Nghiên cứu và tính toán các hiện tượng khí động đàn hồi cánh máy bay

nào thực sự thoát khỏi sự ảnh hưởng của hiện tượng flottement. Khí động đàn hồi đóng một vai trò rất quan trọng trong trong thiết kế máy bay. Việc đưa vào các cánh mỏng, các tấm ổn định ngang, các tấm ổn định dọc và đuôi chữ T làm gia tăng khả năng xảy ra các hiện tương flottement trong giới hạn bay mong muốn. Các máy bay ngày nay cần được trải qua các phân tích, nghiên cứu khí động đàn hồi rất phức tạp để đảm bảo rằng máy bay sẽ không bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng khí động đàn hồi trong giới hạn bay theo thiết kế. Những kết quả phân tích này thường được kiểm chứng bới các thử nghiệm với các mô hình trong ống khí động đàn hồi (wind-tunnel) và các thử nghiệm dao động tại mặt đất. Sau đó, các thử nghiệm bay sẽ kiểm chứng sự ổn định của máy bay lần cuối trước khí đưa vào khai thác. Trong thời kỳ đầu của ngành hàng không, không có một mẫu thử nghiệm hiện tượng flottement dạng full-scale nào được đưa ra. Máy bay chỉ đơn giản bay gần tới vận tốc lớn nhất của nó để chứng minh sự ổn định khí động đàn hồi của nó. Mẫu thử nghiệm hiện tượng khí động đàn hồi đầu tiên được đưa ra bởi Van Schlippe vào năm 1935 ở nước Đức. Phương pháp của ông là cho máy bay dao động ở gần tần số cộng hưởng với vận tốc tăng dần và vẽ đồ thị biên độ dao động phụ thuộc vào vận tốc. Hiện tượng flottement sẽ xảy ra tại vị trí tiệm cận với đồ thị. Phương pháp này được áp dụng thành công với một vài máy bay của Đức cho đến khi chiếc Junkers JU90 bị flottement và bị phá hủy khi đang thử nghiệm năm 1938. Các thử nghiệm flottement ban đầu phải đối mặt với sự thiếu hụt các trang thiết bị, các phương pháp kích động và thiếu các kỹ thuật xác định sự ổn định. Nhưng hàng loạt các cải tiến về kỹ thuật, các trang thiết bị và phương pháp phân tích dữ liệu kết quả đã được đưa ra. Tuy vậy, các thử nghiệm flottement vẫn rất nguy hiểm vì một vài lý do sau. Thứ nhất, vẫn phải bay gần với vận tốc flottement trước khi sự mất ổn định sắp xảy ra được phát hiện. Thứ hia, các xu hướng tới hạn không thể ngoại suy một cách chính xác để dự đoán sự ổn định ở tốc độ cao hơn. Thứ ba, tính ổn định khí động học có thể bị thay đổi ngay lập tức chỉ với sự thay đổi vài knots của vận tốc. Dưới đây giới thiệu tổng quan sự phát triển của quá trình nghiên cứu hiện tượng flottement bao gồm cả lịch sử các vụ tai nạn do hiện tượng flottement. Sự phát triển của hệ thống kích thích, các trang thiết bị và các phương pháp xác định tính ổn định cũng được giới thiệu vì nó gắn liền với các phương pháp thử nghiệm, nghiên cứu hiện tượng flottement. 1.2. Lịch sử hiện tượng flottement uốn-xoắn cánh Vụ tai nạn do hiện tượng flottement được ghi nhận lần đầu tiên xảy ra với máy bay ném bom hai tầng cánh, hai động cơ Handley Page O/400 vào năm 1916. Cơ chế của hiện tượng flottement bao gồm sự kết hợp của sự xoắn thân với sự quay không đối xứng của các cánh tà. Các cánh tà của chiếc máy bay này được điều khiển một cách độc lập. Giải pháp của vấn đề này là kết nối các cánh tà với các ống xoắn. Hiện tượng flottement xảy ra với các mặt điều khiển bắt đầu trong chiến tranh thế giới thứ nhất. Các hiện tượng flottement có sự tham gia đồng thời của cánh và cánh liệng xuất hiện rất nhiều trong thời gian này. Von Bamhauer và Koning đưa ra cách sử dụng các trọng lượng cân bằng bên cạnh các bản lề của các mặt điều khiển để đề phòng các hiện tượng flottement loại này. Mặc dù sau đó vẫn xảy ra một vài sự cố flottement nhẹ, tuy nhiên chúng thường được loại trừ bằng cách tăng các trọng lượng cân bằng của các mặt điều khiển. Sau chiến tranh thế giới thứ nhất, vận tốc cao hơn và sự đổi chỗ của loại máy bay một tầng cánh có các dầm ở trong thay cho các loại máy bay hai tầng cánh với dây cáp treo ở ngoài dẫn đến nhiều vụ tai nạn do hiện tượng flottement ở cánh hơn. Air racer đã chịu rất nhiều tai nạn do flottement từ giữa thập niện 1920 đến giữa thập niên 1930 khi cố gắng vượt qua các giới hạn về tốc độ. Một dạng flottement khác xảy ra trong những năm 1930 đó là hiện tượng flottement có sự tham gia của các servo tab. Collar đã dự đoán dạng flottement này sẽ xảy ra trong những năm tới. Dự đoán này đã đúng. Trong 9 năm từ 1947 đến 1956, 11 trường hợp tai nạn máy bay do tab flottement đã xảy ra với các máy bay quân sự. Thậm chí ngày nay, dạng flottement này vẫn còn là một vấn đề. Năm 1986, chiếc máy bay luyện tập T-46A đã gặp phải hiện tượng flottement với cánh liệng khi đang tiến hành bay thử nghiệm. Các cánh liệng này vẫy lên, vẫy xuống tự do và được điều khiển bởi các tấm tabs ở mép trước của cánh liệng. II. Phân loại và bản chất chung của các hiện tượng Khí động đàn hồi Dựa vào sự tác động đồng thời của các lực mà ta có các nhóm các hiện tượng Khí động đàn hồi khác nhau. Khí động đàn hồi Khí động đàn hồi tĩnh Khí động đàn hồi động 2.1. Các hiện tượng Khí động đàn hồi tĩnh Các hiện tượng Khí động đàn hồi tĩnh là các hiện tượng Khí động đàn hồi có sự tham gia của lực khí động, lực đàn hồi (không có sự tham gia của lực quán tính ..). Đặc trưng chung của các hiện tượng này là biến dạng một chiều. Trong nhóm các hiện tượng Khí động đàn hồi tĩnh, có các hiện tượng đặc trưng sau: Ø Thay đổi phân bố lực nâng do biến dạng Do biến dạng kết cấu làm thay đổi giá trị và sự phân bố lực này. Giá trị này khác với giá trị tính toán với kết cấu cứng tuyệt đối. Ø Xoắn phá hủy cánh. Do cánh không đủ độ cứng nên trước tác dụng của lực khí động kết cấu bị biến dạng, biến dạng kết cấu làm tăng góc tấn cánh, do lực khí động phụ thuộc góc tấn nên khi góc tấn tăng làm tăng thêm lực khí động. Cứ như vậy đến một tốc độ bay nào đó gọi là tốc độ tới hạn của hiện tượng thì độ bền, độ cứng của kết cấu không còn khả năng chống lại hiện tượng xoắn cánh nữa; lúc đó kết cấu bị phá hủy (có thể nói góc xoắn lớn đến vô cùng). Ø Giảm hiệu quả điều khiển. Do biến dạng của phần kết cấu treo các cánh lái (phần kết cấu treo cánh không đủ cứng). nên khi lệch cánh lái, lực khí động xuất hiện làm biến dạng kết cấu, sự biến dạng này làm giảm hiệu quả làm việc của cánh lái. Ø Đảo chiều tác dụng của cánh lái (Reverse) Do kết cấu vùng treo của cánh lái không đủ cứng nên khi lệch cánh lái, cánh biến dạng, làm giảm lực điều khiển của các cánh lái, tốc độ bay càng tăng biến dạng kết cấu càng lớn, hiệu quả điều khiển của các cánh lái càng giảm (đặc biệt là cánh liệng). Đến một tốc độ nào đó gọi là tốc độ tới hạn của hiện tượng đảo chiều tác dụng của cánh lái, hiệu quả làm việc của cánh lái sẽ bằng không, nếu tốc độ bay vượt qua tốc độ tới hạn đó, tác dụng điều khiển của các cánh lái sẽ ngược lại. 2.2. Các hiện tượng Khí động đàn hồi động Các hiện tượng Khí động đàn hồi động là các hiện tượng Khí động đàn hồi có sự tham gia đồng thời của ba lực, lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính, được gọi là. Đặc trưng chung của các hiện tượng này là dao động. Trong nhóm các hiện tượng Khí động đàn hồi động, có các hiện tượng đặc trưng sau: Ø Hiện tượng flottement (hiện tượng rung, lắc kết cấu uốn xoắn cánh), bản chất của hiện tượng này là dao động điều hòa tự kích của một thành phần kết cấu nào đó khi có sự tham gia đồng thời của ba lực (lực đàn hồi, lực khí động và lực quán tính). Trong dao động kết cấu xuất hiện lực cản dao động và lực kích thích dao động của kết cấu, tốc độ bay càng tăng thì lực kích thích duy trì dao động càng lớn, đến một tốc độ nào đó gọi là tốc độ tới hạn, dao động kết cấu có biên độ không đổi. Nếu tốc độ bay lớn hơn tốc độ tới hạn đó, kết cấu bị phá hủy. Có các loại flottement sau: - Flottement uốn - xoắn cánh hoặc đuôi (chưa có sự tham gia của cánh lái). - Flottement uốn (cánh, đuôi) cùng với sự tham gia của các cánh lái.