Giáo trình ansys – phân tích cơ cấu động

TS PHẠM SƠN MINH PGS TS ĐỖ THÀNH TRUNG GIÁO TRÌNH ANSYS PHÂN TÍCH CƠ CẤU ĐỘNG TS PHẠM SƠN MINH PGS TS ĐỖ THÀNH TRUNG GIÁO TRÌNH ANSYS PHÂN TÍCH CƠ CẤU ĐỘNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C[.]

TS PHẠM SƠN MINH - PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG

GIÁO TRÌNH ANSYS - PHÂN TÍCH CƠ CẤU ĐỘNG

TS PHẠM SƠN MINH PGS.TS ĐỖ THÀNH TRUNG

3

LỜI NÓI ĐẦU

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác cao Đi cùng với các yêu cầu này thì việc sử dụng các phương pháp tính toán, thiết kế có khả năng tự động hóa trên máy tính là hết sức cần thiết

Hiện nay, các ứng dụng tin học vào tính toán được đưa vào rất nhiều ngành, nhiều lĩnh vực Hiện nay các phần mềm như SAP 2000, CATIA, AUTODESK INVENTOR đều được tích hợp môđun tính toán sức bền, ứng suất Nhưng mạnh mẽ và được sử dụng nhiều nhất là phần mềm ANSYS WORKBENCH, được rất nhiều công ty đưa vào phục vụ tính toán và các trường đưa vào giảng dạy khắp nơi trên thế giới ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí, nhưng ở đây chúng chủ yếu tập trung vào nghiên cứu phần động học cơ khí tuyến tính Việc làm quen với ANSYS cũng đơn giản thông qua việc phần mềm có tích hợp các kiểu 2D và 3D; cũng như giao diện cơ bản từ các phần mềm cơ bản khác để có thể linh hoạt trong việc tạo hình cơ bản như CREO, AUTOCAD, Sau khi thiết kế mô hình hình học cơ bản, ANSYS đòi hỏi phải hiểu về nguyên lý hoạt động cơ cấu nhằm thiết lập liên kết, chia lưới bề mặt làm việc, quy chiếu hệ tọa

độ và một số điều kiện biên về tải trọng khác, để tiến hành phân tích các ứng suất, độ biến dạng trong quá trình cơ cấu hoạt động

Giáo trình ANSYS - Phân tích cơ cấu động được biên soạn với

mục đích giúp người đọc làm quen và thực hành trực tiếp với công nghệ CAE trong thiết kế các cơ cấu cơ khí, cũng như dùng làm tài liệu học tập cho môn học ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ dành cho sinh viên Đại học và học viên Cao học thuộc nhóm ngành Kỹ thuật Cơ khí

Trong quá trình biên soạn, không thể tránh khỏi những thiếu sót Nhóm tác giả rất mong nhận được sự góp ý của người đọc, để các lần biên soạn sau được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng gửi

