Đồ án tốt nghiệp :Tính toán bền cho mảng ốp đầu và đuôi làm bằng vật liệu composite trên xe bus của công ty samco

2.2- Giới thiệu tổng quan về vật liệu Composite và những tính chất cơ học của vật liệu 2.3- Giới thiệu chương trình ANSYS và lý thuyết tính bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2.4- Tí

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH CƠ TIN KỸ THUẬT

¬

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tii:

TÍNH TOÁN BỀN CHO MẢNG ỐP ĐẦU VÀ ĐUÔI

LAM BANG VAT LIEU COMPOSITE TREN XE BUS

CUA CONG TY SAMCO

GVHD: TS TRUONG TICH THIEN

SVTH : TRAN XUAN PHUC MSSV : 10106102

BO GIAO DUC va DAO TAO CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM

Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Khoa Cơ Khí Tự Động - Robot RAE AEE

eset ek ek ae Tp HCM, Ngày Tháng Năm 2007

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và TênSV : Trần Xuân Phúc MSSV: 10106102

Ngành : Cơ Tin Kỹ Thuật Lớp : O1DCTI

1- Đầu đề đổ án: Tính Toán Bền Cho Mảng Ốp Đầu Và Đuôi Làm Bằng Vật Liệu

Composite Trên Xe Buýt Của Công Ty SAMCO

2- Nhiệm vụ (yêu câu về nội dung và số liệu ban đầu):

2.1- Giới thiệu tổng quan về xe khách ~ Buýt

2.2- Giới thiệu tổng quan về vật liệu Composite và những tính chất cơ học của vật liệu

2.3- Giới thiệu chương trình ANSYS và lý thuyết tính bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.4- Tính toán lực cẩn cho bài toán và tính bến trong phần mềm ANSYS

2.5- Đưa ra một số kết luận tổng quát

3- Ngày giao nhiệm vụ đổ án : 3/10/2006

4- Ngày hoàn thành nhệmvụ : 27/1/2007

5- Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn

1

TỔ cv 1H 1H Hy tk ke a wenneaetaseaeeseeeaeeaeraeeneseeenernertrerees

Ngà yổ) tháng 4 nam 2007

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

N¡kuA- Ink hh

1s £6 Dinh Phuong 18 Guang Gich Chién

BO GIAO DUC va DAO TAO CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM

Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Khoa Cơ Khí Tự Động - Robot A AR A

RR RA Tp HCM, Ngay Thang Nam 2007

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I- Họ và Tên SV: Trần Xuân Phúc MSSV : 10106102

Ngành : Cơ Tin Kỹ Thuật Lớp : OIDCTI

2- Đề tài: Tính Toán Bên Cho Mảng Ốp Đầu Và Đuôi Làm Bằng Vật Liệu

Composite Trên Xe Buýt Của Công Ty SAMCO

3- Tổng quát về bản thuyết minh:

Sốbảngsốliệu — Số hình vẽ Gỗ

Số tài kiệu tham khảo 8 Phần mềm tính toán ANSYS Hiện vật sản phẩm) Thuyết minh bằng máy tính I 4- Tổng quát về các bản vẽ:

- Tổng số bản vẽ: Bản A0: 6 Bần A1: Bắn A2: Khổ khác:

- Số bản vẽ tay: Số bản vẽ trên máy tính: .6

5- Nội dung và những ưu điểm chính của Đồ Án Tốt Nghiệp:

- Nội dung chính của đồ án là đùng chương trình ANSYS để tính toán bền cho mắng ốp đầu và đuôi làm bằng vật liệu composite của xe buýt

- Ưu điểm của đổ án là ứng dụng được phần mềm để tính toán các bài toán và đùng

nhiều phương pháp khác nhau để tính toán một số bài toán để kiểm tra độ tin cậy của các phương pháp cho kết quả chính xác cao