(Dạng flottement này chỉ xảy ra khi các cánh lái không được cân bằng tuyệt đối. - Các loại flottement khác Ø Hiện tượng Bafting Là hiện tượng rung lắc một thành phần kết cấu nào đó (hường là đuôi máy bay). Bản chất của hiện tượng này là dao động cưỡng bức kết cấu, do xoáy của dòng khí bị đứt dòng khi chảy qua các thành phần kết cấu ở phần trước tác dụng khi tần số của các xoáy (đóng vai trò tần số của lực kích thích) trùng với tần số dao động riêng của phần kết cấu nào đó của máy bay sẽ sinh ra cộng hưởng và do vậy mà kết cấu bị phá hủy. Ø Hiện tượng phản ứng động lực Hiện tượng xuất hiện khi có tác dụng đồng thời của ba lực lên kết cấu và khi bay qua dòng nhiễu động (thường tác động xung hay theo chu kỳ) hoặc do xung va chạm khi máy bay tiếp đất hạ cánh. Do tác dụng như vậy mà có thể xuất hiện quá tải quá lớn gây phá hủy kết cấu. III. Các khái niệm cơ bản của Khí động học 3.1. Các đặc trưng của cánh và profil cánh Profil: là thiết diện giao giữa cánh mà mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng của máy bay. Thông thường mỗi profil được tạo thành từ ba đường cong chính: đường nhân, đường lưng và đường bụng. c: độ dài dây cung. t: độ dày lớn nhất của profil. f: độ vồng lớn nhất của profil. b: sải cánh là khoảng cách giữa hai đầu cánh máy bay. S: diện tích tham chiếu. : độ dài dây cung tham chiếu. : hệ số dãn dài của cánh. : Góc mũi tên cánh 3.2. Các hệ trục tọa độ Hai hệ trục tọa độ thường được sử dụng trong khí động đàn hồi là: Hệ trục tọa độ khí động: trong đó cùng chiều với vận tốc dòng chất lưu . Hệ trục tọa độ gắn với máy bay: với trùng với trục dọc của máy bay. Đối với dòng hai chiều thì . Góc tới 3.3. Tải khí động Phân bố lực nâng trên profil Toocs sơ khí động Phân bố lực nâng trên profil có dạng như trên hình vẽ. Tuy nhiên, trong nghiên cứu các hiện tượng Khí động đàn hồi người ta quy đổi phân bố trên về toóc sơ lực khí động tương đương gồm một mômen xoắn và lực nâng tổng hợp. 3.4. Các hệ số khí động ảnh hưởng của góc tấn tới các hệ số khí động a) Định nghĩa Hệ số lực nâng: trong đó là lực nâng, Hệ số lực cản: trong đó là lực cản. Hệ số mômen xoắn tại Q: trong đó là mômen xoắn tại Q. b) Ảnh hưởng của góc tới (khi góc lệch cánh liệng ). Xét đối với dòng khí lý tưởng, không nén được, theo lý thuyết tuyến tính khi góc tới nhỏ () ta có: với Với tấm phẳng thì: với : Khi tăng thì giảm. là giá trị của khi , phụ thuộc vào đường nhân của profil đối với những profil thông thường. đối với những profil đối xứng. c) Ảnh hưởng của góc tới và góc lệch cánh liệng Khi góc tới và góc lệch cánh liệng là nhỏ, biến đổi tuyến tính: với Ta thấy lực nâng tăng theo , đây là tác dụng của cánh liệng. với Khi góc tới và góc lệch cánh liệng tăng thì mômen đối với mép vào của profil giảm. 3.5. Các điểm quan trọng của profil cánh a) Điểm đặt toóc sơ khí động Toóc sơ khí động tại mép vào A: Toóc sơ khí động tại Q: Trong đó: Giả thiết: Thay: b) Tâm áp P Tâm áp P là điểm mà tại đó mômen khí động triệt tiêu, khi đó toóc sơ khí động tại P chỉ gồm lực nâng tổng hợp (khi bỏ qua lực cản) đặt tại P. Từ công thức trên ta suy ra được vị trí của tâm áp: Tâm áp là điểm ít được quan tâm trong khí động đàn hồi vì vị trí của nó thay đổi theo góc tới và góc lệch cánh liệng. c) Tâm khí động F Tâm khí động F là điểm mà tại đó mômen xoắn, tức hệ số mômen xoắn là không phụ thuộc vào góc tới . Ta có: và khi : Vậy: và Chú ý: vì Dòng dưới âm: tâm khí động ở vị trí ¼ dây cung. Dòng trên âm: tâm khí động ở chính giữa dây cung. PHẦN II: NGHIÊN CỨU CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI I. Các hiện tượng khí động đàn hồi tĩnh Trong nhóm các hiện tượng Khí động đàn hồi tĩnh, có các hiện tượng đặc trưng sau: Thay đổi phân bố lực nâng do biến dạng Xoắn phá hủy cánh. Giảm hiệu quả điều khiển Đảo chiều tác dụng của cánh lái (Reverse) Trong khuôn khổ đồ án này, có sử dụng phương pháp giải tích nghiên cứu các hiện tượng Khí động đàn hồi tĩnh thông qua “tiết diện mô hình”, bài toán hai chiều. 1.1. Mô hình hóa cấu trúc và tải khí động Kết cấu được mô hình hóa thông qua “tiết diện mô hình”. - Tiết diện mô hình là mặt cắt của cánh khi bị cắt bằng mặt phẳng song song với trục đối xứng của máy bay. Dựa vào tiết diện mô hình ta có thể phần nào nghiên cứu các hiện tượng khí động đàn hồi thông qua các phương trình đơn giản. Độ bền kết cấu được mô hình hóa bởi lò xo có độ cứng K. Độ cứng của lò xo chính là độ cứng chống xoắn của “tiết diện mô hình” Tải khí động ở đây được thu gọn về toóc sơ khí động gồm: lực nâng và mômen xoắn đặt tại tiêu điểm F(tâm khí động). 1.2. Hiện tượng xoắn phá hủy “tiết diện mô hình” 1.2.1 Phương trình cân bằng Viết phương trình cân bằng mômen đối với trục ta có: (Mômen của lực cản bằng 0). Trong đó và là áp suất động. Ở đây ta sử dụng giả thiết hệ số lực nâng là hàm bậc nhất của góc tới ; ở đó phương trình mômen: (1) Góc xoắn θ: (2) Ở đây ta lại đưa vào khái niệm độ cứng khí động : (3) Độ cứng kết cấu của cánh bị giảm bớt bởi thành phần độ cứng khí động Độ cứng khí động khi xoắn tỉ lệ với bình phương vận tốc và tỉ lệ với diện tích cánh. Ảnh hưởng hình học tớilà bậc 3( khi các kích thước tăng k lần thì tăng lên lần). * Biện luận : Từ biểu thức góc xoắn (2) ta thấy : Khi sẽ không có nguy cơ xoắn phá hủy tiết diện mô hình. Khi , tức là khi tâm khí động F nằm trước tâm xoắn C và độ cứng khí động là âm thì tiết diện mô hình sẽ có nguy cơ bị xoắn phá hủy. 1.2.2. Vận tốc và áp suất động khi xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh. Khi , độ cứng tổng có thể bằng 0 và khi đó θ tăng không xác định( vô hạn). Sẽ xuất hiện sự mất ổn định khi . (4) (5) 1.2.3. Nhận xét Vd độc lập với Cm0 và α0. Khi độ cao tăng, khối lượng riêng giảm và vận tốc ở đó xảy ra mất ổn định tăng và khả năng xảy ra mất ổn định giảm. Khi θ rất lớn, không xác định thì các giả thiết về cơ học và khí động tuyến tính sẽ không còn đúng nữa. Biểu thức (5) đưa ra một sự gần đúng mà ở đó xuất hiện sự mất ổn định tĩnh, trong khi sự thay đổi của θ theo hàm của vận tốc ở lân cận sự mất ổn định theo biểu thức (2) không còn chính xác. Đây là một hạn chế của phương pháp. Các biện pháp hạn chế sự mất ổn định. Tăng độ cứng kết cấu K (ví dụ: 2 tầng cánh, nhưng lại dẫn đến khối lượng và chi phí tăng). Giảm bằng cách di chuyển nhiều nhất có thể được trục đàn hồi về phía trước. Nếu tâm xoắn ở trước tiêu điểm (), sẽ không xuất hiện hiện tượng mất ổn định. 1.2.4. Sự biến thiên của góc xoắn θ theo áp suất động q. - Khi bỏ qua Cm0 và theo công thức (4), phương trình (2) có thể viết: (6). : góc tới ban đầu. - Tại giá trị , góc xoắn θ gần bằng góc tấn ban đầu α0 và góc tấn sẽ có giá trị lớn gấp 2 lần so với nó khi cánh được coi là có độ cứng lí tưởng. 