kết cấu. Hiệu quả khi chạy với nhiều điểm thời gian tức thời của nhiệt nhưng ít điểm thời gian của kết cấu. Có thể dễ dàng tính tự động với file nhập vào. + Phương pháp trực tiếp:Phương pháp mới, dùng một kiểu phần tử để giải cả hai bài toán vật lý này. Cho phép kết hợp đúng giữa nhiệt và kết cấu.Có thể thu được kết quả hơn mức cần thiết đối với một số phân tích. * Phương pháp nối tiếp bao gồm hai phân tích: + Đầu tiên, thực hiện một phân tích nhiệt ổn định (hoặc tức thời). • Dựng mô hình với những phần tử nhiệt. • Áp đặt tải nhiệt. • Giải và khai thác các kết quả. + Sau đó thực hiện một phân tích kết cấu tĩnh. • Chuyển kiểu phần tử sang kết cấu. • Khai báo các thuộc tính vật liệu của kết cấu, bao gồm cả hệ số giãn nở nhiệt. • Áp đặt các tải cho kết cấu, bao gồm cả nhiệt độ từ phân tích nhiệt. • Giải và khai thác kết quả. - Phân tích kết cấu. Phân tích nhiệt File Phân tích kết cấu Nhiệt độ File Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 + Chuyển tới bước xử lý ban đầu và chuyển kiểu phần tử từ nhiệt sang kết cấu. + Khai báo các thuộc tính vật liệu cho kết cấu (Ex…), bao gồm cả hệ số giãn nở nhiệt (ALPX), cả hai thuộc tính kết cấu và nhiệt đều đã được định nghĩa, vì thế bước này có thể được bỏ qua). + Chỉ định kiểu phân tích tĩnh. Bước này chỉ._. cần cho bài toán phân tích nhiệt tức thời. + Áp đặt các tải kết cấu và bao gồm cả nhiệt độ như một phần của tải. + Giải. * Phương pháp trực tiếp thường chỉ gồm duy nhất phân tích, sử dụng một kiểu phần tử kết hợp gồm tất cả các bậc tự do cần thiết. + Bước chuẩn bị đầu tiên cho mô hình và lưới là sử dụng một trong những kiểu phần tử kết hợp. + Áp đặt tất cả các tải kết cấu và nhiệt cũng như các ràng buộc khác cho mô hình. + Giải và khai thác các kết quả đối với cả nhiệt và kết cấu. So sánh hai phương pháp nối tiếp và trực tiếp - Trong một phân tích nhiệt - ứng suất nối tiếp, ví dụ, có thể thực hiện một phân tích nhiệt tức thời phi tuyến bằng một phân tích ứng suất tĩnh tuyến tính: Có Phương pháp nối tiếp: - Đối với trạng thái kết hợp mà không thể hiện một tương tác phi tuyến ở mức độ cao, phương pháp nối tiếp hiệu quả và dễ thực hiện hơn bởi có thể thực hiện hai phân tích độc lập nhau. - Ví dụ về kết hợp trực tiếp, phân tích vật liệu áp điện kết hợp truyền nhiệt với dòng chất lỏng và phân t ích điện tử Phương pháp trực tiếp: - Kết hợp trực tiếp thuận lợi khi tương tác trong trường kết hợp có độ phi tuyến cao và là phương án tốt nhất trong một lời giải đơn sử dụng một công thức kết hợp. File jobname.rst Phân tích nhiệt Phân tích kết cấu Kết hợp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 thể sử dụng nhiệt độ nút từ bất kỳ một bước tải hay một điểm thời gian nào trong phân tích nhiệt như tải trong phân tích ứng suất. mạch vòng. 2.5.3. Bài toán dòng chất lưu. - Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy - Có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy dối, dòng nén được và không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp. - Ứng dụng cho ngành hàng không vũ trụ, đóng gói điện tử, thiết kế ôtô. - Các đại lượng đặc trưng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng. - Âm thanh : + Để phân tích và mô phỏng sự tương tác giữa một môi trường chất lỏng (hoặc khí) và khối chất rắn bao quanh. + Ứng dụng chế tạo loa phóng thanh, nội thất ôtô, thiết bị dò bằng siêu âm. + Các đại lượng đặc trưng bao gồm : phân bố áp suất, chuyển vị và các tần số riêng. - Phân tích chất lỏng (hoặc khí) trong bể chứa : Để mô phỏng hiệu ứng của chất lỏng hoặc khí đứng yên (không chảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thuỷ tĩnh do bị khuấy lên. - Nhiệt và sự dịch chuyển khối lượng : Một phần tử 1 chiều được sử dụng để tính toán nhiệt sinh ra do sự dịch chuyển khối lượng giữa hai vị trí, ví dụ như dịch chuyển của một khối lượng trong một cái ống. 2.5.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài. - Xây dựng mô hình hình học thân máy tiện theo các thông số thiết kế. - Hình thành mô hình Phương pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở mô hình học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 - Xây dựng các mô hình toá n học : độ cứng - lực nút - chuyển vị; Chuyển vị nút - độ cứng - nội lực nút ; Nội suy dữ liệu trung gian ; Tính toán hệ số an toàn bền theo các chỉ tiêu khác nhau 2.6. Các mô hình toán học của phương pháp phần tử hữu hạn. 2.6.1. Phương trình mô tả chuyển vị. y u x v y v x u xy y x ∂ ∂ ∂ ∂γ ∂ ∂ ε ∂ ∂ε += = = (2.32) Trong đó: εx - biến dạng pháp tuyến theo phương x. εy - biến dạng pháp tuyến theo phương y. γxy - biến dạng góc trên mặt phẳng x-y. u, v - chuyển vị theo hai phương của trục x và y. 2.6.2. Phương trình mô tả lực nút. { } { } { }eee Kq δ= (2.33) Trong đó : { }eK : Ma trận độ cứng { }eq : Nội lực tại nút { }eδ : Biến dạng tại nút 2.6.3. Phương trình vi phân đường đàn hồi. y’’ = JE M . − (2.34) Trong đó : M : Mô men E : Môdul đàn hồi J : Mô men quán tính 2.7. Giới thiệu một số phần mềm tính FEM. 2.8.1. Ansys. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 2.7.1.1. Lịch sử ra đời và phát triển ANSYS (Analysis Systems) là một hệ thống tính toán đa năng. Trong hệ thống này, các vấn đề cơ học, kỹ thuật được giải bằng PP PTHH lấy chuyển vị làm gốc. ANSYS (Analysis Systems) được lập ra năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr. John Swanson t ại Mỹ. Sau đó được ứng dụng tại nhiều nước châu Âu và châu Á. Các phiên bản của phần mềm ANSYS như: - Version 2.x: Tĩnh học, động lực học, nhiệt động học, dòng điện - Version 3.x: Mở rộng các Module hình học, thư viện phần tử - Version 4.x Vật liệu Composite, các phép tính được mở rộng - Version 5.x: Tạo lưới tự động, biến dạng lớn, mặt tiếp xúc, các thuộc tính vật liệu đa dạng - Hiện nay đã có ANSYS 6.x, 7.x ... 11.x đang sử dụng rộng rãi và có bán trên thị trường. Những tính năng nổi bật của phần mềm: - Khả năng đồ hoạ mạnh mẽ giúp mô phỏng nhanh, chính xác các cấu trúc 2D, 3D. - Giải nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện tử, lưu chất… - Thư viện phần tử lớn - Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, tải phân bố, nhiệt… - Phần xử lý cao cấp: vẽ đồ thị, tính toán tối ưu… - Dùng như ngôn ngữ lập trình. - Hệ thống MENU trực quan. 2.7.1.2. Dữ liệu trong ANSYS ANSYS làm việc với một cơ sở dữ liệu lớn, lưu trữ tất cả dữ liệu nhập (kích thước hình học, vật liệu, điều kiện biên) và dữ liệu xuất (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ). Dữ liệu quản lý: Jobname.db – Ghi dữ liệu, Jobname.log – ghi toàn b ộ các lệnh đã thực hiện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Jobname.err – Ghi lại các lệnh sai, Jobname.rst – ghi kết quả tính toán kết cấu. Jobname.rth – ghi kết quả tính toán nhiệt, Jobname.rmg – kết quả từ. Jobname.rfl – kết quả tính toán động học lưu chất, Jobname.grph - đồ hoạ. Jobname.emat – Ghi ma tr ận phần tử, Jobname.tri – Ghi ma tr ận cấu trúc. Jobname.out – Xuất dữ liệu, Jobname.sn – Ghi tải trọng theo bước 2.7.1.3. Các modul của ANSYS - ANSYS/Structural: + Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis). + Tính toán dao động (Modal Analysis). + Tính toán động lực học (Transient Dynamic Analysis). + Phân tích phổ (Spectrum Analysis). + Tính toán mất ổn định (Buckling Analysis). + Tính toán phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis). + Tính toán mỏi (Fatigue). + Cơ học phá huỷ (Fracture Mechanics). - ANSYS/ Linear Plus: Dùng cho những bài toán tĩnh động tuyến tính hay bài toán động. - ANSYS/ Flotran: Bài toán về dòng lưu chất. - ANSYS/ Emag: Bài toán về trường điện từ. - ANSYS/ Mechanical: Bài toán cơ học. - ANSYS/ Thermal: Bài toán nhiệt. - ANSYS/ LS-DYNA: Bài toán động lực học (lực biến thiên theo thời gian, biến dạng lớn). 