- Đề án hoàn toàn đủ tin cậy để ứng dụng thực tế

6- Những thiếu xót chính của Đô Án Tốt Nghiệp:

- Do thời gian thực hiện để tài quá ngắn và phải tìm hiểu về chương trình ANSYS nên

không thể thực hiện được các bài toán tính bển phức tạp khác Mà chỉ có thể thực hiện những bài toán tính bến cho vật liệu composite cho mang ốp đầu và đuôi trên xe

Đồ án tốt nghiệ “=——ễ```': '!‹‹:; Tich Thién GVHD: TS Trương Tích Thiện

LỜI CẢM ƠN

Hoàn tất giai đoạn học tập ở trường và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này,

em xin chân thành cảm ơn:

* Cha Mẹ, hai đấng sinh thành, Người cho chúng con hình hài, dạy dỗ, luôn đìu đắt và là chỗ dựa cho chúng con trong suốt cuộc đời

* Các Thầy Cô đã hết lòng truyền trao kiến thức cho chúng em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu ở trường,

* Đặc biệt em xin chân thành cầm ơn Tiến sĩ Trương Tích Thiện, là người trực tiếp hướng dẫn luận án tốt nghiệp cho em Thầy đã tận tụy, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn cho chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài này

* Cảm ơn những người bạn trong suốt bốn năm học đại học, đã hỗ trợ vật

chất lẫn tinh thần cũng như luôn chia sẽ cho nhau những khó nhọc trong thời gian

cùng học và để chúng mình đạt được kết quả như ngày hôm nay

Sau cùng, chúng em xin chân thành kính gởi lời tri ân các tác giả của các tác phẩm đã cung cấp cho chúng em những tài liệu tham khảo quý giá

—ằằ TT Ềẽ®=ŸằễẽẼẽễ——Ễễ-Ễ _ Ễ _Ễ_ƑÏ]Ÿ-FẹƑỷừc

SVTH : Trần Xuân Phúc

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

| ễ

LỜI NÓI ĐẦU

Mảng ốp đầu và mảng ốp đuôi là hai bộ phận không thể thiếu của một chiếc xe buýt bất kỳ nào Ngoài việc cấu tạo hoàn thiện hình dạng của

chiếc xe mà nó còn làm nhiều nhiệm vụ khác như: chống lại lực cản của

gió của không khí khi xe đi chuyển, mảng ốp đầu cần lại áp lực hướng tới khi xe di chuyển, mắng ốp sau có nhiệm vụ che chắn cho hành khách và

hàng hoá không bị hút về phía sau Nó chống lại sự va chạm từ phía trước

cũng như phía sau khi xe di chuyển, bảo vệ hành khách không bị văng ra ngoài từ những va chạm trên

Trước đây hai bộ phận trên thường được sản xuất và chế tạo từ các hợp

kim kim loại như thép Nhưng trong những thập kỷ gần đây chúng đã

được thay thế bởi một loại vật liệu có những tính năng tương tự như thép

Thậm chí nó còn có những tính chất nổi trội hơn rất nhiều như: độ bên, độ

chắc, nhẹ, không bị rỈ rét trong không khí, chịu thời tiết Đó là vật liệu composite

Vì vậy em đã nhận để tài “Tính Toán Bến Cho Mảng Op Dau Va Mang

Op Đuôi Làm Bằng Vật Liệu Composite Trên Xe Buýt Của Công Ty

SAMCO” Với những nhiệm vụ tối ưu trên của mảng ốp đầu và mảng ốp đuôi đòi hỏi việc tính bền cho chúng phải chính xác và phù hợp với những tính năng của vật liệu composite Tuỳ vào từng trường hợp khi xe

lưu thông mà ta có thể phân tích, đặt áp lực tính toán cụ thể cho chính

xác

SVTH: Trần Xuân Phúc

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 GIGI THIEU TONG QUAN VE XE KHACH — BUYT