về địa chỉ email: minhps@hcmute.edu.vn hoặc trungdt@hcmute.edu.vn

Nhóm tác giả Phạm Sơn Minh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

5

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16 13

1.1 TỔNG QUAN 13

1.1.1 Tổng quan về ANSYS Workbench R16 13

1.1.2 Mục tiêu 16

Chương 2: GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG PHẦN MỀM 17

2.1 GIAO DIỆN PHẦN MỀM 17

2.2.1 File 18

2.2.1.1 Các lệnh thực hiện với Project 19

2.2.1.2 Các lệnh thực hiện với Study 19

2.2.2 View 19

2.2.3 Tools 20

2.2.4 Units 21

2.2.5 Extensions 21

2.3 GIAO DIỆN LÀM VIỆC TRONG TRANSIENT STRUCTURAL 22

2.3.1 Các thanh công cụ trong Transient Structural 22

2.3.2 Nhập mô hình CAD 3D 23

2.3.3 Môi trường làm việc chính 24

2.3.3.1 Thanh Menu 24

2.3.3.2 Các thanh công cụ hỗ trợ thường dùng 28

Chương 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 33

3.1 TÍNH TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN 33

3.1.1 Cơ sở tính toán 33

3.1.2 Kết quả tính toán 35

3.2 TÍNH TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG THẲNG 36

3.2.1 Cơ sở tính toán 36

3.2.2 Kết quả tính toán 37

3.3 CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT 38

3.3.1 Cơ sở tính toán 38

3.3.2 Kết quả tính toán 38

3.4 CƠ CẤU CAM PHẲNG 39

3.5 CƠ CẤU BÁNH RĂNG HÀNH TINH 41

3.5.1 Cơ sở tính toán 42

3.5.2 Kết quả tính toán 43

3.6 CƠ CẤU BÁNH VÍT, TRỤC VÍT 43

3.6.1 Cơ sở tính toán 43

3.6.2 Kết quả tính toán 46

3.7 CƠ CẤU CAM KHÔNG GIAN (CAM THÙNG) 46

3.8 CƠ CẤU THANH TRƯỢT VÀ BÁN BÁNH RĂNG 48

Chương 4: THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG 52

4.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THANH CÔNG CỤ CONNECTION 54

4.1.1 Joint (Khớp nối) 54

4.1.1.1 Hướng dẫn chọn kiểu Joint 54

4.1.1.2 Cài đặt kiểu Joint 55

4.1.2 Contact (Sự liên kết) 58

4.1.2.1 Hướng dẫn chọn các loại Contact 58

4.1.2.2 Hướng dẫn thiết lập các loại Contact 58

4.1.3 Mesh 60

4.2 TRANSIENT 62

4.2.1 Analysis Setting 62

7

4.2.2 Joint (gắn lực) 62

4.2.3 Moment 64

4.3 SOLUTION 65

Chương 5: BÀI TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN 67

5.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 67

5.1.1 Mục đích 67

5.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau 67

5.2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN (BEVEL GEAR) 68

5.2.1 Khởi tạo mô hình bánh răng côn cần phân tích 70

5.2.2 Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu 71

5.2.3 Cài đặt tải cho cơ cấu 76

5.2.4 Mesh 78

5.2.5 Thiết lập phần phân tích các bước thời gian và lực cho cơ cấu 78

5.2.6 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong 81

5.3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU 82

Chương 6: BÀI TOÁN CƠ CẤU TRỤC CAM (CAMSHAFT) 85

6.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 85

6.1.1 Mục đích 85

6.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau 85

6.2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TRỤC CAM 87

6.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 87

6.2.2 Khởi tạo mô hình Trục Cam (Camshaft) 88

6.2.3 Mesh 98

6.2.4 Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho

cơ cấu 102

6.2.5 Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 103

6.2.6 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong 105

6.3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU 106

Chương 7: BÀI TOÁN CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT 108

7.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 108

7.1.1 Mục đích 108

7.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng 108

7.2 HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 110

7.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 110

7.2.2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích 110

7.2.3 Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu 112

7.2.4 Mesh 118

7.2.5 Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu 118

7.2.6 Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 120

7.2.7 Xử lý dữ liệu 122

7.2.8 Kết quả 123

Chương 8: BÀI TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG HÀNH TINH 125

8.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 125

8.1.1 Mục đích 125

8.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng 125

8.2 HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 127

8.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 127

8.2.2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích 128

8.2.3 Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu 129

8.2.4 Cài đặt Joint cho cơ cấu 152

9

8.2.5 Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu 154

8.2.6 Mesh 156

8.2.7 Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 156

8.2.8 Xử lý dữ liệu 158

8.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 159

8.3.1 Total Deformation (Chuyển vị) 159

8.3.2 Equivalent Total Strain (Ứng lực) 159

Chương 9: BÀI TOÁN CƠ CẤU TRỤC VÍT, BÁNH VÍT (WORM GEAR) 161

9.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 161

9.1.1 Mục đích 161

9.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá trình thực hiện qua các bước cơ bản sau 161