1.2.5. Số Mach khi xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh. Trong phần này tính đến sự nén được của không khí. Ta sẽ tìm giá trị của số Mach khi xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh. a) Nhắc lại: vận tốc âm thanh. Đó là vận tốc lan truyền dao động nhỏ của áp suất. Đối với chất lỏng không nén được: vận tốc âm thanh không xác định. Đối với chất lỏng nén được: = Khi quá trình là đoạn nhiệt: = với = =1,4. (7) Trong đó : r = 287 Jkg –1C –1 và T là nhiệt độ tuyệt đối. Số Mach: . Dòng không nén được: M < 0,5. Dòng dưới âm nén được: 0,5 < M < 0,8. Dòng quá độ âm: 0,8 < M < 1,2. Dòng trên âm: 1,2 < M < 5. Dòng siêu âm: 5 < M. b) Số Mach khi xảy ra sự mất ổn định với dòng dưới âm nén được. Theo lý thuyết tuyến tính về cánh 3 chiều của Prandtl và Glanert ta có: (8) Đối với tấm phẳng: Trong chế độ dòng dưới âm tiêu điểm F nằm ở vị trí 1/4 dây cung. Theo những kết quả trước đây: tiêu điểm nằm ở 1/4 dây cung và nếu tâm xoắn nằm trước tiêu điểm thì sẽ không xảy ra sự mất ổn định. Nếu tâm xoắn nằm sau tiêu điểm chính , áp suất động theo công thức (4) của sự mất ổn định có thể viết: = . Với và . Suy ra Đồng hoá 2 biểu thức trước đây của và bình phương nó lên, ta được: với Do nên phương trình trên luôn có hai nghiệm trái dấu. Ta chỉ lấy giá trị nghiệm : (9) c) Số Mach khi xuất hiện sự mất ổn định của dòng trên âm. Với tấm phẳng trong dòng 2 chiều, lý tưởng, góc tấn nhỏ ta có: (10) Đối với dòng trên âm thì tâm khí động F nằm ở chính giữa dây cung và không có sự mất ổn định nếu tâm xoắn nằm trước tiêu điểm chính. Khi tâm xoắn nằm trước tiêu điểm chính, làm tương tự như phần b, ta có: với Do nên phương trình trên luôn có hai nghiệm dương cùng dấu nếu ( khoảng cách giữa tâm xoắn và tâm khí động e đủ nhỏ để có ). Sự mất ổn định xảy ra trong khoảng giữa 2 nghiệm đó. (11) Nhận xét: khoảng cách giữa tâm xoắn và tiêu điểm chính giảm từ dưới âm đến trên âm, hiện tượng mất ổn định là vấn đề đáng quan tâm nhất là với vận tốc dưới âm. Với dòng quá độ âm, giá trị và vị trí của tiêu điểm chính F phụ thuộc vào số Mach. Tính toán số Mach khi xuất hiện hiện tượng mất ổn định sẽ được thực hiện bằng phương pháp lặp. 1.3. Hiện tượng đảo chiều tác dụng cánh lái của “tiết diện mô hình” Tác dụng của cánh liệng là tạo ra mômen chúc ngóc. 1.3.1. Giới thiệu Hiện tượng này không thuộc về vấn đề mất ổn định nhưng liên quan đến hiệu suất: do cánh và cánh liệng không cứng hoàn toàn sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển. Ví dụ: Khi cánh liệng bên phải cụp xuống sẽ làm lực nâng ở cánh bên phải tăng > 0 sinh ra một mômen chúc ngóc làm cho cánh bên phải được nâng cao lên (mục đích mong muốn). Đồng thời, sự cụp cánh liệng bên phải cũng sinh ra một mômen dọc trục làm xoắn mũi cánh xuống dưới (nếu <0 ). Điều này làm góc tấn giảm và do đó giới hạn sự tăng lực nâng cần thiết.(lực nâng sẽ không tăng đủ một lượng như mong muốn). Ngoài ra, mômen do lực khí động làm xoắn cánh (moment de tangage) phụ thuộc vào vận tốc trong khi đó mômen xoắn do lực đàn hồi sinh ra (cân bằng với mômen xoắn của lực khí động) thì không phụ thuộc vào vận tốc. Do đó khi tốc độ máy bay tăng thì hiện tượng giảm tác dụng điều khiển của cánh liệng càng rõ ràng. Đến một giá trị vận tốc giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều tác dụng của cánh lái (Reverse). 1.3.2. Mô hình hóa kết cấu và lực khí động Kết cấu trong phần này được mô hình hóa là “tiết diện mô hình” có thêm phần cánh lái. Ta sẽ đi nghiên cứu hiện tượng bằng phương pháp giải tích trong bài toán hai chiều, giả thiết lực khí động phụ thuộc tuyến tính vào góc tấn. Độ bền của kết cấu được mô hình hóa bằng một lò xo xoắn có độ cứng K. Độ cứng của lò xo chính là độ cứng chống xoắn của kết cấu. Lực khí động được mô hình hóa thông qua toóc sơ khí động: Ø Toóc sơ khí động trên cánh: lực nâng và mômen xoắn đặt tại tâm khí động F Ø Toóc sơ khí động trên cánh lái: lực nâng và mômen xoắn đặt tại tâm khí động phụ F’. Ta chuyển toóc sơ khí động trên cánh lái thành một toóc sơ tương đương đặt tại F. Như vậy ta sẽ mô hình hóa lực khí động trong phần này thành một toóc sơ khí động đặt tại tâm khí động F gồm: lực nâng và mômen xoắn . 1.3.3. Phương trình cân bằng Trạng thái ban đầu: góc tấn , góc lệch cánh liệng , góc xoắn . Khi đó phương trình cân bằng mômen đối với trục là: Khi góc của cánh liệng là δ không đổi, góc xoắn bằng θ và góc tới thì phương trình cân bằng mômen là: là hệ số mômen đối với tiêu điểm, giá trị này không phụ thuộc vào góc tới . Góc xoắn: Trừ vế với vế hai phương trình ta được: . Phương trình trên cho thấy mômen xoắn cân bằng với độ biến thiên của mômen dọc trục và mômen do sự biến thiên lực nâng do ảnh hưởng của cánh liệng. (12) với . Nhận xét: Cho mẫu số của biểu thức (12) bằng không ta thấy: vận tốc của hiện tượng xoắn phá hủy cánh không phụ thuộc vào góc lệch cánh liệng. 1.3.4. Sự thay đổi của lực nâng với θ được xác định từ công thức (12). Suy ra (13) Biến thiên lực nâng tỉ lệ với δ. 1.3.5. Vận tốc và áp suất động khi xảy ra hiện tượng đảo chiều tác dụng điều khiển của cánh liệng Do > 0 và > 0 nên lực nâng tăng cùng với góc tới và góc lệch cánh liệng. Tuy nhiên nếu mômen dọc trục đối với tiêu điểm F giảm theo δ( ), sự tăng lực nâng có thể giảm dần về 0 và đổi dấu khi đó xảy ra hiện tượng đảo chiều tác dụng điều khiển của cánh liệng. (14) (15) Nhận xét: Khi có sự đảo chiều hiệu quả cánh liệng = q.S sự tăng lực nâng do cánh liệng tạo ra sẽ bị triệt bởi sự giảm lực nâng do xoắn cánh. Tức là dù lực nâng tăng do góc lệch cánh liệng tăng nhưng do xoắn cánh góc tới giảm nên lực nâng lại giảm một lượng đúng như vậy. Với V > Vinv, khi cánh liệng cụp xuống sẽ làm cho lực nâng giảm: Cánh sẽ xuống thấp thay vì phải lên cao theo điều khiển của phi công. Từ biểu thức (15) ta thấy Vinv không phụ thuộc . Trong thực tế có phụ thuộc vào e nhưng rất nhỏ (lý thuyết 3D). 1.3.6. Hiệu quả của cánh liệng Cánh cứng: khi góc lệnh cánh liệng thay đổi một lượng thì lực nâng thay đổi một lượng . Hiệu suất của cánh liệng: Suy ra: Nhận xét: Nếu , . Sự thay đổi mômen dọc trục và mômen do sự thay đổi lực nâng sẽ tự triệt tiêu với mọi giá trị vận tốc. Nên hiệu suất của cánh liệng bằng 1 với mọi V. Nếu suy ra khi đó hiệu suất sẽ nhỏ hơn 1. Ví dụ: Nếu sự tăng lực nâng lớn hơn khi cánh cứng tuyệt đối. Ví dụ: 1.4. Sự mất ổn định của cánh phẳng có sải cánh lớn. 1.4.1. Mô hình hóa kết cấu Cánh có sải b/2 và lớn hơn rất nhiều so với chiều dày cánh (dòng 2D). Cánh phẳng và không có góc mũi tên: trục đàn hồi vuông góc với thân. Giống như tiết diện mô hình, xoắn và uốn độc lập với nhau: cân bằng của cánh khi bị xoắn sẽ tạo ra tải khí động mà chúng ta sẽ sử dụng sau đó để tính toán cánh bị uốn. Ở đây ta bỏ qua ảnh hưởng của khối lượng. 1.4.2. Phương trình mômen Nghiên cứu một lát cánh có chiều rộng dy. Các đại lượng: Ø : là góc quay của mặt cắt tại tọa độ y quanh trục đàn hồi . Ø : là độ cứng chống xoắn của mặt cắt này. Ø : là mômen xoắn mà tiết diện này phải chịu và ta có: Ø : là mômen khí động trên một đơn vị dài xung quanh trục đàn hồi và tại tung độ y. Tổng mômen khí động quanh trục đàn hồi của lát cánh là: . Phương trình cân bằng mômen: (1) Với điều kiện biên: Ø Tại gốc cánh : Ø Tại mút cánh : 1.4.2. Biểu thức với : phương pháp lát cánh Ta giả thiết rằng, mỗi lát cánh sẽ ứng xử độc lập với các lát cánh kề với nó, lực nâng và mômen dọc trục đối với trục y chỉ phụ thuộc vào góc tới cục bộ α(y) và dòng chất lỏng là giống hệt với dòng chất lỏng chảy hai chiều xung quanh cánh có sải cánh vô hạn có cùng góc tới như trên. Hệ số lực nâng của lát cánh theo y: Hệ số mômen đối với tâm khí động F của lát cánh theo y: Lực nâng trên một đơn vị sải cánh: ở đó: Mômen đối với F trên một đơn vị sải cánh: với không phụ thuộc vào góc tấn vì F là tiêu điểm. Ta xác định mômen khí động của một đơn vị sải cánh đối với tâm xoắn C của mặt cắt: Mômen khí động của một đơn vị sải cánh đối với tâm xoắn C là: (2) với c, e, Cm0, , α0, θ là những hàm của y Phương trình vi phân đối với góc xoắn θ thu được bằng cách thay (2) vào (1): (3) Nghiên cứu phương trình này, đối với cánh có đặc tính đồng nhất, trong những phần tiếp theo