2.7.1.4. Một số kiểu phần tử Do có thể giải được rất nhiều dạng bài toán khác nhau nên phần mềm có rất nhiều loại phần tử. Với nội dung hạn chế của đề tài tác giả chỉ giới thiệu một số loại phần tử được ứng dụng trong đề tài: STRUCTURE: Phần tử cấu trúc SPAR: Phần tử thanh BEAM: Phần tử dầm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 PIPE : Phần tử ống 2D SOLIDS: Phần tử khối đặc 2D 3D SOLID: Phần tử khối đặc 3D SHELL : Phần tử tấm vỏ SPECLTY: Phần tử đặc biệt CONTACT: Phần tử tiếp xúc SPAR Phần tử thanh 2D-SPAR :Phần tử Thanh 2D : LINK1 3D-SPAR :Phần tử Thanh 3D : LINK8 BILINEAR : Phần tử Thanh phi tuyến LINK10 BEAM : Phần tử dầm 2D-ELAST : PT Dầm đàn hồi 2D đối xứng BEAM3 3D- ELAST : PT Dầm đàn hồi 3D, 2~3 nút BEAM4 2D- TAPER : PT Dầm thon 2 nút đàn hồi 2D BEAM54 3D-TAPER : PT D ầm thon 2 nút không đối xứng, 3D BEAM44 2D-PLAST : PT Dầm dẻo 2D2 nút BEAM23 THIN WALL : PT thành mỏng 3 nút dầm dẻo BEAM24 2.7.2. Catia. 2.7.2.1. Giới thiệu chung. Catia là sản phẩm của hãng Dassault Systemes của Pháp, đây là một trong những nhà xây dựng phần mềm ứng dụng lớn nhất thế giới. Các sản phẩm của hãng cung cấp những giải pháp cho các lĩnh vực thiết kế, mô phỏng và sản xuất cho các sản phẩm lớn và phức tạp như ôtô, máy bay cho đến các sản phẩm trang sức và đồ gia dụng. Hãng Dassault Systemes bao gồm 6 lĩnh vực: - CATIA: Hỗ trợ thiết kế và mô phỏng. - DELMIA: Xác định và mô phỏng số quá trình sản xuất. - ENOVIA: Quản lý thông tin về tuổi thọ của sản phẩm và hỗ trợ quá trình. - SiMULIA: Hệ thống mô phỏng tổng hợp ứng dụng khoa học. - SMARTEAM: Quản lý dữ liệu tổng hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 - SPATIAL/ACIS: Xúc tiến và phân phối hệ thống mở. - SOLIDWORKS: Giải pháp thiết kế 3D. 2.7.2.2. Các ứng dụng chính. 2.7.2.2.1. Các ứng dụng cơ bản. - Kích hoạt môi trường ứng dụng (Activating appication workbenches). - Tạo mới, mở và cất tài liệu (Creating, opening and saving document). - Bố cục tài liệu (Laying out document ). - Lựa chọn và sửa đổi đối tượng . - In, xem và tìm kiếm. - Quản lý thông tin và dữ liệu. - Các hiệu ứng tô bóng và chiếu sáng. - Thay đổi cài đặt và thanh công cụ. - Sử dụng chuyên gia ảo. 2.7.2.2.2. Thiết kế cơ khí (Mechanical Design). - Thiết kế lắp ráp (Assembly Design) - Thiết kế khuôn (Mold Tooling Design). - Thiết kế kết cấu (Structure Design). - Thiết kế tấm vỏ trong hàng không (Airospace Sheetmetal Design). - Thiết kế tấm vỏ chung (Sheetmetal Design). - Thiết kế hình dạng chung (Generative Shape Design). 2.7.2.2.3. Thiết kế hình dạng và kiểu dáng. (Shape Design and Styling) 2.7.2.2.4. Phân tích và mô phỏng (Analysis & Simulation). - Phân tích và tính toán dung sai (Tolerance Analysis). - Phân tích chung (General). - Lắp ghép (Fastening). - Lập dung sai (Tolerancing) 2.7.3. Cosmos Design Star. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Cosmos Design Star là một phần mền được sử dụn g trong quá trình thiết kế, tính toán các sản phẩm cơ khí. Là một phần mềm tính toán đa năng lấy chuyển vị làm nền tảng. Cosmos Design Star cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ cho việc mô hình hóa cấu trúc. Một mô hình có thể được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều phương pháp khác nhau. Mục đích chính của việc tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là mô phỏng sự ứng xử của vật liệu trong thực tế thông qua mô hình toán học. Mô hình này bao gồm các nút, phần tử, vật liệu, các hằng số hình học, các điều kiện biên và các đặc trưng khác. * Giao tiếp được với các phần mềm: - AutoCad. - Autodesk Inventer. - Solidworks. - Catia. * Các bước thực hiện: - Mô hình hoá hình học. - Chọn vật liệu. - Gán tải trọng và điều kiện biên. - Tạo lưới chia mảnh. - Chạy mô phỏng. - Phân tích kết quả. - Kiểm tra an toàn. * Những tính năng nổi bật: - Khả năng đồ hoạ mạnh giúp cho quá trình mô phỏng nhanh, đạt độ chính xác cao. - Giải được nhiều loại bài toán chi tiết máy phức tạp. - Thư viện vật liệu lớn. - Đa dạng về tải trọng. - Giao diện trực quan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 2.7.4. Mechanical Destop. AutoCad Mechanical Desktop là một phần mềm vẽ thiết kế, tính toán, sử dụng chuyên cho thiết kế cơ khí, là một sản phẩm phần mềm của hãng AutoDisk. Phiên bản cao nhất hiện nay của dòng này là 6.0 Khác với các phần mềm vẽ thiết kế trước đây như AutoCad các phiên bản R12, R13, R14, AutoCad 2000, AutoCad 2002… được quảng cáo là sử dụng cho các lĩnh vực như cơ khí, kiến trúc, xây dựng…AutoCad Desktop được sử dụng chuyên cho lĩnh vực cơ khí, điều này làm nên một sự khác biệt lớn vì những hỗ trợ của Mechanical Desktop cho một kĩ sư cơ khí chưa từng xuất hiện trước đây trong bất cứ phiên bản nào. Ngoài chức năng vẽ thiết kế thông thường do chạy trên nền Cad 2000, Cad 2002 nên nó có tính năng nền của các phiên bản này như cho phép nhúng đối tượng, mở rộng hỗ trợ về bắt dính (bắt điểm kéo dài của đường tròn, bắt dính tâm hình vuông…) vẽ thiết kế mô hình ba chiều, bước tiến của Cad desktop ở đây là có thư viện cơ sở dữ liệu các chi tiết cơ khí tiêu chuẩn thông minh, khoảng 500.000 chi tiết tiêu chuẩn thông minh 2D, và 3D ở tất cả các hệ tiêu chuẩn lớn như Din (đức), ISO (quốc tế), JIN…bao gồm tất cả các chi tiết tiêu chuẩn như bánh răng, bánh vít, puli, bulon, đai ốc, vòng đệm, vít cấy, ổ lăn, chốt chẻ, xích, đĩa xích, đai, ren…khi muốn vẽ chi tiết nào chỉ việc trả lời hội thoại để chèn chi tiết (thay đổi kích thước của chi tiết tạo sẵn vì chi tiết được gọi là thông minh, hay là có khả năng thay đổi kích thước cho phù hợp), các chức năng thiết kế riêng cho nó như POWER PACK hỗ trợ ghi kích thước, ghạch mặt cắt, text.. ngoài các chức năng này, chi tiết không cần tính toán bằng bằng tay như phương pháp truyền thống (trong phương pháp truyền thống Cad chỉ có chức năng vẽ đơn thuần) mà các tính toán thực hiện ngay trong phần mềm, các tính toán đặc trưng bao gồm: - Tính thiết kế trục. - Tính thiết kế ổ lăn - Tính toán thiết kế các loại mối ghép. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 - Tính thiết kế đai, xích. - Tính thiết kế cam. - Tính thiết kế phần tử hữu hạn (FEA- finite element analyze) … Với AutoCad mechanical Desktop người kĩ sư chỉ việc trả lời các hội thoại sau khi đã đưa ra ý đồ thiết kế. Cài đặt cơ bản của phần mềm đòi hỏi như sau: Chạy từ Window 98 trở lên, RAM 64 MB trở lên, ổ cứng 1G cài đặt, 1G sử dụng, video card từ 16 bit trở lên, Chip pentium II trở lên, CD rom cho cài đặt ban đầu. 2.8. Lựa chọn công cụ chính và công cụ hỗ trợ. 2.8.1. Công cụ chính. - Phần mềm Mechanical Destop. - Phần mềm Cosmos Design Star. 2.8.2. Công cụ hỗ trợ. - AutoCad. - Solidworks. 