9.2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TRỤC VÍT, BÁNH VÍT 163

9.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 163

9.2.2 Khởi tạo mô hình bánh vít, trục vít cần phân tích 164

9.2.3 Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu 166

9.2.4 Cài đặt khớp nối (Joint) cho cơ cấu 171

9.2.5 Mesh 173

9.2.6 Thiết lập phần phân tích các bước thời gian và lực cho cơ cấu 174

9.2.7 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong 178

9.3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU 179

Chương 10: BÀI TOÁN CƠ CẤU THANH TRƯỢT VÀ BÁN BÁNH RĂNG (SLIDING AND SELF GEAR) 180

10.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 180

10.1.1 Mục đích 180

10.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng quá

trình thực hiện qua các bước cơ bản sau 180

10.2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG THANH TRƯỢT VÀ BÁN BÁNH RĂNG 182

10.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 182

10.2.2 Xuất mô hình thanh trượt và bán bánh răng 183

10.2.4 Mesh 199

10.2.5 Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu 203

10.2.6 Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 10.2.7 Xử lý dữ liệu sau khi đã thiết lập xong 10.3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU 206

Chương 11: BÀI TOÁN CƠ CẤU CAM THÙNG 209

11.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 209

11.1.1 Mục đích 209

11.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng 209

11.2 CÁC BƯỚC THIẾT LẬP VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ MÔ PHỎNG CƠ CẤU CAM THÙNG 211

11.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 211

11.2.2 Xuất mô hình Cam thùng 212

11.2.3 Thiết lập các thông số và điều kiện cho cơ cấu để mô phỏng 213

11.2.4 Mesh 220

11.2.5 Thiết lập phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu 223

11.2.6 Thiết lập lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 225

11.3 KẾT QUẢ CUỐI CÙNG SAU KHI XỬ LÝ SỐ LIỆU 228

11.3.1 Total Deformation 228

11.3.2 Equivalent Stress 229

11.3.3 Equivalent Total Strain 230

11

Chương 12: BÀI TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG THẲNG 231

12.1 MỤC ĐÍCH VÀ KẾ HOẠCH TỔNG QUÁT ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 231

12.1.1 Mục đích 231

12.1.2 Kế hoạch tổng quát để thực hiện mô phỏng 231

12.2 HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 233

12.2.1 Khởi động phần mềm và chọn mô phỏng động học 233

12.2.2 Khởi tạo mô hình bánh răng thẳng cần phân tích 234

12.2.3 Cài đặt các thông số và điều kiện cho cơ cấu 235

12.2.4 Cài đặt Joint cho cơ cấu 240

12.2.5 Mesh 241

12.2.6 Cài đặt phần phân tích các bước và thời gian cho cơ cấu 242

12.2.7 Cài đặt Moment 243

12.2.8 Cài đặt lực và điều kiện hoạt động cho cơ cấu 246

12.2.9 Xử lý dữ liệu 247

12.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 248

TÀI LIỆU THAM KHẢO 251

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

13

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ANSYS WORKBENCH R16

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, có khả năng:

1) Hiểu được tầm quan trọng của phần mềm ANSYS trong lĩnh vực kỹ thuật

2) Hướng nghiên cứu và sử dụng phần mềm ANSYS

1.1 TỔNG QUAN

1.1.1 Tổng quan về ANSYS Workbench R16

Công ty ANSYS thành lập vào năm 1970 tại Cannonsburg – bang Phasylvania – Hoa Kỳ, phát triển và thương mại hóa toàn cầu các phần mềm mô phỏng kỹ thuật và công nghệ Gói phần mềm này được các kỹ

sư và nhà thiết kế sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp

Phần mềm được tập trung phát triển các giải pháp linh hoạt cho phép tiến hành phân tích các bản thiết kế trực tiếp trên máy tính, cung cấp môi trường nền chung cho việc phát triển một cách nhanh chóng và hiệu quả với chi phí hợp lý từ giai đoạn thiết kế ý tưởng đến giai đoạn thử nghiệm cuối cùng và kiểm tra bằng thực tế Công ty và mạng lưới đối tác (Channel Partners) toàn cầu với hơn 20 điểm bán hàng chiến lược và các chi nhánh trên khoảng 40 quốc gia, có khoảng 1.600 nhân viên thực hiện việc phân phối sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo nhân lực Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn,

cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến tính, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý ANSYS là phần mềm mạnh

mẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần

tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế

giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor) Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính Trong quá trình này cần định hướng xem bài toán sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ,…), mô hình hóa như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ,…), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell, Plate,…)