ta sẽ thực các công việc sau: trong phần 4.3 phương trình (3) sẽ được tích phân theo cách cổ điển và nghiệm này được so sánh với nghiệm theo phương pháp tiết diện mô hình. Trong phần 4.4 phương trình (3) được tích phân trên cơ sở những hàm riêng của nó. 1.4.3. So sánh với tiết diện mô hình Tất cả các đặc tính khí động đàn hồi của cánh (c, e, Cm0, , α0, GJ) không phụ thuộc vào y. Ta đưa vào khái niệm biến không thứ nguyên: = Phương trình (3) có thể viết: Ta đưa về dạng thu gọn: (4) Với (5) và (6) Dạng tổng quát của nghiệm phương trình (4). Sử dụng điều kiện biên ta có: suy ra: suy ra . Nên vì nếu thì do đó , đó là nghiệm tầm thường. Ta thu được: (7) Điều kiện xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh. Sẽ xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh nếu θ tiến đến vô cùng lớn. Từ biểu thức (7) ta thấy điều này xảy ra khi tan = , tức là cos = 0 hay . Vậy:== đưa ra giá trị bé nhất của áp suất động mà dẫn đến hiện tượng xoắn phá hủy cánh: (8) Ta sẽ nhận thấy rằng áp suất động của sự mất ổn định không phụ thuộc vào góc tới ban đầu và hệ số mômen dọc trục , bởi vì không xuất hiện trong công thức (8). Công thức (4) của phần 2.3 theo phương pháp tiết diện mô hình có thể viết: với . So sánh với công thức (8) của phần này ta tính được độ cứng chống xoắn của tiết diện mô hình là: Xác định GJ của cánh đồng nhất bằng thực nghiệm không phức tạp lắm: ta đặt một mômen tập trung với độ lớn vào một điểm có tung độ và đo góc xoắn tương ứng , từ công thức: ta xác định được giá trị của GJ (chọn giá trị của tuỳ thuộc vào từng trường hợp riêng). Nhận xét: Đối với cánh không đồng nhất, và tất cả những cánh có sải cánh lớn, ta giải thích và chứng minh bằng thực nghiệm rằng có thể thu được những dự đoán về điều kiện mất ổn định khi thực hiện như sau: ta đặt một mômen tập trung có độ lớn ở (ở 75% sải cánh tính từ gốc cánh). Từ đó xác định sau đó xác định K và . 1.4.4. Phương pháp giải dựa trên cơ sở về hàm riêng Thông thường đối với cánh đồng nhất, ta tìm cách giải phương trình (4) theo một cách khác. Giá trị riêng và hàm riêng (trong trường hợp và ). Ta tìm nghiệm của phương trình (4) sử dụng những thành phần thoả mãn điều kiện biên trong trường hợp và ( và = 0). Khi đó: với và . Nên: . Suy ra và . Nếu hoặc cùng với ta sẽ có nghiệm tầm thường . Nếu tìm được một tập hợp các nghiệm không tầm thường mà ta gọi là trị riêng. Đối với cánh đồng nhất bị ngàm ở gốc cánh và tự do ở mút cánh ta có: Các giá trị riêng: và các hàm riêng (9) với Trực giao của hàm riêng φi. Ta có thể kiểm tra được rằng: (10) với nếu và nếu . Nghiệm trong trường hợp tổng quát. Tìm nghiệm của phương trình (4): dưới dạng tổ hợp tuyến tính của những hàm riêng : Sự tổ hợp này được thoả mãn điều kiện biên, những ẩn số ở đây là những hệ số . Thay công thức của θ vào phương trình (4) ta có: Với trong trường hợp là các hàm riêng. Nên Sử dụng tính chất trực giao của hàm riêng, sau khi nhân cả 2 vế với , lấy tích phân trong đoạn [0, 1]: Ta thu được: Nghiệm của phương trình là: với (11) Và , , , Điều kiện mất ổn định: xảy ra mất ổn định nếu θ và một trong những hệ số lớn vô hạn. Giá trị nhỏ nhất của q và của làm cho hệ số lớn vô hạn là . Và ta tìm lại được điều kiện mất ổn định là : Cánh không đồng nhất. Trong một số trường hợp đặc biệt, việc xác định những hàm riêng phải giải phương trình (3) là rất phức tạp Tuy nhiên ý tưởng phát triển lời giải dựa trên cơ sở về hàm thích hợp mà ta chọn, làm thành cơ sơ của phương pháp “modale”: ta cũng tìm được biểu thức gần đúng với nghiệm của bài toán đặt ra. Kết luận: thực trạng và các biện pháp phòng ngừa. Những mô hình được giới thiệu ở đây có thể được phát triển thêm khi sử dụng góc tới hiệu dụng αeff (góc giữa vận tốc tương đối và dây cung), và cũng cần tính đến sự thay đổi lực nâng khi có chuyển động lộn vòng. Hai loại phương pháp thường được sử dụng: Phương pháp modales đưa ra nghiệm giải tích gần đúng, khi thời gian tính toán đủ dài và kết cấu lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn đưa ra nghiệm số, nhưng thời gian tính toán thường rất hạn chế. II. Các hiện tượng Khí động đàn hồi động (Hiện tượng uốn-xoắn cánh “flottement”) 2.1. Giới thiệu chung Các hiện tượng Khí động đàn hồi động có sự tham gia đồng thời của ba lực, lực khí động, lực đàn hồi và lực quán tính. Đặc trưng chung của các hiện tượng này là dao động. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu hiện tượng flottement uốn-xoắn cánh bằng phương pháp giải tích hai chiều thông qua “tiết diện mô hình”. 2.1.1. Mô tả hiện tượng uốn-xoắn cánh Ta xét một cánh không hoàn toàn cứng có thể biến dạng uốn và xoắn (chuyển động đồng thời theo 2 thông số) Ø Chuyển động uốn cánh được đặc trưng bởi thông số z (với vị trí cân bằng tại z = 0) Ø Chuyển động xoắn cánh được đặc trưng bởi góc (với vị trí cân bằng tại . Ta giả thiết góc tới ban đầu khi lực nâng bằng không là , do đó góc tới ) Chúng ta giả thiết là chuyển động uốn và xoắn là dao động cùng tần số(cùng chu kì T) nhưng mà lệch pha nhau. Chuyển động xoắn cánh gây ra sự thay đổi của lực khí động trong đó có thành phần lực nâng tỷ lệ với theo công thức: với . Chuyển động uốn cánh theo phương thẳng đứng, làm cho thành phần lực nâng này sinh công. Trong một chu kỳ T, công này là: với a > 0 Xét hai trường hợp đặc biệt : l Trong cả chu kỳ , (tức là ) và ngược pha nhau (tức là trễ pha góc so với z) Khi đó công W là âm : chuyển động sẽ tắt dần và cánh máy bay được ổn định động. l Trong cả chu kỳ, (tức là ) và cùng pha nhau (tức là nhanh pha góc so với z) Khi đó công W là dương : dòng khí chuyển động cung cấp năng lượng cho cánh, nếu như cánh không triệt tiêu phần năng lượng này qua kết cấu của mình thì sẽ có hiện tượng mất ổn định động. Ø Từ đây ta có khái niệm về hiện tượng kết hợp giữa chuyển động uốn và xoắn cánh trong đó chuyển động uốn cánh làm sinh công thành phần lực nâng sinh ra bởi chuyển động xoắn cánh. 2.2. Động học của “tiết diện mô hình” 2.2.1. Mô hình hóa kết cấu Thiết diện cánh được giả thiết là cứng và chuyển động của nó được mô tả bởi hai thông số là và h. Chú ý: O là vị trí cân bằng của C và h là dương khi C ở dưới O là trục ứng với lực nâng bằng 0 : Độ cứng chống xoắn của cánh được đặc trưng bới một lò xo có độ cứng và độ cứng chống uốn của cánh được đặc trưng bới lò xo có độ cứng Kh. Chúng ta giả thiết là dòng khí chuyển động 2 chiều và góc tới ứng với lực nâng bằng 0 là bằng 0 : 2.2.2. Phương trình chuyển động 2.2.2.1. Nhắc lại một số khái niệm Khối lượng: Mô men tĩnh tại C: Mô men quán tính so với trục : trong đó IG là mômen quán tính so với trục Nhắc lại: Lực nâng: trong đó: Mô men xoắn so với C: Mô men xoắn so với F: trong đó: Định luật bảo toàn mô men: Chiếu lên phương và xấp xỉ bậc nhất ( nhỏ) ta được: Định luật bảo toàn mô men động lượng: Bỏ qua các hiện tượng tổn thất và ma sát Chiếu lên trục và bỏ qua các số hạng vô cùng bé bậc 2 ta thu được: Phương trình chuyển động: (1) Dưới dạng ma trận: Khí động học sẽ cung cấp cho chúng ta các phương trình của Z và M0. 