2.8.3. Nhận dạng lẫn nhau. - Biến đổi về gốc toạ độ địa phương - Sử dụng phép biến đổi ma trận 2.9. Tổng quan về mô hình cấu trúc. 2.9.1. Tổng quan về xây dựng mô hình. 2.9.1.1. Mô hình hóa cấu trúc. Cung cấp cho chúng ta nhiều công cụ cho việc mô hình hóa cấu trúc. Một mô hình có thể được xây dựng bằng cách kết hợp nhiều phương pháp khác nhau. Mục đích chính của việc tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là mô phỏng sự ứng xử của vật liệu trong thực tế thông qua mô hình toán học. Mô hình này bao gồm các nút, phần tử, vật liệu, các hằng số hình học, các điều kiện biên và các đặc trưng khác. “Mô hình hình học” chỉ có nghĩa là xây dựng về mặt hình học. 2.9.1.2. Các bước chính trong việc mô hình hóa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 - Xác định mục tiêu: bao gồm dạng bài toán, loại phần tử và lưới chia. - Thiết lập mặt phẳng làm việc. - Tạo các đối tượng hình học thông qua các lệnh hình học và phép toán của phần mềm. - Xác định hệ trục tọa độ thích hợp. - Xây đựng mô hình theo cách tiếp cận từ dưới lên. - Sử dụng các phép toán Boolean để kết hợp các đối tượng hình học. - Xác định các đặc trưng phần tử. - Xác định mật độ lưới chia thích hợp. - Xây dựng nút và phần tử thông qua công cụ tạo lưới. - Thêm các đặc trưng: các phần tử tiếp xúc, ràng buộc giữa các bậc tự do,… 2.9.1.3. So sánh giữa mô hình hóa t hông qua các đối tượng hình học với phát sinh phần tử trực tiếp. Trong mô hình hóa cấu trúc thông qua các đối tượng hình học, ta mô phỏng các biên hình học của bài toán, xác lập các kích thước và hình dạng phần tử và sau đó sử dụng các công cụ sinh lưới tự động của phần mềm để phát sinh nút và phần tử. Ng ược lại, khi phát sinh trực tiếp, ta phải xác định trước vị trí của từng nút, kích thước, hình dạng và liên kết của từng phần tử trước khi xây dựng mô hình. Dù các công cụ phát sinh phát sinh tự động nhưng phát sinh theo kiểu này đòi hỏi chúng ta phải theo sát cách đánh số nút của lưới chia. Việc này đặc biệt khó khăn và dễ phát sinh lỗi khi xây dựng các bài toán lớn có dạng hình học phức tạp. Do đó mô hình hóa cấu trúc thông qua các đối tượng hình học thườ ng được ưa thích hơn. Tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt, việc phát sinh trực tiếp lại tỏ ra hữu hiệu hơn. Trong một bài toán, chúng ta cũng có thể sử dụng cả hai phương pháp cho việc tạo mô hình phần tử hữu hạn. Một số thuận lợi và bất lợi khi sử dụng 2 phương pháp này được liệt kê như sau: a) Mô hình hóa thông qua các đối tượng hình học. - Đặc biệt thích hợp cho các bài toán lớn với dạng hình học phức tạp, nhất là các bài toán 3 chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 - Rất ít đối tượng cần quản lý. - Cho phép sử dụng các lệnh về hình học (kéo, xoay) không thể thực hiện với nút và phần tử. - Cung cấp các đối tượng hình học cơ bản và các phép toán Boolean cho việc xây dựng mô hình theo trình tự từ trên xuống. - Dễ dàng hiệu chỉnh, thích nghi cho từng loại bài toán. - Đôi khi đòi hỏi nhiều thời gian tính toán. - Không thích hợp lắm cho các bài toán đơn giản, nhỏ. - Trong một số trường hợp chương trình không thể tạo ra được lưới phần tử hữu hạn. b) Phát sinh phần tử trực tiếp. - Thích hợp cho các bài toán đơn giản, nhỏ. - Dễ dàng quản lý các đối tượng phần tử hữu hạn. - Thường tiêu tốn nhiều thời gian, khối lượng công việc nhiều. - Không mềm dẻo trong việc chia lưới. - Không thuận lợi trong việc tối ưu hóa. - Dễ nhàm chán dẫn đến phát sinh lỗi. 2.9.2. Các bước tiến hành. 2.9.2.1. Xác định mục tiêu. Việc xác định mục tiêu cho bài toán (ứng suất, chuyển vị…) không phụ thuộc vào khả năng của chương trình phần mềm mà phụ thuộc vào trình độ và kinh nghiệm nghề nghiệp của người kỹ sư chịu trách nhiệm trực tiếp về dự án. Mục tiêu này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình mô hình hóa sau này của bài toán. 2.9.2.2. Chọn mô hình (1D, 2D, 3D…). Một bài toán thực tế có thể mô hình hóa bằng nhiều đối tượng hình học 1D, 2D hay 3D nhưng phải đảm bảo sự tương thích giữa các bậc tự do của bài toán. Chẳng hạn để mô hình một kết cấu vỏ với các sườn gia cường ta có thể sử dụng phần tử vỏ 3D kết hợp với các phần tử dầm 3D. Việc lựa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 chọn mô hình và phần tử là yếu tố quyết định ảnh hưởng đến sự chính xác của kết quả nhận được. - Các mô hình đường có thể biểu diễn các phần tử dầm 2D, 3D hay phần tử ống cũng như phần tử vỏ đối xứng trục. - Các mô hình hai chiều có thể sử dụng để mô phỏng các kết cấu phẳng (ứng suất phẳng) hay dài vô hạn (biến dạng phẳng) hoặc kết cấu ba chiều đối xứng trục. - Các mô hình vỏ 3 chiều được sử dụng cho các cấu trúc vỏ mỏng trong không gian 3 chiều. - Các mô hình khối 3 chiều được sử dụng cho các cấu trúc khối trong không gian không đối xứng trục hay có mặt cắt thay đổi. 2.9.2.3. Chọn bậc phần tử. Các phần tử phẳng và khối trong thư viện các phần tử của phần mềm được phân làm 2 loại cơ bản: loại tuyến tính (có hay không có các hàm dạng phụ) và loại bậc 2. Phần tử bậc 1. Trong tính toán, các phần tử tuyến tính với hàm dạng phụ thường cho kết quả chấp nhận được với thời gian tính toán tương đối hợp lý nếu chúng ta tránh sử dụng chúng ở những vùng đặcc biệt (vùng có biến dạng, ứng suất lớn). Trong tính toán phi tuyến, thông thường một lưới mịn các phần tử bậc 1 sẽ cho kết quả tốt hơn với thời gian tính toán ngắn hơn so với một lưới tương đương thô hơn sử dụng các phần tử bậc 2. Đối với các cấu trúc vỏ cong, ta phải lựa chọn quyết định phần tử loại nào (bậc nhất hay bậc 2) sẽ được sử dụng là rất quan trọng. Trong tính toán thực hành, việc sử dụng các phần tử phẳng cho phần lớn các bài toán sẽ thu được kết quả chính xác với thời gian tính toán là tối thiểu. Mật độ lưới chia khi đó phải đủ mịn để biểu diễn chính xác bề mặt cong. Thông thường, ta không nên sử dụng phần tử vỏ phẳng để mô hình một cung với góc ở tâm quá 150. Với phần tử vỏ nón, giới hạn này là 100 (hay 50 cho các vùng gần trục Y). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Phần tử bậc 2. Với các bài toán tính toán tuyến tính sử dụng các hàm dạng suy biến, các phần tử bậc 2 thường cho kết quả tốt hơn với thời gian tính toán ngắn hơn so với các phần tử tuyến tính. Một số đ ặc trưng riêng của các phần tử bậc hai cần lưu ý khi sử dụng được trình bày sau đây: - Các tải trọng phân bố được đưa về nút không tuân theo trực giác thông thường như đối với phần tử tuyến tính. - Nếu nhiệt độ được định nghĩa tại nút giữa của phần tử vượt ra khỏi phạm vi nhiệt độ giới hạn bởi 2 nút biên, nó sẽ được định nghĩa lại bằng cách nội suy từ nhiệt độ ở 2 nút này. - Khi tính toán động, do khối lượng đặt tại nút giữa luôn lớn hơn tại các nút góc, nên thường ta có thể chỉ định bậc tự do chủ tại các n út giữa nhằm giảm khối lượng tính toán. - Khi tính toán động trong các bài toán truyền sóng, do khối lượng phân bố không đều, thường không nên sử dụng các phần tử có nút giữa. - Không được sử dụng các phần tử tiếp xúc cho các cạnh với các phần tử có nút giữa. - Khi ràng buộc các bậc tự do trên một cạnh (hay mặt) của phần tử cần lưu ý rằng tất cả các nút (kể cả nút giữa) phải được ràng buộc. - Nút góc của một phần tử chỉ nên nối với nút gốc của phần tử khác. Các phần tử kề nhau nên được nối chung nút giữa. - Các phần tử có chung nút giữa nên có cạnh chung thẳng trừ khi mô tả các đường hay bề mặt cong. - Vị trí nút giữa nên định vị chính xác tại điểm giữa cạnh. Trong trường hợp bắt buộc nào đó, vị trí này nên được giới hạn trong khoảng L/10 từ vị trí điểm giữa cạnh (L là khoảng cách 