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS giúp dễ dàng hơn trong việc giải các bài toán Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trong ANSYS Đồng thời, ANSYS cũng cung cấp 2 cách để giao tiếp với (Graphic User Interface, GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (cũng có thể dùng kết hợp 2 cách này một cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả,…)

Với các dòng sản phẩm của ANSYS, Công ty ANSYS đã thiết lập nên một chuẩn mực trong mô phỏng kỹ thuật Công ty ANSYS xây dựng, phát triển, cung cấp phần mềm và hỗ trợ toàn cầu cho các giải pháp mô phỏng kỹ thuật nhằm dự đoán các ứng suất của sản phẩm ở trong môi trường sản xuất và sử dụng thực tế Công ty ANSYS là công

ty hàng đầu trong việc phát triển cả công cụ và công nghệ CAE (Computer Aided Engineering) Các giải pháp ANSYS giúp doanh nghiệp không chỉ biết được các tính năng hoạt động của sản phẩm mà

cả chất lượng thiết kế của nó

ANSYS được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp:

được đổi mới

• Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm

phẩm mới Quy trình mềm dẻo và đáp ứng nhanh hơn, cho phép thay đổi thiết kế ngay cả ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm

15

để đưa sản phẩm vào thị trường với giá thành thấp hơn

Trước đây, để có được tất cả các khả năng mô phỏng số (cần thiết cho các bài toán phức tạp và kết hợp nhiều trường vật lý) cần có một kịch bản rất phức tạp và thường đòi hỏi phải kết hợp nhiều phần mềm khác nhau Phần mềm ANSYS Multiphysics cung cấp một công cụ phân tích đắc lực kết hợp các môđun: tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học, và điện từ trong một sản phẩm tích hợp duy nhất Với gói phần mềm ANSYS Multiphysics, sẽ cảm thấy thực sự thoải mái

và có được một chuỗi khả năng mô phỏng tuyệt vời của ANSYS

ANSYS Multiphysics tích hợp cả hai phương pháp trực tiếp (phương pháp ma trận) và phương pháp nối tiếp (phương pháp vectơ tải trọng) để đưa ra các kết quả mô phỏng chính xác, đáng tin cậy trong mọi lĩnh vực từ các hệ thống làm mát, sản xuất năng lượng, tới công nghệ sinh học và các hệ vi cơ điện tử (MEMS) Phần mềm cũng có khả năng

mô phỏng dễ dàng các bài toán tương tác giữa các trường vật lý khác nhau: nhiệt - cơ, dòng chảy, kết cấu hay tĩnh điện, kết cấu với nhiều thuật giải phong phú có thể lựa chọn

Ví dụ về phân tích bài toán trao đổi nhiệt bằng phóng xạ giữa một trụ lăn trên một tấm phẳng bằng thuật toán Đa trường (Multi-field) ANSYS Structural là một phần mềm tính toán kết cấu đơn thuần

mà không cần đến các phân tích tương tác ANSYS Structural, với khả năng mô phỏng hoàn hảo các kết cấu phi tuyến tính cũng như tuyến tính

sẽ mang lại các kết quả chính xác và đáng tin cậy Trong ANSYS Structural có đầy đủ các loại phần tử, các mô hình vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, mô hình vật liệu không đàn hồi giúp cho phần mềm có thể

mô phỏng được các kết cấu lớn và phức tạp Ngoài ra, phần mềm cũng phân tích được sự tiếp xúc trong các mối lắp Sẽ hoàn toàn cảm thấy thoải mái và dễ dàng tiếp cận các mô hình vật liệu cũng như lựa chọn các tùy chọn giải tối ưu cho bài toán qua giao diện đồ họa kiểu cấu trúc cây Các tùy chọn giải cao cấp hơn được thực hiện qua chức năng tính toán song song Từ ANSYS Structural, cũng có khả năng nâng cấp lên thành ANSYS Mechanical khi cần thiết Các phân tích tương tác cao cấp hơn nữa như dòng chảy, điện từ chỉ được tính toán trong gói phần mềm ANSYS Multiphysics