2.2.3. Tần số góc trong uốn và xoắn cánh thuần túy Hệ là bảo toàn (không chịu tổn thất) và không chịu lực khí động. Khi chỉ có uốn cánh thuần túy: Khi chỉ có xoắn cánh thuần túy: (2) 2.2.4. Tần số góc và các kiểu dao động của hệ khi không chịu tác động của ngoại lực Sự dao động của kết cấu khí lực khí động bằng không: Ta bỏ qua mọi tổn thất Ta tìm nghiệm của phương trình trên dưới dạng Thay giá trị của h và vào phương trình chuyển động ta được : (3) Hệ phương trình trên chỉ có nghiệm không tầm thường khi định thức bằng không : ._.Phương trình trên có hai nghiệm của là : (4) Mỗi giá trị tần số góc trên ứng với một kiểu dao động : Kiểu 1 : và kiểu 2 : Trong đó tỷ số thu được khi giải phương trình (3) Chú ý : Cần chú ý rằng và , , được xác định với một hằng số nhân. Để có thể so sánh hai kiểu dao động cần được quy chuẩn. Hai kiểu dao động bao gồm cả chuyển động uốn và xoắn của cánh. Đó là hiện tượng kết hợp quán tính giữa hai thông số chuyển động và . Để mô tả chuyển động của « tiết diện mô hình » trong mỗi kiểu dao động riêng, chúng ta đi tìm một điểm của tiết diện luôn cố định. * Tâm dao động N : là điểm luôn cố định khi « tiết diện mô hình dao động » Chuyển vị theo phương dọc tại vị trí có tọa độ x là : . Do đó tọa độ của tâm dao động N xác định bởi : . Từ đó ta có : Kiểu 1 : Kiểu 2 : Ví dụ : Kiểu 1 : và cùng pha. rất xa C kiểu này gần với chuyển động uốn cánh. Kiểu 2 : và ngược pha. tương đối gần C kiểu này gần với chuyển động xoắn cánh. 2.2.5. Dao động cưỡng bức * Giả thiết các ngoại lực cưỡng bức có dạng : Khi đó các chuyển động uốn và xoắn cánh có dạng : Thay vào phương trình (1) ta sẽ thu được hàm truyền có dạng : * Nếu tần số của nhiễu kích thích bên ngoài bằng hoặc , mẫu số của hàm truyền bằng không và biên độ sẽ tăng đến vô cùng lớn (chúng ta bỏ qua ma sát và cản kết cấu) : Hiện tượng này gọi là cộng hưởng trong dao động. Chúng ta không nên nhầm lẫn hiện tượng này với hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement sẽ được nghiên cứu ở phần tiếp theo. 2.3. Hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement trong khí động học dừng, không nén được 2.3.1. Phương trình chuyển động Các giả thiết : Kết cấu : “tiết diện mô hình”, bỏ qua lực cản kết cấu Khí động học: dừng, chất lỏng hoàn toàn không nén được. Bỏ qua Với các giả thiết trên, lực nâng và mô men xoắn có dạng : a) Phương trình (1) có dạng : (5) Trong phương trình trên xuất hiện thành phần độ cứng khí động phụ thuộc vào . b) Ta tìm nghiệm của phương trình trên dưới dạng : với Chuyển động của cánh sẽ là không ổn định nếu như phần thực của nghiệm p có giá trị dương. * Sau khi thay nghiệm vào phương trình (5) và chia cả hai vế cho ta có : Phương trình có nghiệm không tầm thường nếu định thức bằng không. Sau khi chia cả hai vế cho ta có : (6) Với : c) Nghiên cứu sự bất ổn định động (flottement) Để khảo sát tính ổn định của cánh, ta đi xét dấu phần thực của nghiệm. Việc xét dấu của chính là xét dấu của các tham số : A, B, C và dấu của * Dấu của A: A luôn lớn hơn không. * Dấu của C: C luôn trường hợp này sẽ xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh (divergence). Nghiệm kép: : tần số bằng không. Đây chính là hiện tượng xoắn phá hủy cánh của khí động đàn hồi tĩnh. Nếu thì sẽ không xuất hiện hiện tượng xoắn phá hủy cánh và (do ) Nếu , sẽ có nguy cơ xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh. Giới hạn nghiên cứu hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement trong giới hạn chưa xảy ra hiện tượng xoắn phá hủy cánh () ta sẽ có . (7) Với: * Như vậy qua phân tích trên ta thấy A và C luôn lớn hơn 0, để xét dấu của chúng ta đi xét dấu của B và . Xét tại ta có : Nếu Nếu Như vậy khi thì đổi dấu từ “+“ sang “-” trước B. Hiện tuợng uốn-xoắn cánh flottement bắt đầu xuất hiện từ , trong khi B vẫn > 0. Sự mất ổn định xảy ra khi chuyển từ dương sang âm. Kết luận: Phương trình (6): Trường hợp  : Có hai nghiệm thực và âm  Hai chuyển động uốn và xoắn là hai dao động ổn định với hai tần số dao động khác nhau. Trường hợp  : Có hai nghiệm là liên hợp phức của nhau và do đó sẽ có 2 nghiệm p mà có phần thực là dương. Bất ổn định. Trường hợp  : phương trình có một nghiệm kép nên sẽ có 2 nghiệm p thuần ảo đối xứng . d) Các trường hợp mất ổn định động Cần nghiên cứu các khả năng từ dương chuyển sang âm ứng với các giá trị dương của q. Phương trình có hai nghiệm thực, dương và khi và ( vì ). Xuất hiện sự bất ổn định động khi . Vậy điều kiện xảy ra sự bất ổn định động được viết như sau : (8) 2.3.2. Biện luận sự ổn định ứng với các vị trí của C,F,G 1) Khi trọng tâm nằm trước tâm xoắn không có khả năng xảy ra hiện tượng flottement 2) Khi trọng tâm nằm sau tâm xoắn Có 3 trường hợp ứng với 3 vị trí của tâm khí động F : Tâm khí động nằm trước tâm xoắn Hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement chỉ xuất hiện khi (9) Tâm khí động nằm giữa tâm xoắn và trọng tâm Hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement có thể xảy ra Tâm khí động nằm sau trọng tâm Hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement chỉ có thể xảy ra khi : và (10) 2.3.3.Ví dụ áp dụng Ta xét một ví dụ một profil cánh có các đặc trưng : vận tốc không thứ nguyên. Ta sử dụng các tham số không thứ nguyên để dễ dàng tính toán. Sử dụng Matlab lập chương trình tính và vẽ đồ thị nghiệm của phương trình (6) theo các tham số đã cho. Ta sẽ tìm được giá trị vận tốc tới hạn khi xảy ra hiện tượng flottement. Vì các nghiệm của p là liên hợp phức của nhau nên đồ thị các nghiệm của phương trình là đối xứng với nhau qua trục hoành, ta chỉ vẽ một nửa trên của đồ thị. Nhận xét thấy tại vị trí tới hạn xảy ra hiện tượng flottement (ứng với giá trị nhỏ nhất của PR lớn hơn 0 thì hai nhánh tần số trùng nhau. Nhánh tần số trên đặc trưng cho hiện tượng xoắn cánh, nhánh dưới đặc trưng cho hiện tượng uốn cánh. Khi hai nhánh trùng nhau, tức là xảy ra sự kết hợp giữa uốn và xoắn cánh, khi đó sẽ xảy ra hiện tượng flottement. 2.3.4. Trường hợp đặc biệt  : Tính xấp xỉ vận tốc giới hạn bắt đầu xảy ra hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement. Khi đó điều kiện mất ổn định là : Ta cần xét 2 trường hợp FCG và CFG trong phần 3.2, không cần xét trường hợp CGF vì ở đây Phương trình (7) được viết lại như sau : Từ đó ta suy ra giá trị gần đúng của áp suất động và vận tốc uốn-xoắn cánh flottement : (11) Giá trị trên đây chỉ có thể được sử dụng như một sự trợ giúp cho sự tìm hiểu hiện tượng uốn-xoắn cánh flottement. 2.4. Dạng tổng quát của các phương trình trong khí động đàn hồi 2.4.1. Mô hình hóa kết cấu + Nếu kết cấu bao gồm một số lượng có hạn các thành phần cứng liên kết với nhau bởi các mối ghép cơ khí, các phương trình chuyển động được thiết lập bằng các định luật cơ bản của động lực học hoặc bằng hệ phương trình LAGRANGE. + Đối với các hệ liên tục, hệ phương trình LAGRANGE có thể giúp mô hình hóa cấu trúc với độ chính xác mong muốn bằng cách mô tả chuyển động của chúng bởi n tọa độ riêng : + Việc ứng dụng các định luật về công dịch chuyển ảo giúp ta tìm được n lực riêng : tương ứng. + Phương trình chuyển động được viết dưới dạng : (12) Trong đó : Các ma trận : tương ứng là ma trận khối lượng ; ma trận cản ; ma trận độ cứng của kết cấu. 2.4.2. Mô hình hóa các lực khí động + Thông thường, đối với dòng dừng, tuyến tính, các lực khí động được viết dưới dạng : (13) Trong đó :  ; là ma trận cản và ma trận độ cứng khí động. + Các ma trận này có dạng : Ma trận độ cứng khí động : Ma trận cản khí động : (14) Vậy trong khí động học dừng và tuyến tính, phương trình chuyển động có dạng : (15) Trong đó V là vận tốc dòng khí. + Chúng ta đi tìm nghiệm của phương trình (15) dưới dạng với . Từ đó ta thiết lập được phương trình đặc trưng của hệ. Nghiệm của phương trình của p có thể được tìm bằng phương pháp số. Trong đó các ma trận  ; phụ thuộc vào vận tốc V của dòng chất lỏng. + Nếu như tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng, với một giá trị V xác định, mà phần thực mang dấu âm thì hệ là ổn định. + Việc nghiên cứu sự mất ổn định động của hệ thống bao gồm việc tìm giá trị nhỏ nhất của vận tốc V sao cho phần thực . PHẦN III: SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS Phầm mềm ANSYS, do công ty Phần mềm ANSYS phát triển là một gói phần mềm hoàn chỉnh dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis FEA) để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau. Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để giải quyết các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ưu kết cấu và các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy, điện/tĩnh điện, điện từ,… và tương tác giữa các môi trường hay các hệ vật lý. Chính vì vậy ANSYS đã trở thành công cụ hữu hiệu trong các nghành công nghiệp trong đó có vũ trụ, hàng không, ôtô, y sinh, xây dựng cầu đường. Trong khuôn khổ đồ án này, em xin giới thiệu tổng quan các bước, các thao tác cơ bản để tiến hành phân tích một bài toán kết cấu. I. Các bước phân tích cơ bản 1.1. Quá trình chuẩn bị Bất kỳ bài toán phân tích nào cũng gồm 4 quá trình chính: Chuẩn bị Xử lý ban đầu Giải Xử lý kết quả Quá trình chuẩn bị: Đó là quá trình phân tích vấn đề cần nghiên cứu sau đó chọn xem: Dùng kiểu phân tích nào? Mô hình hoá như thế nào? Dùng kiểu phần tử nào? Quá trình xử lý ban đầu: Định nghĩa vật liệu. Tạo, nhập mô hình hình học kết cấu. Chia lưới mô hình hình học để tạo ra mô hình phần tử hữu hạn (các nút và phần tử). Quá trình giải: Đặt tải Giải Quá trình xử lý kết quả: Khai thác kết quả. Kiểm tra tính hợp lý của lời giải. 1.1.2. Các kiểu phân tích Một số kiểu phân tích thông dụng: Kết cấu: chuyển động của vật rắn, áp suất trên vật thể hoặc tiếp xúc giữa vật thể. Nhiệt: Gia nhiệt, nhiệt độ cao, hoặc thay đổi nhiệt độ Điện từ: Các thiết bị (dùng dòng xoay chiều hoặc một chiều), điện từ, kích thích bằng điện áp hoặc tích điện. Dòng chảy: chuyển động của chất lỏng/khí, hoặc chất lỏng, khí trong bình chứa. Kết hợp: kết hợp của các bài toán trên. 1.2. Quá trình xử lý ban đầu 1.2.1. Tạo mô hình hình học Một mô hình hình học thông thường được định nghĩa bởi các thể tích, các diện tích, các đường và các điểm. Thể tích (volume) được giới hạn bởi các diện tích. Chúng mô tả các đối tượng 3D. Diện tích (area) được giới hạn bởi các đường. Chúng mô tả các mặt của đối tượng khối hoặc tấm vỏ. Đường (line) được giới hạn bởi các điểm. Chúng mô tả các cạnh của đối tượng. Điểm (keypoint) được định vị trong không gian 3D. Chúng mô tả đỉnh của các đối tượng. Khi tạo mô hình hình học của vật thể cần phân tích xem, vật thể được cấu thành từ những hình khối cơ bản nào, từ đó đưa ra phương án dựng mô hình hình học thích hợp. 1.2.2. Tạo mô hình phần tử hữu hạn Mô hình phần tử hữu hạn gồm các nút và các phần tử. Mô hình phần tử hữu hạn được tạo từ mô hình hình học bằng cách chia lưới. Quá trình chia lưới chính là quá trình “điền đầy” mô hình hình học bằng các nút và các phần tử. Để giải bài toán phần tử hữu hạn ta cần dùng tới mô hình phần tử hữu hạn chứ không phải mô hình hình học. Mô hình hình học chỉ là bưới trung gian để tạo mô hình phần tử hữu hạn. 1.2.3. Khai báo thuộc tính vật liệu Mỗi bài toán phân tích đòi hỏi phải nhập vào một vài thuộc tính của vật liệu: mô đun đàn hồi Ex cho các phần tử kết cấu…. Có hai cách để khai báo thuộc tính vật liệu: Thư viện vật liệu Các thuộc tính riêng biệt. 1.3. Quá trình giải 1.3.1. Xác định các tải đặt lên mô hình Có 5 loại tải: Những áp đặt trên bậc tự do (Degree Of Freedom DOF): áp đặt giá trị cho các DOF, ví dụ như chuyển vị trong một phân tích ứng suất, hoặc nhiệt độ trong một phân tích nhiệt Tải tập trung (Concentrated Load): Tải đặt vào một điểm, ví dụ lực hoặc tiêu thụ dòng nhiệt. Tải bề mặt (Surface Load): Tải phân bố trên toàn bộ một bề mặt, ví dụ như áp suất hay đối lưu. Tải vật thể (Body Load): tải thể tích hay tải trường Tải quán tính (Inertia Load): Tải khối lượng kết cấu hoặc tải quán tính, ví dụ như trọng lực hoặc vận tốc quay. 1.3.2. Giải 1.4. Quá trình xử lý kết quả 1.4.1. Khai thác Xử lý kết quả là khâu cuối cùng của một bài toán phần tử hữu hạn Bắt buộc phải có để hiển thị kết quả tương ứng với các giả thiết trong quá trình tạo và giải mô hình. Thường từ các kết quả thu được ta sẽ phải ra các quyết định về thiết kế nên ta cần phải khái thác kết quả một cánh cẩn thận và đồng thời phải kiểm định lại kết quả. ANSYS có hai cách khai thác kết quả: POST1: cách khai thác kết quả thông thường để có một tập hợp kết quả trên toàn bộ mô hình. POST26: cách khai thác kết quả theo thời gian. Dùng để khai thác kết quả theo thời gian tại những điểm được chọn trong mô hình. Chủ yếu dùng cho phân tích tức thời và phi tuyến. 1.4.2. Kiểm tra kết quả Cần phải kiểm tra tính đúng đắn hay tính hợp lý của kết quả để chắc chắn rằng lời giải là chấp nhận được. Những vấn đề cần kiểm tra phụ thuộc vào kiểu bài toán đang xét. So sánh kết quả tính bằng ANSYS so với thực nghiệm. II. Xây dựng mô hình hình học 2.1. Giới thiệu Mục đích của chương này là xem xét một số bước cơ bản khi tiến hành xây dựng mô hình hình học, cách nhập một mô hình hình học vào ANSYS, và cách tạo một mô hình hình học trực tiếp trong ANSYS. Trước khi tiến hành xây dựng mô hình cần phân tích xem: Mô hình gồm bao nhiêu chi tiết cơ bản? Tính đối xứng của mô hình? Mô hình có ứng suất kỳ dị không? Các chi tiết: Các chi tiết nhỏ và không quan trọng của mô hình thiết kế trên CAD có thể được lược bỏ trước khi nạp vào ANSYS. Tuy nhiên, đối với một vài kết cấu thì các chi tiết nhỏ như góc lượn, lỗ thủng đôi khi lại là nơi có ứng suất lớn nhất và rất quan trọng, tùy thuộc vào các mục tiêu mà bài toán đặt ra. Tính đối xứng: Nhiều kết cấu có tính đối xứng và do đó chỉ cần mô hình hóa một phần đại diện hoặc một mặt cắt ngang. Thuận lợi chính của việc mô hình có tính đối xứng là: Mô hình thường dễ tạo hơn. Cho phép chúng ta tạo ra mô hình mịn hơn và chi tiết hơn và do đó thu được kết quả tốt hơn là sử dụng mô hình đầy đủ. Mô hình được coi là đối xứng nếu nó đối xứng trên các phương diện: Hình học Các thông số vật liệu Các điều kiện tải trọng Có các kiểu đối xứng khác nhau là: Tính đối xứng trục (Axisymmetry). Tính lặp theo quỹ đạo tròn (Rotational). Đối xứng mặt hay đối xứng gương (Planar or reflective). Tính lặp tịnh tiến (Repetitive or translational). Ứng suất kỳ dị (Stress singularities): Điểm ứng suất kỳ dị là điểm trong mô hình phần tử hữu hạn có ứng suất đạt giá trị vô hạn. Nếu lưới được chia mịn tại điểm có ứng suất kì dị, thì giá trị ứng suất sẽ tăng lên và không bao giờ hội tụ. Các kết cấu thực không có các điểm ứng suất kỳ dị. Chúng bị sinh ra do các giả thiết đơn giản hóa mô hình. Vì vậy ta phải đối phó với các ứng suất kỳ dị này như thế nào? Nếu chúng ở xa vùng chúng ta quan tâm thì có thể bỏ qua chúng bằng cách không kích hoạt lên các vùng bị ảnh hưởng khi xem kết quả. Nếu chúng ở trong vùng quan tâm thì chúng ta cần đưa ra hiệu chỉnh, ví dụ: Cho góc lượn vào các góc lõm vuông và chạy lại phân tích. Thay thế lực tập trung bằng tải phân bố tương đương. Mở rộng áp đặt chuyển vị cho một tập nút. 2.2. Xây dựng mô hình bằng cách nhập mô hình từ phần mềm khác 2.2.1. Mô hình định dạng IGES Trong phần này, chúng ta sẽ khai thác một số tùy chọn có sẵn: Hai phương thức: No Defeaturing và Defeaturing. Các tùy chọn: Merge, Solid, Small. Phương thức No Defeaturing - Nhập và lưu trữ mô hình hình học trong cơ sở dữ liệu chuẩn của ANSYS.