* Giới thiệu sơ lược về chức năng, vai trò và vị trí của xe buýt hiện nay

⁄ Giới thiệu về chức năng kỹ thuật của khung xe buýt

⁄ Giới thiệu về mắng ốp đầu và ốp đuôi của xe buýt

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VE CONG NGHE VAT

LIEU COMPOSITE

V Khai niém co ban vé vat liéu composite

Y Dac diém va phan loai vật liệu composite

¥ Tinh chat vat liéu composite

¥ Composite nén polyester cốt sợi thuỷ tỉnh

Y Cac thong sé ky thuat của mảng ốp đầu và mắng ốp đuôi làm bằng vật

liệu composite

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN vi PHAN MEM ANSYS VA LY THUYET PHUONG PHAP PHAN TỬ HỮU HẠN

vé Giới thiệu chương trình Azsys°

*ˆ Phương pháp phần tử hữu hạn trong cơ học

CHƯƠNG 4 TINH TOAN CÁC THÔNG SỐ CHO CHO BÀI TOÁN VÀ KIỂM TRA BEN TRONG PHAN MEM ANSYS

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ XE KHÁCH - BUÝT

1.1 Chức năng, vai trò và vị trí của xe buýt hiện nay .cccce mi 1 1.1.1 Chức năng và vai trò của xe buýt che re 1 1.1.2 Vị trí của xe buýt biỆn nay «Ss kcxhnHhghn ưgg 1 1.2 Vai trò của khung Xe ĐuÝ( .- TH HH ng He sevens 2

1.2.1 Chức năng kỹ thuật của khung xe buýt cu rhiee 2 1.2.2 Kết cấu khung sàn của xe buýt 52 cvSssrkverstrsrrererrerroe 2

1.3 Giới thiệu tổng quan về mảng ốp đầu và đuôi xe buýt 4

CHUONG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VẬT

2.3 Tính chất vật liệu CornpOSiE€ - ¿s5 5 St 23 33x Sv SE 2 ErEtktkerrkre rrearrrg 10

2.3.1 Tính chất hoá học của vật liệu composite cơ nền polyester LŨ

2.3.2 Phân loại polÏy©Sf€T cai eHrrreeirererrrerxs.uee LỔ

2.4 Composite nền polyester cốt sợi thuỷ tỉnh . -sccccccccec are 12

2.4.1 Đặc tính của sợi thuỷ tỉnh E

2.5 Các thông số kỹ thuật của mảng ốp đâu và mảng ốp đuôi làm bằng vật liệu

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU TONG QUAN VE PHAN MEM ANSYS VA LY

THUYET PHUONG PHAP PHAN TU HUU HAN

3.1 Giới thiệu chương trình Ansys® — 1 17

3.1.1 Lịch sử ra đời của ANSVS cL HH ng HH TH HH tre Hang 17

3.1.2 Quan điểm của ANSYSỂ, c2 g1 trsreeee 18

, ——=——sa-a.ynanaaaaơaơơơơơzơnnnzsszsszyờtnnxssxnagaasaznn

SVTH: Trần Xuân Phúc

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

3.1.3 Các modules của ANSYS” (PRODUCTS) cv 19 3.1.4 Khởi động chương trình ANSY/S” ccccccitirerierieriierrre se

3.1.5 Menu chính của ANSYSP

3.1.6 Giao tiếp vdi ANSYS®

3.1.7 Cấu trúc bài toán trong ANSYS® wu ssususncusnsusususnsnueniunannimenenemuies

3.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG CƠ HỌC

3.2.1 Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn - |Ö 3.2.2 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 3 1

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHO CHO BÀI TOÁN VÀ

KIEM TRA BEN TRONG PHAN MEM ANSYS

4.1 Ly thuyét vé lép bién va lfc CAN cececccscesesessscseccesesesesesssseceseseseaeee comes 42 4.1.1 Mô tả lớp biên — lớp biên tầng - lớp biên rối - 42