ANSYS Design Space là một gói phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, giúp cho các nhà thiết kế và kỹ sư có thể thực hiện toàn bộ công việc của mình từ việc xây dựng ý tưởng, mô hình hóa, và hiện thực hóa các ý tưởng ngay trên bàn làm việc Sử dụng công nghệ Knowledge-Based

Automation, phần mềm này được xây dựng dựa trên những kỹ thuật đặc biệt mạnh mẽ của ANSYS, những kỹ thuật đã được phát triển suốt 32 năm qua

Sử dụng Design Space, các nhà thiết kế có thể rút ngắn thời gian cho ra một sản phẩm và tránh được nhiều sai sót Với Design Space, các

kỹ sư dễ dàng thực hiện các bài tính kết cấu, nhiệt, động lực học, tối ưu hóa khối lượng, tối ưu hóa chức năng, mô phỏng các dao động, tính toán các hệ số an toàn v.v

1.1.2 Mục tiêu

Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R16 để mô phỏng một số

cơ cấu cơ khí phổ biến hiện nay nhằm phân tích ứng suất, chuyển vị và biến dạng của cơ cấu trong quá trình làm việc có tải trọng nhất định Tìm hiểu các kiểu cơ cấu từ đơn giản đến phức tạp để biết rõ hơn nhiệm vụ, nguyên lý hoạt động giữa các chi tiết hay bộ phận với nhau từ

đó lên kế hoạch mô phỏng, cài đặt liên kết, chia lưới và thiết lập điều kiện biên cho bề mặt làm việc để phân tích ứng suất, ứng lực

Từ việc nghiên cứu và sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R16 để mô phỏng, phân tích cho các cơ cấu cơ khí qua đó mong muốn phần mềm có thể sử dụng dễ dàng và nhiều hơn trong nhiều ngành kỹ thuật hoặc đưa vào giảng dạy cũng như áp dụng vào một số môn học về động học, tĩnh học như sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, nhằm giải quyết các vấn đề về ứng suất, chuyển vị, độ biến dạng một cách đơn giản và nhanh hơn

17

Chương 2 GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG PHẦN MỀM

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, có khả năng:

1) Giải thích được các công dụng của các thành phần trong phần mềm

2) Trình bày được tổng quan các lệnh trong phần mềm ANSYS

2.1 GIAO DIỆN PHẦN MỀM

Để mở phần mềm với phiên bản ANSYS Workbench R16:

Start/All programs/ANSYS Workbench R16

Gồm 3 khu vực chính:

Extensions, Help

 Thanh công cụ: chứa danh sách các công cụ mô phỏng

 Vùng làm việc: chứa sơ đồ mô phỏng

2.2 THANH ĐIỀU KHIỂN

19

2.2.1.1 Các lệnh thực hiện với Project

: Tạo Project mới

Thanh Menu View cần quan tâm Toolbox Customization để thay

đổi tên công cụ mô phỏng, hay nói cách khác là thay đổi tên các thanh

mô phỏng ở Analysis Systems Và thanh Project Schematic giúp hiểu

rõ hơn về từng phần mà ANSYS thực hiện như mô phỏng tĩnh học, động học, Từ đó, lựa chọn được công cụ mô phỏng, tính toán

Hình 2.6: Menu Tools

Hình 2.9: Thanh Help

2.3 GIAO DIỆN LÀM VIỆC TRONG TRANSIENT STRUCTURAL 2.3.1 Các thanh công cụ trong Transient Structural

Với mục đích chính là phân tích và mô phỏng động học cho các cơ

cấu cơ khí nên chọn thanh Transient Structural trên thanh Analysis

23

Ý nghĩa từng thanh ở bảng Transient Structural như sau:

phần mềm ANSYS hoặc có thể tạo ra mô hình (đơn giản) Ngoài ra, cũng có thể kiểm tra cơ cấu trước khi đưa vào tính toán, mô phỏng để tránh lỗi có thể xảy ra