2 nút góc). Trường hợp ngoại lệ với vị trí nút giữa gặp trong các bài toán cơ học rạn nứt. - Nút giữa định vị chính xác tại vị trí L/4 trên đường thẳng nối 2 nút góc sẽ cho ta phần tử suy biến với bậc suy biến 0.5. Đặc tính này thường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 được sử dụng trong các phần tử tam giác và đặc biệt hữu dụng cho việc mô phỏng đỉnh vết nứt. - Nếu ta không chỉ định vị trí nút giữa, chương trình sẽ tự động đặt nút này tại điểm giữa trên đường thẳng nối liền hai nút góc. Trong trường hợp này, bậc tự do xoay của nút sẽ được nội suy tuyến tính theo 2 nút góc. - Các phần tử kết nối với nhau nên có chung số nút trên cạnh chung. Do đó khi kết nối các phần tử khác nhau (có số nút trên một cạnh khác nhau) ta nên loại bỏ nút giữa của một phần tử. - Cạnh có nút giữa bị loại bỏ khi đó sẽ là cạnh thẳng và phần tử khi đó sẽ trở nên cứng hơn. Ta chỉ nên sử dụng phần tử loại này tại các biên chuyển tiếp, không nên sử dụng chúng thay cho các phần tử tuyến tính với các hàm nội suy phụ. Nút giữa cũng có thể được thêm và o hay loại ra sau khi phát sinh phần tử bằng cách sử dụng lệnh EMID và EMODIF. - Do số điểm lấy tích phân của các phần tử bậc 2 không nhiều hơn các phần tử bậc nhất, ta có xu hướng sử dụng các phần tử bậc nhất trong tính toán phi tuyến. - Các lưới phần tử hữu hạn chỉ sử dụng một phần tử bậc cao như PLANE82, SHELL93 có thể sẽ bị suy biến do năng lượng biến dạng bằng không. - Chương trình sử dụng duy nhất các nút góc cho việc biểu diễn mặt cắt và đường khuất. Các lệnh xuất ứng suất nút và hậu xử lý cũng chỉ có cho các nút góc. - Trong chế độ đồ họa, các phần tử có nút giữa với cạnh cong được biểu diễn bằng các đoạn thẳng. Mô hình khi đó sẽ có vẻ thô hơn thực tế. 2.9.2.4. Sử dụng tính đối xứng của mô hình. - Rất nhiều đối tượng có các tính đối xứng: đối xứng lặp, đối xứng gương và đối xứng trục. Khi một đối tượng đối xứng về tất cả các mặt (hình học, tải trọng, điều kiện biên và vật liệu) ta có thể lợi dụng tính đối xứng này để giảm kích thước và phạm vi của mô hình. Vài chú ý về bài toán đối xứng trục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Bất kỳ kết cấu nào có tính đối xứng về mặt hình học quanh một trục đều được gọi là kết cấu đối xứng trục (ống thẳng, nón, tấm tròn…). Kết cấu đối xứng trục ba chiều có thể được mô hình dưới dạng hai chiều tương đương. Ta có thể thấy rằng kết quả tính toán sử dụng mô hình hai chiều đối xứng trục sẽ tốt hơn khi sử dụng mô hình ba chiều tương đương. Theo định nghĩa, mô hình đối xứng trục hoàn toàn có thể chịu tải trọng đối xứng trục. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các kết cấu sẽ chịu tải trọng bất đối xứng trục, khi đó ta phải sử dụng một loại phần tử đặc biệt, phần tử điều hòa đối xứng trục để xây dựng mô hình 2 chiều cho bài toán đối xứng trục chịu tải trọng bất đối xứng trục. Vài yêu cầu đối với bài toán đối xứng trục. - Trục đối xứng phải trùng với trục Y của hệ tọa độ Decscartes tổng thể. - Không được sử dụng tọa độ X âm. - Trục Y của hệ tọa độ Descartes tổng thể biểu diễn hướng trục của vật thể và trục X tương ứng biểu diễn hướng bán kính. Trục Z khi đó sẽ tương ứng phương tiếp tuyến. - Mô hình cho bài toán đối xứng trục phải sử dụng loại phần tử thích hợp: + Sử dụng phần tử khối hai chiều với KEYOPT(3) = 1 hay phần tử vỏ đối xứng trục. Ngoài ra ta có thể sử dụng các phần tử link, tiếp xúc,… trong bài toán 3 chiều hay vỏ đối xứng trục. + Chỉ nên sử dụng duy nhất phần tử điều hòa đối xứng trục trong bài toán đối xứng trục chịu tải trọng bất đối xứng trục. + Các phần tử SHELL51 và SHELL61 không thể nằm trên trục Y. + Với những bài toán mà ảnh hưởng của lực cắt là quan trọng, khi sử dụng phần tử khối 2D ta phải chia ít nhất 2 phần tử theo phương của lực cắt. Tải trọng và phản lực đối xứng trục. Với điều kiện ràng buộc (lệnh D, DK,…), tải trọng bề mặt (lệhh SF, SFE, SFA…), tải trọng bản thân (lệnh BF, BFE…) và các gia tốc theo trục Y (lệnh ACEL), tải trọng được áp đặt như trong các bài toán bình thường. Tuy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 nhiên, cách đặt tải sẽ hơi khác trong trường hợp có lực tập trung. Trong trường hợp này, việc đặt tải sẽ theo quy tắc 3600, điều này có nghĩa là tải trọng được đặt vào dưới dạng tổng tải trọng trên chu vi. Chẳng hạn nếu ta muốn đặt 1 tải trọng dọc trục với giá trị 150 kg/cm vào 1 ống có đường kính 100cm thì ta phải đặt tổng tải trọng 47124 kg vào nút N. Các kết quả tính toán khi đó cũng phải được hiểu theo cách tương tự. Một số thủ thuật và lưu ý cần thiết. Số các ràng buộc về điều kiện biên phải đủ để tránh các trường hợp chuyển động không gây ứng suất, bất liên tục và suy biến. Chẳng hạn với bài toán thanh đặc đối xứng trục, việc đặt thiếu các điều kiện biên theo phương X sẽ làm xuất hiện các khoảng hở giả tạo khi tính toán. Nếu cấu trúc có lỗ hổng chạy dọc theo trục đối xứng, ta phải đặt mô hình đúng vị trí của nó so với trục Y (cũng là trục đối xứng). 2.9.2.5. Xác định rõ yêu cầu của bài toán. Khi muốn lập mô hình, ta có thể loại bỏ các chi tiết nhỏ không quan trọng đối với bài toán. Việc đưa ra các chi tiết này vào sẽ chỉ làm mô hình phức tạp thêm một cách không cần thiết. ta cũng nên lưu ý rằng trong một số bài toán, các chi tiết nhỏ nhặt như các gờ cong, các lỗ có thể là nơi có ứng suất lớn nhất và do đó có thể rất quan trong với bài toán tùy thêo mục tiêu tính toán. Kết cấu và mục tiêu tính toán phải được xem xét kỹ để có thể quyết định các chi tiết cần đưa vào mô hình. Trong một số trường hợp, một số chi tiết nhỏ có thể phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc. Trong trường hợp này, đeer lợi dụng tính đối xứng, ta có thể bỏ qua các chi tiết này hay xem như chúng cũng đối xứng. 2.9.2.6. Chọn mật độ lưới chia thích hợp. Chọn mật độ chia lưới thích hợp và vấn đề thường gặp trong tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên câu trả lời chính xác cho vấn đề này thường không có. Ta có thể áp dụng một só kỹ thuật để giải quyết vấn đề này: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 - Sử dụng cách sinh lưới thích ứng để tạo ra một lưới chấp nhận được về sai số theo tiêu chuẩn năng lượng. Sai số này sẽ phụ thuộc vào yêu cầu tính toán của chúng ta. Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng được cho các bài toán tĩnh hay cho các bài toán nhiệt. cũng nên lưu ý rằng việc sinh lưới thích ứng chỉ áp dụng được khi mô hình hóa thông qua các đối tượng hình học. - So sánh kết quả tính toán sơ bộ với kết quả thực nghiệm hay kết quả giải tích. Chia mịn lưới hơn ở nhũng vùng có sai số lớn giữa kết quả tính và lới giải tham khảo. - Khởi đầu việc tính toán với một lưới chia tạm xem như chấp nhânhj được. tính toán lại vào lưới chi nhiều phần tử hơn (2 hay nhiều lần) ở những vùng đặc biệt và so sánh hai kết quả tính. Nếu chúng gần như nhau thì lưới chia nhu vậy là thích hợp. Nếu không ta tiếp tục tăng số phần tử và tính toán lại cho đến khi đạt yêu cầu. - Nếu việc thêm phần tử vào lưới chia cho thyaays chỉ một phần của cấu trúc cần chia nhỏ lưới phần tử hữu hạn, ta có thể chỉ tập trung cho vùng này. - Ta không thể bỏ qua tầm quan trọng của việc chia lưới bởi vì với lưới chia quá thô, kết quả tính có thể sai nghiêm trọng, và với lưới chia quá mịn, ta có thể sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian và đôi khi không thể thực hiện được với hệ thống máy tính hiện có. Trong bất kỳ trường hợp nào cũng nên xác định trước mật độ lưới chia trước khi bắt đầu xây dựng mô hình. 2.9.3. Các hệ trục toạ độ. Cung cấp cho chúng ta nhiều hệ tọa độ dùng cho các mục đích khác nhau. - Hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ địa phương được dùng để định vị các đối tượng hình học (nút, điểm,…) trong không gian. - Hệ tọa độ hiển thị xác định hệ trục mà các đối tượng hình học được liệt kê hay hiển thị. - Hệ tọa độ kết quả dùng cho việc xuất và hiển thị kết quả. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 - Hệ tọa độ nút dùng cho việc xác định phương cảu các bậc tự do tại nút. - Hệ tọa độ phần tử để xác định phương cho các đặc trưng vật liệu, xuất kết quả phần tử. 2.9.3.1. Hệ trục tọa độ tổng thể và hệ trục tọa độ địa phương. Hệ tọa độ toàn cục và hệ tọa độ địa phương được dùng để định vị các đối tượng hình học. mặc định khi ta định nghĩa nút hay điểm, tọa độ của chúng sẽ được đổi qua tọa độ trong hệ tọa độ Descartes tổng thể. Với một sốa bài toán, sử dụng nhiều hệ tọa độ có thể sẽ thuận tiên hơn khi chỉ sử dụng hệ tọa độ Descartes tổng thể. Phần mềm cho phép mô tả đối tượng hình học trong bất cứ hệ tọa độ nào đã được định nghĩa (3 hệ tọa độ toàn cục và nhiều hệ tọa độ địa phương). Ta cũng có thể xem các thông số của ._.ực theo các thành phần khác nhau để thuận lợi cho quá trình tính toán. Ví dụ : Phân tích lực tác dụng lên thân máy tiện. Giả sử chi tiết gia công trên máy được gá trên hai mũi tâm có đường kính được và trọng lượng G. Lực cắt tác dụng lên ụ trước, ụ sau và bàn dao. Các thành phần của lực cắt là Pz, Py, Px. Gọi A và B là các phản lực nằm trong mặt cắt phẳng vuông góc với trục của chi tiết gia công. Ta có: Trên ụ trước: 2 . GP l bZ zA −= xyA Pl dP l bY 2 . += 22 AA YZA += Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Trên ụ sau: 2 . GP l bZ zB −= xyB Pl dP l bY 2 . −= 22 BB YZB += Lực chiều trục XA tác dụng lên ụ trước bao gồm lực cắt Px, phản lực tại mũi tâm A.tgα (là góc nửa mũi tâm) và lực xiết căng ban đầu của ụ động C o (Co≈ 0,25Px). XA = Px+ Atgα + Co Lực chiều trục tác dụng lên ụ sau XB sẽ thay đổi trong quá trình cắt gọt. Lực cắt Px có xu hướng làm giảm lực căng ban đầu C o. Do vậy để tính toán có thể lấy giá trị lớn nhất của XB. XB = Btgα + Co Lực cắt tác dụng lên bàn dao sẽ làm cho thân máy bị uốn và xoắn. Mô men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng của thân máy là: MU = Px.c Và mô men xoắn lớn nhất là: Mx = Py.c Ở đây c là khoảng cách từ đường tâm máy (tâm chi tiết) đến trục của thân máy. Sau khi xác định được các lực tác dụng lên thân máy, ta vẽ được các biểu đồ mô men uốn (MU) trong các mặt phẳng thẳng đứng, nằm ngang và biểu đồ mô men Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 xoắn (Mx). Các biểu đồ này cần thiết cho việc tính toán biến dạng của thân máy và các bộ phận khác. 3. Tính biến dạng của thân máy. Việc tính toán biến dạng của thân máy dưới tác dụng của tải trọng là một bài toán phức tạp. Việc tính toán này phụ thuộc nhiều vào tiết diện ngang của thân máy là prôfin kín hay prôfin hở. a. Tính toán biến dạng của thân máy có tiết diện ngang là prôfin kín. Khi tiết diện ngang của thân máy là prôfin kín thì việc tính biến dạng uốn và xoắn theo những phương pháp thông thường trong sức bền vật liệu. Ảnh hưởng của các gân ngang và khoang trống trong thân má y có tiết diện ngang là prôfin kín đến các biến dạng uốn và xoắn không lớn lắm và có thể bỏ qua. Trong trường hợp tiết diện ngang của thân máy thay đổi theo chiều dài thì có thể xác định tiết diện tính toán là tiết diện tại 1/3 chiều dài kể từ phía có tiết diện lớn nhất. Nếu trên các thành máy có các cửa sổ dùng để lắp đặt các cơ cấu khác hoặc các trang bị điện thì sẽ làm giảm độ ckứng vững của thân máy. Cửa sổ đặt trên mặt phẳng thẳng góc với phương của lực tác dụng gây ra uốn và càng xa trục trung hòa của tiết diện tính toán thì càng làm giảm độ cứng vững của thân máy, có thể hạ thập độ cứng vững từ 2 đến 10 tấn. Tính biến dạng xoắn có thể áp dụng công thức tính cho prôfin thành mỏng: ∑= i itx l GF lM δ ϕ . 4 . 2 Trong đó: φ là góc xoắn (rad) G là mô đun đàn hồi trượt (Пa) lt là chiều dài tính toán (m) F là diện tích giới hạn bởi các thành vách tính từ đường trung bình (m3) Mx là mô men xoắn (N.m) li là chiều dài của phần thứ i (m) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 δi Là chiều dày thành của phần thứ i (m) Nếu chiều dày của tất cả các thành như nhau thì ta có: ∑ = δδ Cl i i Trong đó: C là chu vi của prôfin mặt cắt theo đường trung bình: δ ϕ 24 .. GF lCM tx= b. Tính toán biến dạng của thân máy có tiết diện ngang là prôfin không kín (hở). Khi mặt cắt ngang của t hân máy là prôfin không kín, trong quá trình tính toán biến dạng của thâm máy ta cần phải kể đến sự ảnh hưởng của các gân ngang nối các thành vách dọc của thân máy. Theo kết quả của nghiên cứu thực nghiệm thì các sườn ngang này ảnh hưởng không lớn lắm khi thân máy bị uốn trong mặt phẳng thẳng đứng. Vì vậy khi tính biến dạng có thể lấy mô men quán tính Jy đối với trục trung hòa Y - Y. Do vậy: để tăng độ cứng vững cho thân máy ở trong mặt phẳng thẳng đứng ta cần làm thêm các thành bên trong (thành kép). Xét t 1 – Z1 z – Z. Nh . Jt = Ku.Jz : : Ku = 0,1-0,2 П: Ku = 0,,3-0,45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 : Ku = 0,4-0,5 . : - : Kx = 0,1 – 0,2 - П: Kx = 0,15 – 0,3 - : Kx = 0,2 – 0,4 . , : tbtLL ..ε=∆ Ở đây: L là chiều dài thân máy (m) Ε là hệ số biến dạng dài (1/oC) ttb là nhiệt độ trung bình (oC) L như sau: H tLX 8 2∆ = ε H tL∆ = εϕ Ở đây: Δt là sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt trên và dưới của thân máy (oC) H là chiều cao thân máy (m) . . . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 . δ1 . (ngang) δ2 = Δd2/2 = fu.ng δ3 = φ.c . . δ2 δ3 : fo = fu.ng + φ.c , nó không được vượt quá 5 -10% biến dạng của dụng cụ cắt. Đối với các máy tiện kích thước trung bình thì biến dạng tổng cộng của thân máy thu gọn về dao nằm trong giới hạn: fo = (0,04-0,07)mm. trị số biến dạng fo tỷ lệ với thành phần lực cắt hướng kính Py theo công thức: f o = kPy/E Hệ số thực nghiệm k được xác định theo từng máy: Máy 1A62 - hệ số k = 105;Máy 1K62 - hệ số k = 84; Máy 16K20 - hệ số k = 63. Các thân máy tiện có chiều rộng B bằng chiều cao H, máy ngắn, sườn chéo, prôfin mặt cắt ngang kín sẽ cho độ cứng vững cao. Trong quá trình tính toán thân máy cũng có thể tính một cách đơn giản hóa bằng cách xác định ứng suất lớn nhất phát sinh trong thân máy không được vượt quá 10 - 20Mпa. Trị số thấp của ứng suất cho phép xác định điều kiện bảo toàn độ chính xác chiều dài và qua đó gián tiếp tính độ cứng. 3.1.2. Mô hình hình học với Mechanical Destop * Sơ đồ hoá tính toán Thân máy tiện theo dạng dầm khi sử dụng phần mềm Mechanical Destop 6.0 để kiểm tra biến dạng . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 Vì trong phần mềm Mechanical Destop 6.0 chỉ tồn tại các thư viện mặt cắt ngang: Nhận thấy khi kiểm tra độ bền của chi tiết máy hay bộ phân máy thông qua phần mền Mechanical Destop 6.0, chỉ kiểm tra đối với các mặt cắt ngang có tiết diện được coi là không thay đổi. Vì vậy khi kiểm tra theo phần mềm này biên dạng hình học của đối tượng không được sát với mô hình thực tế. 3.1.3. Mô hình FEM của thân máy. * Mô hình hoá thân máy Tiện tính toán theo phần tử hữu hạn đối tượng khảo sát sát với mô hình thực (tiết diện đối tượng thay đổi, và đã kể ảnh hưởng thành, vách, gân, gờ..) * Sơ đồ tính theo phương pháp phần tử hữu hạn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 3.2. Xác định các thông số cơ bản của mô hình hình học 3.2.1. Thông số cơ học của vật liệu. - Chi tiết gia công : Đường kính 320 mm; chiều dài 850 mm - Vật liệu: Thép 45 - HB = 107 - E = 2.107 N/cm2 - γ = 7,8 Kg/dm3 3.2.2. Thông số hình học của mô hình. 300 A A 200 270 450 400 40 300 350 10 1300 320 330 1850 550 B B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 30 50 30 90 340 240 160 70 30 300 120 A-A B-B 3.3. Tính toán bộ tham số ngoại lực tác động tĩnh lên trục chính và thân máy 3.3.1. 3 max1D Chế độ cắt tính toán. - Chiều sâu cắt tính toán t* được xác định theo công thức 3.19 (Thiết kế Dụng cụ cắt) t* = 0,7. = 0,7. 3 240 = 4,35 (mm) Lấy t* = 4,4 (mm) - Lượng chạy dao tính toán S* được xác định theo công thức 3.20 ( Thiết kế Dụng cụ cắt ) S* = 0,4.t* - 0,3 = 0,4. 4,4 – 0,3 = 1,46 (mm/vg) - Tốc độ cắt tính toán V* được xác định theo công thức: V* = vv yx v s.t C . Kv Tra bảng 4.58(2-TK.DCC), ta chọn vật liệu làm dao là thép P 18 , vật liệu gia công là thép các bon có δb = 700 N/mm2. Trong đó: xv= 0.25 - là số mũ xét tới ảnh hưởng của t đến v Cv - để đặc trưng cho chế độ cắt nặng nhọc, khó khăn hơn chế độ cắt gọt hợp lý trên đây. chọn Cv= 31,6 ; Kv= 1,09 ⇒ V* = 66,025,0 46,1.4,4 6,31 1,09 = 18,52 ( m/ph) 3.2.2. Tính lực cắt: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 Lực cắt khi tiện được tính theo công thức, theo bảng 9 ( Thiết kế Dụng cụ cắt, Tr 201) + Lực tiếp tuyến : pz = Cpz . txpz . S ypz Cpz = 2000, Xpz = 1, Ypz = 0,75 ⇒ Pz= 2000 .4,41. 1,460.75 =11688,19 (N) + Lực hướng kính: Py =Cpy. txpy.Sypy Cpy =1250, Xpy= 0,9 , Ypy= 0,75 ⇒ Py = 1250 . 4,40.9.1,460,75 = 6299,15(N) + Lực chiều trục : Px = Cpx.txpx. Sypx Cpx =65 0 , Xpx =1,2 , Ypy = 0,65 ⇒ Px =650.4,41,2.1,460,65 = 4912,10(N) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 Chương IV: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH THÂN MÁY TIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRÊN HỆ THỐNG COSMOS/ANSYS 4.1. Sơ đồ tính 4.2. Phân tích hệ thống ngoại lực tác dụng G2G1 G4 G3 PZ Px Py G5 Px Py PZ Trong đó: G1 = 4000 N ( Trọng lượng của Hộp tốc độ) G2 = 1000 N ( Trọng lượng của Ụ động) G3 = 3000 N (Trọng lượng của Hộp chạy dao) G4 = 427,04 N (Trọng lượng của chi tiết gia công) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 G5 = 5966,5 N (Trọng lượng của Thân máy) Pz =11688,19 (N) (Lực tiếp tuyến) Py = 6299,15(N) (Lực hướng kính) Px = 4912,10(N) (Lực chiều trục) Phân tích lực tại vị trí khảo sát về Ụ trước và Ụ sau: G2G1 G4 G3 ZA XA YA ZB XB YB MYA MYB G5 PZ Py PxMXA MZBMZA * Lực tác dụng lên Ụ trước: 575,5597 2 04,427 2 19,11688 22 1 =−=−= GPZ zA (N) 496,37271,4912 850 100 2 15,6299 2 . 2 1 =+=+= xyA Pl dPY (N) 926,5724469,3727575,5597 2222 =+=+= AA YZA (N) XA = Px+ Atgα +0,25Px =10022,763 (N) MYA = Pz.0,16 = 4912,1 . 0,16 = 785,936 (Nm) MXA = ZA.0,16 = 575,5597 . 0,16 = 845,612 (Nm) MZA =YA .0,55-XA.0,16 = 446,46(Nm) * Lực tác dụng lên Ụ sau: 575,5597 2 04,427 2 19,11688 22 1 =−=−= GPZ zB (N) 681,25711,4912 850 100 2 15,6299 2 . =−=−= xyB Pl dP l bY (N) 064,6160681,2571575,5597 2222 =+=+= BB YZB (N) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 XB = Btgα + 0,25Px= 4929,365 (N) MYB = Px.0,16= 785,936 (Nm) MZB =YB .0,55-XB.0,16= 625,426(Nm) Di chuyển các lực về thân máy ( theo mô hình hình học) ta có: G2 ZB XB YB MYB1 G1 ZA XA YA MXA1 MYA1 G4 G3 Py Mx PZ Px MXB1 G5 MZA MZB MYA1 = XA.0,16 +MYA = 2389,578 (Nm) MXA1 = YA.0,16 = 596,39 (Nm) MX = Py.0,16 = 1007,864 (Nm) MYB1 = XB.0,16 +MYB = 1574,634 (Nm) MXB1 = YB.0,16 = 411,469 (Nm) Rút gọn G2 ZB XB YB MYB1 G1 ZA XA YA MXA1 MYA1 G Py Mx Px MXB1 MZA MZB Ta có G = Pz+G3+G4+G5= 21081,73 (N) Sơ đồ ngoại lực và nội lực tác dụng vào thân máy. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 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 Mô hình 3D thân máy tiện. 4.3. Đơn vị tính. - Chiều dài : m - Khối lượng : kg - Thời gian : s - Lực : kg - Áp suất : Pa 4.4. Ứng dụng phần mềm ANSYS/ COSMOSS 4.4.1. Khởi động chương trình Ansys, giao diện Ansys. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 4.4.2. Xây dựng mô hình học. 4.4.3. Định hướng bài toán. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 109 4.4.4. Tạo mô hình phần tử hữu hạn. 4.4.5. Khai báo các thuộc tính của vật liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 110 4.4.6. Khai báo các điều kiện biên. 4.4.7. Đặt tải trên mô hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 111 4.4.8. Giải. 4.4.9. Kết quả. 4.4.9.1. Dạng mô hình phần tử nút (gồm 16073 phần tử) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 4.4.9.2. Mô hình dạng đánh số điển nút (gồm 29993 nút) 4.4.9.3. Mô hình dạng ứng suất: * Ứng suất theo phương ox: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 113 * Ứng suất theo phương oy: * Ứng suất theo phương oz: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 114 * Trường ứng suất tương đương theo Von Mises 4.4.9.5. Mô hình dạng chuyển vị: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 115 * Theo phương ox. * Theo phương oy. * Theo phương oz. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 116 * Chuyển vị tổng: 4.4.9.6. Mô hình phân bố véc tơ chuyển vị và ứng suất tại các nút. * Phân bố véc tơ chuyển vị tại các nút. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 117 * Phân bố véc tơ ứng suất tại các nút. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 118 4.4.9.7. Mô hình dao động riêng. * Các tần số dao động riêng. ***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE ***** SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 0.41091 1 1 1 2 0.64470 1 2 2 3 0.73091 1 3 3 4 0.79875 1 4 4 5 1.0106 1 5 5 * Mô hình dao động riêng với tần số f1 = 0,42091 (Hz) * Mô hình dao động riêng với tần số f1 = 0,64470 (Hz) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 119 * Mô hình dao động riêng với tần số f1 = 0,73091 (Hz) * Mô hình dao động riêng với tần số f1 = 0,79875 (Hz) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 120 * Mô hình dao động riêng với tần số f1 = 1,0106 (Hz) 4.5. Kết quả dạng dữ liệu 4.5.1. Ứng suất tương đương theo Von Mises Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 121 Smax = 1,249 Smin = 0,564E-03 4.5.2. Chuyển vị : * Th eo phương ox (Node 3381): Ux = -0.12438E-04 * Th eo phương oy (Node 2865): Uy = -0.46546E-05 * Th eo phương oz (Node 1330): Uz = -0.56923E-05 * Tổng (Node 3381): Usum = 0.12454E-04 4.5.3. Phản lực lớn nhất: * Th eo phương ox: Fx = 259.75 (kG) * Th eo phương oy: Fy = 724.91 (kG) * Th eo phương oz: Fz = 18.130 (kG) 4.6. Đánh giá và kết luận. 4.6.1. Đánh giá. - 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. 