4.1.2 Phương trình lớp biên của Pranditl - -«ss<«sk*nrriree rưưm

4.1.3 Các chiều dày đặc trưng trong lớp biên

4.1.4 Hệ thức tích phân Karman của lớp biên

4.1.5 Tính toán lớp biên trên lớp phẳng

4.2 Tinh bén cho mang ốp đầu và đuôi xe buýt bằng chương trình AWSYS 47

4.2.1 Chuyển dữ liệu vào trong ANSYS

4.2.2 Xây dựng mô hình tính mảng ốp đầu

4.2.3 Xây dựng mô hình tính mảng đuôi -eĂSĂ«esnseeece.ee Z2

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 5.1 Đánh giá kết qủa nghiên cứu

co in nh -d Ô

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 22 SseSSS22132E321122111112111722e 111 Hee 86

— ==&%GGỢPEỲ_ Ốc

SVTH: Trần Xuân Phúc

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

mmmmmmxamœnxmxsax>axsaanrnssaamm>aờaơs-ẳễẳễẳễrễăèứẳnwœ-œơờớỚƠŒc

GIỚI THIỆU TONG QUAN VE XE KHACH BUYT

1.1 CHUC NANG, VAI TRO VA VI TRI CUA XE BUYT HIỆN NAY

1.1.1 Chức năng và vai trò của xe buýt

Hình 1.1

Ngày nay, xe khách-Buýt góp một phần không nhỏ trong việc phát triển

ô thị về giảm thiểu tình trạng ách tắt giao thông, tạo thuận lợi nhất cho

hành khách, giảm bớt phương tiện giao thông cá nhân, giẩm tai nạn giao

thông và ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn

Mọi người sẽ được hài lòng về dịch vụ giao thông công cộng với chỉ phí

bỏ ra thấp nhất hiện nay, 2000đổng/người với phương tiện vận chuyển

mới, máy lạnh xem tivi trên xe hành khách sẽ cắm thấy an toàn và thoải mái

1.1.2 Vi tri của xe buýt hiện nay

Bước vào năm 2002, thành phố đã có những sự quan tâm đầu tư lớn để

nâng chất lượng đội ngũ, phương tiện, nâng cấp hệ thống cơ sở hạ tầng

phục vụ cho hoạt động vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt Do

quản lý theo phương thức mới, xây dựng biểu đổ chạy hợp lý, đỗ dừng

đón trả khách đúng nơi quy định nên ngay trong năm đó đã thu được kết

a a a

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

——mẮẻò na aannasaơaaơaơa›‹ợơợơơaơa>aaaaaan

qua khả quan là vận chuyển 48 triệu lượt khách Từ thành công của năm

2002, là bàn đạp phát triển hành khách công cộng bằng xe buýt tăng cho

các năm sau Đến năm 2003, số xe buýt tăng lên và đã vận chuyển 174

triệu lượt khách Năm 2004, vận chuyển tăng lên 285 triệu lượt khách và

cho đến nay số người tham gia đi xe buýt càng ngày càng tăng

Hiện nay nhu cầu sử dụng phương tiện công cộng của người dân ngày

càng nhiều Do đó xe buýt đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong

việc đi lại của người dân và người dân cũng coi xe buýt là phương tiện đi

lại chủ yếu của mình

1.2 VAI TRÒ KHUNG XE BUÝT

1.2.1 Chức năng kỹ thuật của khung xe buýt

Khung hay bệ hoặc giá xe dùng để đỡ hay lắp đặt tất cả các cơ cấu và bộ phận của xe Khung có nhiều loại: loại có hai dầm dọc ở hai bên, khung

có dầm dọc ở giữa, kiểu xương cá hoặc khung có dâm dạng chữ X Về

tổng thể các loại khung đều có những đặc điểm chung:

- Dâm đọc và dầm ngang làm bằng thép đập và dùng đinh tán nối

với nhau, ít khí hàn

- Tiết diện, hình dáng và khoảng cách của dầm ngang phụ thuộc vào

vị trí, khối lượng, hình đạng và các cụm máy (động cơ, hộp số ) lắp đặt

- Tiết diện ngang của dầm dọc thường là hình ống, hình hộp, hình chữ U (hay dùng nhất )

- Trên đầm dọc có nhiều lỗ khoan để nối với vỏ xe hoặc với các cụm

máy khác bằng bulông hay đỉnh tán Cũng có thể có những lỗ rộng lớn giúp khung xe phân bố ứng suất đều

Cho nên khung xe là nơi rất quan trọng của xe cũng như đối với xe khung

buýt phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật khi chạy:

- Khung xe buýt phải chịu được tải trọng của tất cả hành khách và tất

cả hành lý trên xe

- Đảm bảo được tải trọng của hành khách và hành lý khi xe di

chuyển trên những đường gỗ ghể, khi xe lên dốc, khi xe xuống dốc

- Đảm bảo được tải trọng khi hành khách di chuyển qua lại trên khung trong khi xe đang di chuyển trên đường

1.2.2 Kết cấu khưng sàn của xe buýt

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

=_= _—S

Kết cấu khung sàn của xe buýt chở người phải đầm bảo các yêu cầu về:

độ bền và độ vững khi chịu tải, khả năng bố trí chung toàn xe Trong đó

các yêu cầu cụ thể quan trọng là: thuận lợi cho bố trí hệ thống trọng

lượng sàn xe thấp, mở rộng tâm quan sát của người lái, không gian tiện

nghì của khoang hành khách hợp lý, thuận lợi cho việc lên xuống, giảm

thiểu tiếng ồn và nhiệt độ, trọng lượng kết cấu nhỏ

Kết cấu khung xe buýt có thể chia thành hai dạng; kết cấu truyền thống trên cơ sở khung ôtô tải và kết cấu khung dàn

1.2.2.1 Kết cấu khung truyền thống

Kết cấu truyền thống tạo nên bởi hai đầm dọc trên đó lắp các cụm, các

hệ thống của xe và các giá đỡ toàn bộ khung, vỏ của khoang chở người

Kết cấu truyền thống có nhược điểm cơ bản là: chiều cao sàn xe lớn và trọng lượng kết cấu lớn, ngày nay ít được sử dụng

1.2.2.2 Kết cấu khung đàn Kết cấu khung dàn tạo nên bởi các thép kết cấu định hình và công nghệ

han, tán Kết cấu này được chia làm hai phần chính: dàn khung và khung

của vỏ

Cấu trúc khung dàn của ôtô buýt được chế tạo từ thép có tiết diện

(40x60) mm đến (40x80) mm với chiều dày 2-3 mm Xe sử dụng hệ thống

treo khí nén Khung của vỏ được chế tạo từ thép (40x40) mm với chiều dày 1,5 - 2,5 mm

Hình 1.2 Khung sàn xe

———————————————————

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

——————————————— EEE

1.2.3 Đặc điểm cơ bản của kết cấu

Thành bên có cửa rộng định hình, các cửa phía sau có diện tích lớn hơn cửa phía trước, các vùng bánh xe có profin đặc biệt Phần giữa của các thành bên có liên kết chéo vừa tăng cứng cho thành bên và đảm bảo độ cứng khi va chạm ngang tránh gây tổn thương cho hành khách

Phần khung đầu xe có khả năng đàn hổi và giảm chấn, các khung phía sau có độ cứng vững cao, những phần có khả năng trượt dọc xe để phòng

va chạm mạnh

Mặt cắt ngang sau xe dành chỗ cho bố trí động cơ, phần giữa khung hàn

liền thành dan nâng cao độ cứng cho khu vực chịu tải

Kết cấu chung toàn bộ khung vỏ của ôtô buýt đường dài Volvo CI0M

(1986) có động cơ đặt dưới sàn xe Với chiều cao sàn xe lớn, xe phục vụ thích hợp cho vận chuyển hành khách liên tỉnh và đường dài