Hình 2.12: Thanh Geometry

đây được coi như là thanh công cụ làm việc chính

 Thanh Setup: giúp biết được các hiển thị và cài đặt, thiết lập

các mục như lực, moment,… phục vụ cho quá trình mô phỏng

và phân tích

 Thanh Solution: giúp biết những yêu cầu cần nghiên cứu, phân

tích như Total Deformation, Equivalent Stress,…

 Thanh Results: giúp biết được kết quả của quá trình tính toán

Ở thanh này tùy vào việc chọn phân tích sẽ nhận được kết quả như thiết lập Và từ đó đưa ra kết luận xem có phù hợp với kết quả thực tế không

2.3.2 Nhập mô hình CAD 3D

Sau khi thực hiện thao tác như trên hình 2.13 thì chọn thư mục

chứa file mô hình để đưa mô hình vào (chú ý phần mềm ANSYS nhận những file có phần mở rộng stp ; igs ; x_t)

Hình 2.13: Chọn file

2.3.3 Môi trường làm việc chính

Chọn thanh Model ở khung Transient Structural để bắt đầu vào môi

trường làm việc như hình 2.15

Sau khi đã vào môi trường làm việc, cần phải kiểm tra lại cơ cấu bằng cách giữ chuột giữa để xoay và kiểm tra bằng mắt Cách khác là chọn Geometry, nhấp chuột vào từng chi tiết để kiểm tra Việc này góp phần hạn chế các rủi ro, hư hỏng trong quá trình mô phỏng và tính toán

Hình 2.14: Thành phần cơ cấu

Sơ đồ làm việc

Thanh hiển thị giá trị cài đặt

25

Menu File: đối với thanh này thì có 4 thanh công cụ như sau:

Hình 2.17: Menu File

 Refresh All Data: giúp thực hiện lại việc tính toán dữ liệu khi

có lỗi xảy ra hoặc không theo ý muốn

 Save Project: lưu file

 Export: dùng để xuất cơ cấu

 Close Mechanical: đóng chương trình

View: dùng quản lý giao diện của phần mềm với góc nhìn của chi tiết

Hình 2.18: Menu View

Phần mềm sẽ tự động đánh dấu vào các mục mặc định, và cũng có thể thay đổi tùy theo mục đích sử dụng

Thanh Toolbars: các thanh công cụ được đánh dấu trước tiên sẽ

xuất hiện

Hình 2.19: Thanh Toolbars

Thanh Units: dùng để chọn hay đổi đơn vị như kg, m, s, K, A, N,

V,… tùy vào bài mà chọn đơn vị thích hợp Ngoài ra, còn có chế độ hiển thị giá trị khi nhập (kết quả) là giá trị gốc hay giá trị theo việc cài đặt

27

Tools: Thanh Tools chứa một số thanh nhưng chú ý quan tâm đến

thanh Solve Process Setting

Hình 2.22: Menu Tools

Nhấp đôi chuột vào thanh Solve Process Setting xuất hiện bảng

như hình 2.23 Mục đích để thêm vị trí đang xét cũng như có thể di

chuyển vị trí mới trên máy tính khác

Hình 2.23: Thanh Solve Process Settings

Mechanical Help: Giải thích hướng dẫn sử dụng phần mềm

Hình 2.24: Menu Help

2.3.3.2 Các thanh công cụ hỗ trợ thường dùng

trợ trong việc chọn hướng nhìn theo từng trục hay tiêu chuẩn cách thể hiện chi tiết

đường, mặt, toàn bộ, thêm bề mặt chọn

 Geometry: là khu vực hiển thị mô hình, mô hình có bao nhiêu

chi tiết sẽ hiển ở mục này Ngoài ra, trên mỗi chi tiết của mô hình khi nhấp chuột phải sẽ hiện ra danh sách các công cụ hỗ

trợ để thuận tiện hơn trong việc lựa chọn bề mặt chi tiết

29

Hình 2.26: Thanh công cụ hỗ trợ trong Geometry

Các công cụ thường được dùng trong thanh công cụ hỗ trợ này là:

Hình 2.27: Hide (ẩn)

Hình 2.28: Show (xuất hiện)