4.6.2. Kết luận. 4.6.2.1. Kết luận chung - Xây dựng mô hình tính thân máy tiện đầy đủ hơn tính bằng tay. - Sử dụng phương pháp số vào trong quá trình thiết kế. - Ứng dụng phần mền 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. - Việc đưa phần mềm trợ giúp cho quá trình tính toán sức bền là điều hết sức cần thiết. Kết quả của đề tài có thể sử dụng hiệu quả vào giảng dạy môn học “Sức bền vật liệu” và môn “Cơ học kết cấu” dưới các hình thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 122 - 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 môn hình phức tạp mà phương pháp truyền thống không thể đáp ứng đươc. - 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 có thể giới thiệu cho sinh viên 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. - Do các bước giải bài toán bằng phần mềm này ngắn gọn, đơn giản vì vậy Giáo viên có thể đưa việc ứng dụng phần mềm vào các bài giảng ngay trên lớp để kiểm tra độ bền chi tiết. - Qua đây hướng dẫn cho sinh viên có thể thực hiện tính toán một số bài toán cơ bản và làm quen với việc ứng dụng tin học trong học tập, để kiểm tra nhanh và chính xác các kết quả tính toán. - Việc ứng dụng phần mềm không đòi hỏi cần phải có trình độ tin học cao mà vẫn có thể sử dụng có hiệu quả cao trong lĩnh vực chuyên môn. - Tuy nhiên trong khuôn khổ báo cáo khoa học do thời gian còn hạn chế vì vậy những vấn đề khác: Máy móc thiết bị trong công nghiệp nặng, rung động, … 4.6.2.2. Những kiến nghị - Trong báo cáo mới chỉ khảo sát mộ t bài toán cơ bản , còn các bài toán phức tạp hơn cần tiếp tục được nghiên cứu và làm rõ. - Là các phần mềm mạnh, đặc biệt là phần mềm ANSYS với rất nhiều tính năng ưu việt trợ giúp cho việc giảng dạy và nghiên cứu các môn khoa học kỹ thuật. Vì thế phần mềm rất xứng đáng nằm trong sự quan tâm, khai thác ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học trong thời đại Tin học hoá. 4.6.2.3. Hướng phát triển của đề tài 1. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm vào việc tính toán bền, mô phỏng quá trình biến dạng của các kết cấu không gian, chi tiết máy có hình dáng phức tạp như Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 123 các khuôn có hình dáng phức tạp, các chi ti ết máy làm việc trong các môi trường đặc biệt... 2. Nghiên cứu để áp dụng phần mềm vào các ngành khác: truyền nhiệt, thuỷ lực, điện, địa chất... 3. Xây dựng các bước, chương trình liên kết giữa phần mềm ANSYS với các phần mềm thiết kế mạnh khác: Pro/engineer, CAD, Mechanical Desktop, Catia, Inventer... để thuận lợi cho quá trình dựng mô hình các chi tiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán khung và móng công trình làm v iệc đồng thời với nền - Th.s Đặng Tính - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 1999. [2] GS.TS. Nguy ễn 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] Phương pháp phần tử hữu hạn – Hồ Anh Tuấn [4] 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. [5]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử dụng ANSYS, Hà Nội, 2003. [6] PGS. TS Nguyễn Văn V ượng, Sức bền vật liệu, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2000. [7] Tuyển tập công trình, Hội nghị khoa học toàn quốc, Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ 8, Thái Nguyên 25-26/8/2006. [8] Machine Design A Cad Approach - Andrew D. Dimarogonas W. Palm Professor of Mechanical Design Washington University, St. Louis, Missouri, USA [9] . Handbook of machine tool analysis / loan D. Marinescu, Boloc Dan, Constantin lspas. [10] . The Finite Element Method : Volume 1, The Basis (Finite Element Method Ser) (Hardcover) by O . C . Zienkiewicz & R . L . Taylor. [11] . The Finite Element Method : Volume 2, The Basis (Finite Element Method Ser) (Hardcover) by O . C . Zienkiewicz & R . L . Taylor. [12] .The Finite Element Method For Solid and Structural Mechanics , Sixth Edition by O . C . Zienkiewicz [13] . Manufacturing Automation [14] . Computer Aided Manufacturing / Tien Chien Chiang – Prentice Hall – 1998 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 125 [15]. Y. Nakasone, S. Yoshimoto,T. A. Stolarski, Engineering analysis with ANSYS software, 2006. [16]. David V. Hutton, Fundamentals of Finite Element, 2004. [17] Finite Element Method (FEM, The University of Auckland, New Zealand 2005. [18] ://www.//ANSYS\5.HTM [19] ://www.//ANSYS.com [20] .mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/CL/CPP/DataPlotting, Copyright University of Alberta. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 126 PHỤ LỤC 1. Phản lực tại các nút. PRINT REACTION SOLUTIONS PER NODE ***** POST1 TOTAL REACTION SOLUTION LISTING ***** LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN GLOBAL COORDINATES NODE FX FY FZ 416 19.536 -7.5511 -3.4331 420 -9.7650 -1.7349 -26.238 421 -9.8019 -16.715 2.3506 422 -3.1809 -0.91005 -0.19905 423 4.6023 4.8014 4.5732 424 8.3240 6.7958 0.43560 425 25.624 24.861 7.0247 464 -13.037 -6.1698 -4.0611 468 -0.79428 21.726 -13.883 469 0.53745E-01 -18.271 12.284 470 -3.4476 14.132 -8.6326 502 31.420 41.676 0.84142 506 -0.48774 -7.2679 9.2202 507 -1.1017 2.9491 1.8327 508 -10.937 14.307 22.249 509 -16.593 18.798 3.9727 510 -7.7197 28.013 8.6208 648 -9.3052 33.108 14.752 649 -2.3634 -3.7967 -8.7621 650 -2.6690 -21.144 -13.206 681 -36.743 28.570 29.895 685 48.467 38.777 43.509 686 -4.2350 146.55 111.96 687 -1.3647 43.328 50.762 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 127 688 0.21440 125.13 90.736 1102 0.52925E-01-0.35187E-01 0.50383 1103 -50.679 -52.825 23.487 1104 0.72046 -1.7081 0.19519 1105 0.83034 0.23014 0.94110 1106 1.6696 -9.8867 1.0655 1107 0.75761 -1.5411 3.0805 1108 -1.3607 -19.065 4.4580 1109 -0.56888 -4.5725 5.2109 1110 -2.1339 -25.165 9.9246 1111 1.6122 -12.831 1.3361 1112 16.942 -148.62 80.696 1113 1.3168 -2.6769 -0.37539 1114 0.65361 -0.67468 0.29552E-01 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.Ứng suất tại các phần tử và các nút. PRINT S PRIN ELEMENT SOLUTION PER ELEMENT ***** POST1 ELEMENT NODAL STRESS LISTING ***** LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING X,Y,Z VALUES ARE IN GLOBAL COORDINATES ELEMENT = 1 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 12963 0.11686 0.18227E-01-0.61518E-01 0.17838 0.15477 16079 0.41640E-02-0.61735E-01-0.11208 0.11625 0.10097 12511 0.17582 0.30555E-01-0.57466E-01 0.23328 0.20405 12783 -0.13146E-01-0.95803E-01-0.11953 0.10639 0.96730E-01 ELEMENT= 2 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 11154 0.20184E-01 0.67630E-02-0.54661E-01 0.74845E-01 0.69119E-01 11297 0.18108E-02-0.15159E-02-0.81524E-01 0.83335E-01 0.81723E-01 11299 -0.24486E-03-0.70509E-03-0.67396E-01 0.67151E-01 0.66922E-01 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 128 16080 -0.15125E-03-0.37860E-02-0.70606E-01 0.70455E-01 0.68710E-01 ELEMENT= 3 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16081 0.50756E-02 0.40558E-02-0.19324E-01 0.24400E-01 0.23906E-01 11154 0.10935E-01-0.25054E-02-0.61015E-01 0.71950E-01 0.66260E-01 12358 0.11024E-01 0.18661E-02-0.36482E-01 0.47507E-01 0.43654E-01 16082 0.97847E-02-0.49694E-02-0.57910E-01 0.67695E-01 0.61656E-01 ELEMENT= 4 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16080 0.12748E-02-0.18840E-02-0.68208E-01 0.69483E-01 0.67959E-01 16082 0.20038E-01 0.91351E-02-0.46151E-01 0.66189E-01 0.61467E-01 11154 0.63351E-02-0.55688E-02-0.74128E-01 0.80463E-01 0.75221E-01 11297 0.31359E-02 0.28153E-03-0.75688E-01 0.78824E-01 0.77436E-01 ELEMENT= 5 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16083 0.15353 0.15123E-01-0.14614E-01 0.16815 0.15543 16084 0.15091 0.45234E-02-0.33944E-01 