Kết cấu khung vỏ của ôtô buýt thành phố có sàn thành thấp, dạng tiêu chuẩn công thức bánh xe 4x2, và tổ hợp với hệ thống trọng lượng Động

cơ đặt ở phần sau của xe, hệ thống treo khí nén, bộ phận dẫn hướng bằng

các thanh giằng dạng hình bình hành Trên cơ sở xe này năm 1987 thiết

kế thành xe hai thanh với hệ thống treo của rơ mooc là cầu kép

Chiểu cao sàn xe ở châu Âu được xác định trước năm 1970 là 740 mm, vào những năm 1980 chiểu cao sàn xe S 80 của công hòa liên bang Đức

đã hạ xuống còn 540 mm Chiểu cao sin xe được hạ thấp là nhờ việc sử dụng lốp có vỏ chiểu cao nhỏ 305/55 R19,5 và tang trống thu nhỏ từ 410

mm còn 370 mm Khi vậnm hành thou nghiệm, lếp bị mài mòn nhanh đáng kể đo tải trọng và khe hở nhiệt quá nhỏ Tuổi thọ của lốp và má phanh chỉ được 60% so với loại lốp đã sử dụng, sau đó là phải sử dụng lốp 11/20 R 22,5 với chiêu cao sàn xe 710 mm và hiện nay là 680 mm

Một số nước khác cũng giảm chiều cao sàn xe bằng các kết cấu khác nhau và sử dụng lốp 11/70 R 22,5 Kết quả trên xe Volvo B 10R có chiểu

cao sàn xe ở cầu sau là 550 mm suốt chiểu dài của xe

1.3 Giới thiệu tổng quan về mảng ốp đầu và đuôi của xe buýt

Mảng ốp đầu và đuôi của xe buýt là hai bộ phận không thể thiếu của một chiếc xe buýt bất kỳ Ngoài chức năng cấu tạo hình thành một bộ khung hoàn thiện của một chiếc xe buýt Nó còn làm nhiệm vụ che nắng che

— =_&_KGGG=EEE——IFFFEEEEEEEEEEEFEFEEEEEEEẼẼẼẼẼ— _

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

rr

mưa tạo một khoảng không gian rộng để người tài xế có thể quan sát khi

lưu thông trên đường Ngoài ra nó còn giữ một nhiệm vụ quan trọng khác

là bảo vệ cho hành khách không bị ảnh hưởng của sức cẩn của gió, của

không khí khi xe đang lưu thông trên đường Vì vậy nó chiếm một vị trí

rất quan trọng trong toàn bộ của bộ khung xe buýt Với những vai trò và

nhiệm vụ quan trọng trên đòi hỏi nhà sản xuất phải lựa chọn những loại

vật liệu tối ưu để đáp ứng được các yêu cầu trên: như độ bền, độ dẻo, độ

cứng, độ đàn hồi cao chống lại sức gió, không khí khi xe chạy với tốc độ

cao Trước nay người ta thường chế tạo mảng ốp đầu và đuôi xe buýt

bằng các hợp kim kim loại như là các loại thép Có độ bển, độ cứng cao Ỉ đáp ứng được các yêu cầu chủ yếu của xe Nhưng gặp một ít khó khăn

trong sản xuất và chế tạo vì những đặc điểm của thép là: sức chống chịu

với môi trường lâu ngày cũng không tốt (ăn mòn hoá học), chỉ phí bảo

dưỡng cao, đắt tiền Ngoài ra, vì nó quá nặng nên cũng ảnh hưởng không

ít đến bộ khung của xe và cả trong khâu chế tạo

Hình 1.3 Khung xương đầu Ngày nay cùng với sự phát triển của nghành công nghệ vật liệu.Trải qua