 Coordinate Systems: giúp điều chỉnh tọa độ cơ cấu theo

hướng nhìn

Hình 2.29: Coordinate Systems

 Connections: nơi thiết lập các liên kết, kiểu truyền chuyển

động, các ràng buộc cho cơ cấu

Hình 2.30: Connections

Body-Ground: kiểu liên kết nền

Body-Body: kiểu liên kết giữa các vật thể

Contact: các kiểu liên kết

Spot Weld: khớp nối

Connection Group: liên kết nhóm

Hình 2.31: Các thanh công cụ thường dùng trong Connections

 Mesh: khu vực chia lưới để tính toán

Hình 2.32: Các kiểu chia lưới (Mesh)

31

 Method: chia theo kiểu lần lượt, toàn bộ

 Sizing: theo mặt cắt

 Face Meshing: chia theo mặt chọn

 Match Control: chia theo bài toán nén

 Transient: khu vực cài đặt các điều kiện tạm thời cho cơ cấu

Analysis Setting: cài đặt thời gian, số bước cho quá trình chuyển

động của cơ cấu theo yêu cầu

Hình 2.33: Analysis Settings

- Nhấp chọn Analysis Settings thì vùng hiển thị giá trị cài đặt

xuất hiện bảng nhập giá trị vào như hình 3.34

- Tùy vào cơ cấu, mục đích mà thiết lập giá trị riêng và có thể thay đổi nếu không đáp ứng đủ yêu cầu đề ra

Hình 2.34: Bảng nhập giá trị bước và thời gian

Solution: khu vực chọn các giải pháp phân tích

Hình 2.35: Solution (kết quả)

 Linearized stress: lực căng tuyến tính

Khi đã chọn được kiểu cần phân tích tính toán, nhấp chuột phải tại

Solution chọn Solve để chạy quá trình tính toán, mô phỏng

33

Chương 3

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, có khả năng:

1) Hiểu rõ nguyên lý và cấu tạo của cơ cấu

2) Ý nghĩa các thông số và ảnh hưởng của nó khi cơ cấu hoạt động

Có thể thiết kế cơ cấu trên các phần mềm như AutoCAD, Creo, Solidwork,

Các cơ cấu được trình bày:

1 Cơ cấu bánh răng côn

2 Cơ cấu bánh răng thẳng

3 Cơ cấu tay quay con trượt

4 Cơ cấu Cam phẳng

5 Cơ cấu bánh răng hành tinh

6 Cơ cấu bánh vít trục vít

7 Cơ cấu Cam thùng

8 Cơ cấu thanh trượt và bán bánh răng

3.1 TÍNH TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG CÔN

Đặt vấn đề: Cho cơ cấu bánh răng côn có 𝑑𝑒1=𝑑𝑒2=100 mm, z1= z2

= 25, m = 2, δ1 = 26,5o, δ2 = 63,5o, b = 10 mm Với kiểu liên kết ma sát

có hệ số là 0.1 (lý tưởng) Hãy xác định chuyển vị, ứng suất và độ biến

dạng lớn và bé nhất

3.1.1 Cơ sở tính toán

Để tính toán thiết kế một cơ cấu bánh răng côn cần thực hiện theo các trình tự, các thông số như điều kiện làm việc, công suất, số vòng quay và tỷ số truyền

Hình 3.1: Thông số tính toán bánh răng côn

Chọn ứng suất tiếp xúc cho phép đối với bộ truyền bánh răng côn theo giá trị nhỏ nhất cặp bánh răng Tuy nhiên, khi độ rắn một bánh răng lớn hơn 350HB và khi 𝐻𝐵1−𝐻𝐵2 ≥100 và vận tốc vòng v (m/s) ≤ 20 thì ứng suất cho phép tính theo công thức

[𝜎𝐻] = 0,45 ([𝜎𝐻1] + [𝜎𝐻2]) ≤ 1,15 [𝜎𝐻] Chọn hệ số chiều rộng vành răng ψ𝑏𝑒 = 0,285 Chọn sơ bộ hệ số tải trọng tính

𝑑𝑒2 = 𝑚𝑒𝑧2 và chọn 𝑚𝑒 theo giá trị tiêu chuẩn

 Xác định các góc mặt côn chia 𝛿1, 𝛿2 theo công thức:

 Đường kính vòng chia ngoài: de1=de2= 100 mm

 Đường kính vòng chia trung bình: dm1 = dm2 = 42,875 mm (ψbe = 0,285)