[ioptn, iges, nodefeat] Ưu điểm: Nhanh hơn và tin cậy hơn phương thức Defeaturing Cho phép đầy đủ các thao tác trên mô hình hình học Các công cụ sửa đổi hình dạng (Defeaturing tools) không có hiệu lực. Đây là phương thức mặc định và khuyến nghị. Phương thức Defeaturing - Nhập và lưu trữ hình học trong một cơ sở dữ liệu đặc biệt cho phép ta sửa và thay đổi hình dáng cho mô hình.[ioptn, iges, defeat]. Có khả năng làm thay đổi hình dáng cho mô hình, loại bỏ các chi tiết thứ yếu như là các phần lồi ra, các hốc và các lỗ nhỏ. Bởi vì cơ sở dữ liệu đặc biệt được sử dụng để lưu trữ hình học nên chỉ một số thao tác trên mô hình hình học có hiệu lực. Thông thường yêu cầu bộ nhớ lớn hơn và có phần chậm hơn phương thức “No Defeaturing” Phương thức này hiệu quả đối với các mô hình khối đơn giản: chúng đuợc nhập vào chia lưới và giải. Nói chung, không nên dùng khi cần các khả năng phát triển hình học tiên tiến (advanced geometry capabilities). Tùy chọn Merge YES được mặc định, để gắn kết các thực thể trùng khớp sao cho các diện tích kề nhau thì gặp nhau tại một đường chung và các đường kề nhau thì gặp nhau tại một điểm chung. Chỉ bật nó sang chế độ NO khi ta sử dụng phương thức Defeaturing và khi lần thử nghiệm trước đó không thành thiếu bộ nhớ.. Tùy chọn Solid YES được mặc định, để tự động tạo một thể tích sau khi nhập và gắn kết Bật nó thành NO nếu chúng ta chỉ muốn nhập các bề mặt và tạo vỏ hoặc mô hình phẳng 2D. Tùy chọn Small YES được mặc định, để tự động xóa các diện tích nhỏ, các mảnh vụn mà có thể gây rắc rối cho việc chia lưới. Có hiệu lực chỉ đối với phương thức Defeaturing. Bật nó thành NO nếu chúng ta muốn tìm kẽ hở hoặc “các lỗ” trong mô hình. 2.2.2. Các sản phẩm kết nối Việc nhập file định dạng IGES vào ANSYS nói chung là tốt, tuy nhiên vì phải chuyển đổi 2 lần: CAD à IGES à ANSYS, nên trong nhiều trường hợp mô hình không được chuyển đổi hoàn toàn. Các sản phẩm kết nối của ANSYS giúp khắc phục vấn đề này bằng cách đọc trực tiếp file bản vẽ chi tiết “gốc” của phần mềm CAD: Kết nối với Pro/ENGINEER (Pro/E) Kết nối với Unigraphics (UG) Kết nối với SAT. Kết nối với Parasolid. Kết nối với CATIA. Để sử dụng một sản phẩm kết nối, chúng ta cần phải mua bản quyền cho phiên bản thích hợp. Kết nối đến Pro/E: Đọc file .prt được tạo bởi Pro/E Đòi hỏi phải có phần mềm Pro/E Cũng có thể đọc một file .asm (bản vẽ lắp) của Pro/E Câu lệnh: Utility Menu>File>Import>Pro/E… hoặc ~proein. Kết nối đến UG: Đọc file .prt (bản vẽ chi tiết) được tạo bởi UG Đòi hỏi phải có phần mềm Unigraphics Câu lệnh: Utility Menu>File>Import>UG… hoặc ~ugin Kết nối đến SAT: Đọc file .sat (bản vẽ chi tiết) được tạo bởi các gói CAD sử dụng mẫu ACIS Không đòi hỏi phải có phần mềm ACIS Câu lệnh: Utility Menu>File>Import>SAT… hoặc ~satin Kết nối đến Parasolid: Đọc file .x_t hoặc .xmt_txt được tạo ra bởi các gói CAD sử dụng mẫu Parasolid. Không đòi hỏi phải có phần mềm Parasolid. Câu lệnh: Utility Menu>File>Import>PARA… hoặc ~parain Kết nối đến CATIA: Đọc file .model hoặc .dvl được tạo bởi CATIA. Đòi hỏi phải có phần mềm CATIA. Câu lệnh: Utility Menu>File>Import>CATIA… hoặc ~catiain 2.3. Dùng các lệnh trong ANSYS Nhập mô hình hình học thì thuận lợi nhưng đôi khi chúng ta vẫn cần tạo ra nó trong ANSYS. Có thể do một trong các lý do sau: Chúng ta cần xây dựng một mô hình tham số - tức là một mô hình với các biến để sau đó sử dụng trong thiết kế tối ưu hay nghiên cứu độ nhạy. Không có mô hình hình học định dạng mà ANSYS có thể đọc được Sản phẩm kết nối cần thiết lại không tương thích với hệ điều hành đang sử dụng. Chúng ta có thể cần thay đổi hay bổ sung thêm vào mô hình chi tiết hay bản vẽ lắp nhập vào từ CAD. ANSYS có một tập hợp công cụ phong phú để thiết kế. 2.3.1. Các khái niệm Solid Modeling có thể được định nghĩa như quá trình tạo các mô hình hình học. Một số khái niệm: Một mô hình hình học được xác định bởi các thể tích, diện tích, các đường và các điểm. Các thể tích được giới hạn bởi các diện tích, các diện tích được giới hạn bởi các đường, các đường được giới hạn bởi các điểm. Thứ bậc của các thực thể từ thấp đến cao: điểm à đường à diện tích à thể tích. Chúng ta không thể xóa một thực thể nếu như một thực thể bậc cao hơn được gắn với nó. Ngoài ra, một mô hình chỉ có diện tích và các thực thể bậc thấp hơn, ví dụ như vỏ hoặc mô hình phẳng 2D, vẫn được xem là mô hình khối trong thuật ngữ ANSYS. Có hai phương pháp để tạo mô hình khối: Phương pháp Top-down. Phương pháp Bottom-up. Phương pháp Top-down: bắt đầu với việc định nghĩa thể tích (hoặc diện tích), sau đó chúng được kết hợp lại thành một số hình dạng và cuối cùng thành mô hình ta cần dựng. Phương pháp Bottom-up: bắt đầu từ các điểm, từ đó chúng ta xây dựng lên các đường, các mặt. Chúng ta có thể lựa chọn tùy ý cách tiếp cận sao cho phù hợp nhất với mô hình và cũng có thể kết hợp cả 2 phương pháp. 2.3.2. Phương pháp TOP-DOWN Phương pháp Top-down bắt đầu với việc địng nghĩa thể tích hoặc diện tích sau đó kết hợp chúng lại để tạo ra mô hình cuối cùng. Thể tích hoặc diện tích mà chúng ta định nghĩa ban đầu được gọi là các hình khối cơ bản (primitives). Primitives được định vị và định hướng nhờ các mặt phẳng làm việc (working plane). Các tổ hợp dùng để tạo ra hình dáng cuối cùng được gọi là các toán tử Boolean (Boolean operations). Primitives là các hình dạng hình học cơ bản được định nghĩa trước ví dụ như hình tròn, đa giác và hình cầu. Các primitives 2D bao gồm các hình chữ nhật, đường tròn, tam giác và các đa giác khác. Các primitives 3D bao gồm các khối hộp, trụ, lăng trụ, cầu, nón, xuyến. Khi chúng ta tạo một primitives 2D, ANSYS định nghĩa một diện tích, các đường, các điểm đi kèm với nó. Khi chúng ta tạo một primitives 3, ANSYS định nghĩa một thể tích, các mặt, các đường, các điểm đi kèm với nó. Câu lệnh tạo các hình khối cơ bản: Utilities Menu>Preprocessor>Modeling>Create>……….. Trong ANSYS để định vị và định hướng cho các Primitives chúng ta sử dụng Working Plane “WP” (mặt phẳng làm việc) – là mặt phẳng tham chiếu di động. Mặc định, gốc của WP trùng với gốc tọa độ tổng thể, tuy nhiên khi tạo các mô hình thì chúng ta có thể dịch chuyển chúng đến vị trí thích hợp tiện cho việc thiết kế. Bằng hiển thị lưới, chúng ta có thể sử dụng WP như một “bản vẽ” WP lớn vô hạn cho dù lưới hiển thị là hữu hạn. Tất cả các tham số điều khiển mặt phẳng làm việc (WP) đều nằm ở trong Utility Menu>WorkPlane…. Các tham số điều khiển trong menu WP setting bao gồm: Hiển thị WP - triad only (mặc định), grid only hoặc cả hai. Chế độ bắt điểm (Snap) – cho phép chúng ta chọn dễ dàng các vị trí trên WP bằng cách bắt con trỏ tới điểm gần lưới nhất. Khoảng cách lưới (Grid spacing) - khoảng cách giữa các đường lưới. Kích thước lưới – là phần WP được hiển thị vì thực tế là WP vô hạn. Chúng ta sử dụng menu Offset và Align để di chuyển WP tới bất kỳ vị trí nào. Di chuyển WP bởi số gia… Sử dụng các nút bấm (với số gia đặt bằng thanh trượt). Hoặc nhập vào giá trị của số gia. Hoặc sử dụng các phương thức động (kích chuột vào cửa sổ làm việc). Offset WP to> Đây đơn giản chỉ là dịch chuyển WP tới vị trí mong muốn và vẫn duy trì hướng hiện tại của nó (chỉ dịch chuyển vị trí gốc tọa độ). Align WP with> Đây là cách định hướng lại WP. Ví dụ: Align WP with keypoints nhắc chúng ta chọn 3 điểm - một điểm tại gốc, một điểm để xác định trục X, một để xác định trục Y. Để trả WP về vị trí mặc định của nó (về gốc tổng thể) ta dùng câu lệnh: Align WP with>Global Cartesian. Các phép toán Boole là các phép toán cho phép kết hợp các thực thể hình học. Các phép toán Boole của ANSYS gồm có add (hợp), subtract (trừ), intersect (giao), divide (chia), glue (dán) và overlap (chồng lên). Dữ liệu đầu