0.18486 0.16894 6084 0.24735 0.42405E-01-0.98509E-02 0.25720 0.23546 6083 0.25549 0.45754E-01 0.40700E-02 0.25142 0.23338 ELEMENT= 6 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16085 0.69284E-01-0.13726E-01-0.10110 0.17038 0.14757 5415 0.86537E-01-0.91701E-02-0.17762 0.26416 0.23164 16086 -0.19194E-01-0.36611E-01-0.15623 0.13703 0.12921 16087 0.54696E-01 0.27420E-04-0.12027 0.17497 0.15504 ELEMENT= 7 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16087 0.43762E-01-0.13890E-01-0.12927 0.17303 0.15260 5415 0.76972E-01-0.34516E-01-0.18870 0.26567 0.23107 16086 0.26793E-01-0.15998E-01-0.13998 0.16677 0.15002 6337 0.44880E-01 0.14263E-01-0.12299 0.16787 0.15484 ELEMENT= 8 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 129 16087 0.17408E-01-0.14089E-01-0.13082 0.14823 0.13526 6337 0.10526E-01-0.13112E-01-0.13302 0.14355 0.13331 6321 0.16582E-01-0.19996E-01-0.10695 0.12354 0.10991 5415 0.73221E-01-0.46245E-02-0.18581 0.25903 0.23020 ELEMENT= 9 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16088 0.30770E-03-0.25804E-03-0.10013E-02 0.13090E-02 0.11371E-02 16089 0.59916E-02 0.11535E-02 0.18624E-03 0.58054E-02 0.53873E-02 9801 -0.65880E-03-0.21849E-02-0.28564E-02 0.21976E-02 0.19505E-02 16090 0.31446E-02 0.36759E-03-0.16719E-02 0.48165E-02 0.41875E-02 ELEMENT= 10 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16088 0.63849E-03 0.40352E-04-0.11994E-02 0.18378E-02 0.16236E-02 10060 0.66113E-03-0.81605E-04-0.48206E-02 0.54817E-02 0.51507E-02 9828 -0.43902E-04-0.28915E-02-0.75733E-02 0.75294E-02 0.65849E-02 9814 0.99362E-04-0.20597E-02-0.52392E-02 0.53385E-02 0.46514E-02 ELEMENT= 11 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16088 0.66575E-03 0.43026E-03-0.10742E-02 0.17399E-02 0.16350E-02 10060 0.34807E-03-0.23645E-03-0.50401E-02 0.53882E-02 0.51210E-02 9823 -0.11286E-04-0.31464E-02-0.57429E-02 0.57316E-02 0.49710E-02 9828 -0.67097E-04-0.28717E-02-0.75635E-02 0.74964E-02 0.65603E-02 ELEMENT= 12 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16088 -0.10524E-03-0.10150E-02-0.18435E-02 0.17383E-02 0.15060E-02 9813 0.40308E-03-0.26578E-02-0.33649E-02 0.37680E-02 0.34689E-02 9801 0.58691E-04-0.37523E-03-0.14751E-02 0.15338E-02 0.13694E-02 9814 -0.26411E-04-0.14589E-02-0.47446E-02 0.47182E-02 0.41899E-02 ELEMENT= 13 SOLID92 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 16088 0.10483E-02 0.14292E-03-0.90577E-03 0.19540E-02 0.16938E-02 9802 0.73328E-04-0.13035E-02-0.48339E-02 0.49072E-02 0.43840E-02 9813 -0.71952E-04-0.28853E-02-0.38581E-02 0.37862E-02 0.34056E-02 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 130 9823 -0.52083E-03-0.36529E-02-0.62829E-02 0.57620E-02 0.49964E-02 . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . 3. Chuyển vị theo các phương ox, oy, oz và chuyển vị tổng tại các nút. PRINT U NODAL SOLUTION PER NODE ***** POST1 NODAL DEGREE OF FREEDOM LISTING ***** LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 THE FOLLOWING DEGREE OF FREEDOM RESULTS ARE IN GLOBAL COORDINATES NODE UX UY UZ USUM 1 0.35643E-06 0.38843E-08-0.36695E-06 0.51158E-06 2 0.45181E-06-0.29453E-06-0.34808E-06 0.64190E-06 3 0.37837E-06-0.71094E-07-0.36794E-06 0.53254E-06 4 0.39944E-06-0.13989E-06-0.36037E-06 0.55587E-06 5 0.42305E-06-0.21062E-06-0.35370E-06 0.59028E-06 6 0.27766E-06 0.31157E-06-0.24268E-06 0.48277E-06 7 0.33489E-06 0.25524E-07-0.28620E-06 0.44126E-06 8 0.31947E-06 0.32000E-07-0.23196E-06 0.39610E-06 9 0.30296E-06 0.36987E-07-0.19822E-06 0.36393E-06 10 0.28444E-06 0.42591E-07-0.17319E-06 0.33573E-06 11 0.26757E-06 0.44536E-07-0.15898E-06 0.31441E-06 12 0.25158E-06 0.46516E-07-0.14853E-06 0.29584E-06 13 0.23855E-06 0.49069E-07-0.14055E-06 0.28119E-06 14 0.22752E-06 0.51807E-07-0.13507E-06 0.26962E-06 15 0.21844E-06 0.54419E-07-0.13205E-06 0.26098E-06 16 0.21123E-06 0.57402E-07-0.13038E-06 0.25478E-06 17 0.20672E-06 0.61645E-07-0.12929E-06 0.25150E-06 18 0.20406E-06 0.67244E-07-0.12943E-06 0.25083E-06 19 0.20340E-06 0.75784E-07-0.13095E-06 0.25350E-06 20 0.20437E-06 0.86059E-07-0.13366E-06 0.25892E-06 21 0.20830E-06 0.99518E-07-0.13652E-06 0.26820E-06 22 0.21560E-06 0.11669E-06-0.14098E-06 0.28280E-06 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 131 23 0.22504E-06 0.14633E-06-0.15480E-06 0.30986E-06 24 0.23779E-06 0.18062E-06-0.17275E-06 0.34498E-06 25 0.25933E-06 0.22947E-06-0.20440E-06 0.40210E-06 26 0.17089E-06 0.16100E-06-0.29331E-06 0.37571E-06 27 0.24865E-06 0.26504E-06-0.25958E-06 0.44660E-06 28 0.22366E-06 0.22769E-06-0.27185E-06 0.41925E-06 29 0.19870E-06 0.19402E-06-0.28358E-06 0.39692E-06 30 0.18590E-06 0.86015E-07-0.22625E-06 0.30520E-06 31 0.19971E-06 0.47430E-07-0.18267E-06 0.27478E-06 32 0.20313E-06 0.23509E-07-0.15918E-06 0.25914E-06 33 0.20244E-06 0.32868E-08-0.14352E-06 0.24817E-06 34 0.20219E-06-0.97174E-08-0.13859E-06 0.24532E-06 35 0.20184E-06-0.20909E-07-0.13668E-06 0.24466E-06 36 0.20315E-06-0.30905E-07-0.13700E-06 0.24697E-06 37 0.20580E-06-0.39687E-07-0.13953E-06 0.25179E-06 38 0.21011E-06-0.47443E-07-0.14402E-06 0.25911E-06 39 0.21613E-06-0.54725E-07-0.15001E-06 0.26872E-06 40 0.22487E-06-0.62319E-07-0.15726E-06 0.28139E-06 41 0.23575E-06-0.70319E-07-0.16611E-06 0.29684E-06 42 0.24921E-06-0.81010E-07-0.17632E-06 0.31584E-06 43 0.26504E-06-0.92600E-07-0.18811E-06 0.33795E-06 44 0.28529E-06-0.10687E-06-0.20145E-06 0.36523E-06 45 0.30950E-06-0.12378E-06-0.21701E-06 0.39775E-06 46 0.33710E-06-0.15117E-06-0.24076E-06 0.44097E-06 47 0.36829E-06-0.18082E-06-0.26808E-06 0.49010E-06 48 0.41152E-06-0.22331E-06-0.30679E-06 0.55976E-06 49 0.36708E-06-0.84511E-07-0.28031E-06 0.46954E-06 50 0.22293E-06 0.13956E-06-0.19899E-06 0.32981E-06 51 0.22343E-06 0.12458E-06-0.17564E-06 0.31030E-06 52 0.23062E-06 0.19048E-06-0.23266E-06 0.37894E-06 53 0.23857E-06 0.17186E-06-0.17907E-06 0.34426E-06 54 0.25355E-06 0.22374E-06-0.21873E-06 0.40273E-06 55 0.21581E-06 0.10115E-06-0.17393E-06 0.29506E-06 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 132 56 0.20383E-06 0.80909E-07-0.18943E-06 0.28979E-06 57 0.21805E-06 0.16191E-06-0.23020E-06 0.35603E-06 58 0.19553E-06 0.12851E-06-0.23936E-06 0.33472E-06 59 0.34168E-06-0.52344E-07-0.24456E-06 0.42343E-06 60 0.33569E-06-0.52291E-08-0.25484E-06 0.42149E-06 61 0.37767E-06-0.84390E-07-0.31373E-06 0.49818E-06 62 0.35784E-06-0.21013E-07-0.31634E-06 0.47808E-06 63 0.35133E-06-0.88483E-07-0.25139E-06 0.44097E-06 64 0.39032E-06-0.12890E-06-0.32012E-06 0.52100E-06 65 0.37592E-06-0.15291E-06-0.26864E-06 0.48669E-06 66 0.41375E-06-0.19234E-06-0.31462E-06 0.55423E-06 67 0.30055E-06-0.43127E-07-0.19751E-06 0.36222E-06 68 0.25937E-06-0.23231E-07-0.16668E-06 0.30919E-06 69 0.23153E-06-0.95417E-08-0.14914E-06 0.27557E-06 70 0.21363E-06 0.19599E-08-0.13858E-06 0.25465E-06 71 0.20487E-06 0.15053E-07-0.13300E-06 0.24472E-06 72 0.20367E-06 0.34158E-07-0.13326E-06 0.24578E-06 73 0.20995E-06 0.66096E-07-0.14395E-06 0.26300E-06 74 0.20873E-06 0.69963E-07-0.16746E-06 0.27660E-06 75 0.20747E-06 0.46435E-07-0.15026E-06 0.26035E-06 76 0.20437E-06 0.26525E-07-0.14017E-06 0.24924E-06 77 0.20291E-06 0.12990E-07-0.13630E-06 0.24479E-06 78 0.20253E-06 0.15910E-08-0.13464E-06 0.24321E-06 79 0.20380E-06-0.77837E-08-0.13517E-06 0.24468E-06 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ._.