 Chiều dài côn ngoài: Re = 35,35 mm

3.2 TÍNH TOÁN CƠ CẤU BÁNH RĂNG THẲNG

Đặt vấn đề: Cho cơ cấu bánh răng thẳng có 𝑑𝑒1 = 𝑑𝑒2= 100 mm,

z1 = z2=25, m =2, b=10 mm Với kiểu liên kết ma sát có hệ số là 0,1 (lý tưởng) Hãy xác định chuyển vị, ứng suất và độ biến dạng lớn và bé nhất

3.2.1 Cơ sở tính toán

Tương tự bánh răng côn các thông số đầu vào như điều kiện làm việc, công suất, số vòng quay, tỷ số truyền có thể chọn tương đối sao cho phù hợp với thực tế

Hình 3.2: Thông số tính toán bánh răng thẳng

 Ứng suất tiếp xúc cho phép sơ bộ có thể được xác định theo công thức:

Với bánh răng trụ răng thẳng chọn:

[𝜎𝐻] = 𝑀𝑖𝑛{[𝜎𝐻1], [𝜎𝐻2]}

Chọn ứng suất tiếp xúc cho phép [𝜎𝐻] theo bánh dẫn, là bánh răng

có độ bền thấp hơn

3.3 CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT

Đặt vấn đề: Cho cơ cấu tay quay con trượt với thông số:

 Đặt một lực P = 1000 Pa vào con trượt thanh ngang

Hãy tính toán chuyển vị, ứng suất và biến dạng của cơ cấu vừa nói trên

3.3.1 Cơ sở tính toán

Cơ cấu tay quay con trượt chủ yếu hoạt động dựa trên nguyên lý xoay tròn và tịnh tiến, ở đây được hiểu là chuyển động xoay tròn thành tịnh tiến, thông qua tay quay xoay tròn làm trượt con trượt trên thanh trượt đứng và ngang

Hình 3.3: Tính toán cơ cấu tay quay con trượt

Gọi D là đường kính quỹ đạo tay quay chuyển động với tâm tại trục tay quay

L1 là độ dài thanh trượt đứng

L2 là độ dài thanh trượt ngang

Để cơ cấu hoạt động được cần thỏa điều kiện: D ≤ L1*L2 (tâm tay quay tại trung điểm thanh trượt)

3.3.2 Kết quả tính toán

Chiều dài tay quay: 140 mm

39

Chiều dài thanh trượt đứng: L1 = 320 mm

Chiều dài thanh trượt ngang: L2 = 320 mm

Hành trình con trượt: S = 280 mm

3.4 CƠ CẤU CAM PHẲNG

Cơ cấu Cam là cơ cấu khớp loại cao, có khả năng thực hiện được những chuyển động có chu kỳ phức tạp của khâu bị dẫn với độ chính xác cao Cam phẳng chuyển động trong cùng một mặt phẳng hay trong các mặt phẳng song song nhau với khâu dẫn của cơ cấu gọi là Cam, còn khâu

bị dẫn gọi là Cần

Hình 3.4: Tính toán cơ cấu Cam phẳng

Thông số hình học cơ bản của Cam với các góc công nghệ được xác định trên biên dạng millimeter ứng với các cung làm việc khác nhau

 Góc công nghệ đi xa 𝛾đ: ứng với giai đoạn cần đi xa tâm Cam

 Góc công nghệ đứng xa 𝛾𝑥: ứng với giai đoạn cần đứng yên ở vị trí xa tâm Cam nhất

 Góc công nghệ về gần 𝛾𝑣: ứng với giai đoạn cần về gần tâm Cam

vị trí gần tâm Cam nhất

Để cần chuyển động qua lại, tối thiểu trên biên dạng Cam phải có 2 góc 𝛾đ, 𝛾𝑣

Hình 3.5: Thông số hình học cơ bản của Cam

Góc áp lực đầu Cần:

𝑁 = 𝑃 𝑉𝐵2cos (𝛼 + 𝜑) (N: Góc áp lực đầu cần, 𝜑: Góc ma sát giữa Cam và Cần)

Hình 3.6: Góc áp lực đầu Cần