vào cho các toán tử Boole là các thực thể hình học bất kỳ, từ các primitive đơn giản tới các thể tích phức tạp được nhập vào từ CAD. Tất cả các toán tử trên đều có trong GUI của ANSYS: Preprocessor>Modeling>Operate. Theo mặc định các thực thể đầu vào của phép toán tử Boole sẽ bị xóa đi sau khi phép toán được thực hiện. Các số thứ tự của thực thể đã xóa trở thành “tự do” (nghĩa là chúng sẽ được gán cho thực thể mới, bắt đầu từ số nhỏ nhất). Các phép toán: Hợp (add): Kết hợp hai hoặc nhiều thực thể thành một. Dán (Glue): Dán hai hoặc nhiều thực thể với nhau bằng cách tạo ra một biên chung giữa chúng. Được sử dụng khi chúng ta muốn duy trì sự khác biệt giữa các thực thể (ví dụ các thực thể sau khi dán vẫn có thể làm bằng các vật liệu khác nhau). Chồng chéo (Overlap): Giống như Glue, chỉ khác là các thực thể chồng lên nhau. Trừ (Subtract): Loại bỏ phần chồng nhau của một hoặc nhiều thực thể từ tập các thực thể ban đầu. Dùng để tạo các hố hoặc cắt bỏ các phần của một thực thể. Chia (divide): Chia một thực thể thành hai hoặc nhiều thực thể liên hệ với nhau bằng các đường biên chung. “Công cụ cắt” có thể là mặt phẳng làm việc, một diện tích, một đường hoặc thậm chí là một thể tích. Dùng để cắt và chia một thể tích phức tạp thành các thể tích đơn giản hơn để tiện chia lưới. Giao (Intersect): Chỉ giữ lại phần chồng nhau của hai hay nhiều thực thể. Nếu có hơn hai thực thể đưa vào, thì chúng ta có hai cách lựa chọn: Giao chung (common intersection) và giao từng cặp (pairwise intersection) Giao chung là tìm miền chồng nhau chung giữa tất cả các thực thể đưa vào. Giao từng cặp là tìm miền chồng nhau cho mỗi cặp thực thể và có thể tạo ra hai hoặc nhiều thực thể. Phân chia (Partition): Cắt hai hoặc nhiều thực thể giao nhau thành nhiều phần liên hệ với nhau bằng các biên chung. Phép toán này rất có ích, ví dụ, để tìm đường giao nhau của hai mặt phẳng và vẫn giữ lại tất cả bốn mặt, như chỉ ra ở dưới đây.(Một phép toán giao sẽ trả về đường giao và xóa cả hai mặt phẳng). 2.3.4. Phương pháp BOTTOM-UP Phương pháp bottom-up bắt đầu với sự định nghĩa của các điểm, từ đó xây dựng lên các thực thể khác. Để định nghĩa các điểm, chúng ta dùng câu lệnh: Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints Dữ liệu cần thiết để tạo một điểm là số thứ tự điểm và vị trí tọa độ điểm. Số thứ tự mặc định là số có hiệu lực tiếp theo. Vị trí tọa độ có thể được cung cấp bằng cách chọn các vị trí trên mặt phẳng làm việc hoặc bằng cách nhập các giá trị X,Y,Z (trong hệ tọa độ mặt phẳng làm việc hoặc trong hệ tọa độ tổng thể). Hệ trục tọa độ làm việc (Active Coordinate System): Mặc định với hệ trục đề các tổng thể. Sử dụng lệnh CSYS (hoặc Utility menu>WorkPlane>Change Active CS to) để đổi nó thành: Hệ trục tọa độ Cartesian tổng thể [csys,0] Hệ tọa độ trụ tổng thể [csys,1] Hệ tọa độ cầu tổng thể [csys,2] Mặt phẳng làm việc [csys,4] Hoặc một hệ tọa độ địa phương do người dùng định nghĩa [csys,n] Mỗi hệ tọa độ này sẽ được giải thích ở bước tiếp theo. Hệ tọa độ tổng thể: Hệ tọa độ tham chiếu tổng thể đối với mô hình. Có thể là hệ tọa độ đề-các, trụ, hoặc cầu. Hệ tọa độ địa phương: Một hệ tọa độ người dùng định nghĩa tại vị trí mong muốn, với chỉ số 11 hoặc lớn hơn. Dùng câu lệnh: Local Coordinate Systems>Create Local CS>…. Hệ tọa độ mặt phẳng làm việc: Tác động tới mặt phẳng đang làm việc. Thường dùng để định vị và định hướng các mô hình khối gốc. Chúng ta cũng có thể sử dụng mặt phẳng làm việc để định nghĩa các điểm bằng cách chọn chuột. Chúng ta có thể định nghĩa số hệ tọa độ bất kỳ, nhưng chỉ một hệ tọa độ là bị tác động ở một thời điểm nào đó. Các phép toán Boolean có hiệu lực đối với các thực thể được tạo ra bằng cả hai phương pháp mô hình top-down và bottom-up. Tuy nhiên, để xây dựng mô hình theo phương pháp bottom-up ta thường dùng các toán tử sau: Extrude: kéo dãn. Scale: tỉ lệ Move: di chuyển. Copy: sao chép. Reflect: phản xạ Merge: nối, hợp. Fillet: lượn góc. Extrude: Để tạo nhanh các thể tích từ các diện tích tồn tại (hoặc các diện tích từ các đường và các đường từ các điểm). Nếu diện tích được chia lưới, chúng ta có thể extrude các phần tử cùng với các diện tích. Có bốn cách để extrude các diện tích: Along normal - tạo thể tích bằng cách kéo dãn các diện tích theo phương pháp tuyến. By XYZ offset - tạo thể tích bằng cách dịch chuyển toàn bộ theo x-y-z. About axis - tạo thể tích bằng cách quay tròn các diện tích xung quanh một trục. Along lines - tạo thể tích bằng cách kéo các diện tích theo một đường hoặc một tập hợp các đường liên tục. Scaling: Scaling là một kiểu cần thiết khi chúng ta muốn chuyển đổi hình tới một tập hợp đơn vị khác, như từ inch thành cm. Để scale một mô hình trong ANSYS sử dụng: Đầu tiên lưu trữ cơ sở dữ liệu – Toolbar>SAVE_DB Sau đó vào Main menu>Preprocessor>Operate>Scale>Volumes Move: Để di chuyển hoặc quay một thực thể bằng cách chỉ ra các đại lượng chuyển dịch DX,DY,DZ hoặc để di chuyển các hệ tọa độ tới tọa độ khác. Copy: Để tạo ra nhiều bản sao của thực thể. Chỉ ra số bản sao và các khoảng cách dịch chuyển DX,DY,DZ cho mỗi phép sao chép. Reflect: Để phản xạ các thực thể qua một mặt phẳng Chỉ rõ hướng của sự phản xạ: X để phản xạ đối với mặt YZ Y đối với mặt phẳng XZ Z là đối với mặt phẳng XY Merge: Để kết hợp hai thực thể bằng cách hợp nhất các điểm trùng nhau. Thường thường đòi hỏi sau khi reflect, copy hoặc các phép toán khác mà có các thực thể trùng nhau. Fillet: Fillet thường yêu cầu hai đường ban đầu phải giao nhau tại một điểm. III. Tạo mô hình phần tử hữu hạn 3.1. Tổng quan Mục đích của chương này là xem xét về các thuộc tính của lưới phần tử, những cách thức khác nhau để tạo một lưới trong ANSYS, và cuối cùng là làm thể nào để nhập một mô hình phần tử hữu hạn vào trong ANSYS một cách trực tiếp. 3.2. Các thuộc tính cơ bản của phần tử Có ba bước để tạo lưới: Định nghĩa các thuộc tính phần tử Xác định các thông số điều khiển việc chia lưới. Tạo lưới. Thuộc tính phần tử là những đặc trưng của mô hình phần tử hữu hạn mà người dùng phải thiết lập trước khi chia lưới. Chúng bao gồm: Các kiểu phần tử Các hằng số đặc trưng Các tính chất của vật liệu Kiểu phần tử: Chọn kiểu phần tử là một bước quan trọng, nó xác định những đặc trưng dưới đây của phần tử: Bậc tự do (Degree of Freedom DOF) Ví dụ: một kiểu phần tử nhiệt chỉ có một bậc tự do là TEMP trong khi kiểu phần tử kết cấu có thể có tới sáu bậc tự do: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ. Dạng phần tử: hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình tam giác. Không gian: 2D hoặc 3D Dạng giả thiết của trường chuyển vị: bậc nhất hoặc bậc hai. ANSYS có một thư viện gồm hơn 150 kiểu phần tử để người dùng lựa chọn. Phân loại phần tử: ANSYS đưa ra nhiều loại phần tử khác nhau. Các phần tử thông dụng bao gồm: Các phần tử một chiều (line elements) Các phần tử vỏ (Shells) Các phần tử khối 2D Các phần tử khối 3D Phần tử một chiều: Các phần tử dầm được dùng để mô hình hóa kết cấu ghép bulông, kết cấu dạng ống, thép hình hoặc bất kỳ một kết cấu dài mảnh mà ta quan tâm tới ứng suất màng, uốn. Các phần tử thanh spar được dùng để mô hình hóa lò xo, kết cấu ghép bulông dự ứng lực và hệ giàn thanh. Các phần tử lò xo được dùng để mô hình hóa lò xo, kết cấu ghép bulông, kết cấu dài mảnh hoặc để thay thế các phần tử phức tạp có độ cứng tương đương. Phần tử vỏ: Dùng để tạo mô hình những bản mỏng hoặc những mặt cong. Khái niệm mỏng phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể, thường thì các kích thước lớn của vỏ ít nhất cũng ph._.