quá trình nghiên cứu và thử nghiệm đã phát minh ra một loại vật liệu có

những tính chất ưu việt Có thể thay thế các hợp kim kim loại trong một

số trường hợp đặc biệt Đó là vật liệu composite Với những tính chất tối

ưu như: nhẹ, chắc, bền, không rỉ, chịu hoá chất, chịu thời tiết không

khác gì các hợp kim kim loại thậm trí cồn tốt hơn rất nhiễu Vì vậy nó đã

pg er ge gg

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

được đưa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong đó có lĩnh

vực chế tạo vỏ xe hơi đặc biệt là chế tạo mảng ốp đầu và đuôi xe buýt

Hinh 1.4 Mang ốp đầu

ee ener rere ee ee reer eee errr

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

Bò -=s-.-ckr-rc———>———mTmTmmmTmTT Ty TT ——ЗỪƑ—Ừ—Ƒ_—

Chương 2

GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ VẬT

LIEU COMPOSITE

2.1 KHÁI NIỆM CƠ BAN VE VAT LIEU COMPOZIT

Vat liéu composite 1a vat liệu đa pha, nhẹ, chắc, bền, không rỉ, chịu thời

tiết, mà các pha hầu như không tan vào nhau và có tính chất kết hợp của

các pha đó Tính chất kết hợp này chỉ có thể có được khi kết hợp hai hoặc

ba vật liệu với tính chất hoàn toàn mới mà các vật liệu truyền thống không có được Điều dặc biệt của vật liệu composite là tính chất của nó hoàn toàn có thể tính toán thiết kế trước được dựa trên các tính chất cho

trước của nền và cốt

Có thể nói rằng sự ra đời của vật liệu composite là một thành tựu của

khoa học vật liệu trước những yêu cầu đa dạng và phong phú của nền

công nghiệp trong hiện tại cũng như tương lai Vật liệu truyển thống có

một số nhược diểm khó hoặc không thể khắn phục được như: nặng(bê

tông, gặt sắt, thép), dễ vỡ(sành sứ), rỉ sét, chí phí bảo dưỡng cao Những nhược điểm này khiến cho việc sản xuất, vận chuyển phức tạp, đồng thời

khi sử đụng không thuận tiện, chỉ phí bảo quản cao

Trái lại, với những ưu điểm nêu trên, compozit có thể khắc phục những nhược điểm của vật liệu truyền thống Vì vậy nó được ứng dụng vào

những mục đích, những sản phẩm và ở những nơi mà những ưu điểm của

compozit được phát huy một cách hiệu quả thoả mãn được yêu cầu trong

sử dụng Cho nên từ đầu những năm 60 thế kỉ 20, cùng với sự phát triển

của công nghệ polymer, vật liệu compozit đã không ngừng được phát

triển cho đến ngảy nay và được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp và đời sống như: vật liệu gia đình, trang trí nội thất, cầu

trượt, bể bơi, ôtô, xe lửa, máy bay

Compozit có nhiều loại được tạo ra tuỳ theo chất liệu thành phần và mục

đích sử dụng Ví dụ: trong công nghệ gốm sứ , công nghệ polymer, đều có

vật liệu được gọi là compozit Compozit thuộc chất dẻo nhiệt rắn bao gồm 2 thành phần chủ yếu là polymer và sợi gia cường:

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

————e>_mm——mmn>>annaannaarnnnaenn

Polymer: Polyester, vinyleste, epoxy

Các loại sợi: thuỷ tỉnh, aramid, polyester, cacbon

Các chất: súc tiến, xúc tác và các phụ gia khác tuy với tỷ lệ trọng lượng rất nhỏ nhưng không thể thiếu

2.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIEU COMPOSITE

Vật liệu coposite hay vật liệu kết hợp là loại vật liệu đa pha có thành

phần hoá học khác nhau, hầu như không tan vào nhau, phân cách nhau

bởi ranh giới pha, kết hợp với nhau theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm

tận dụng và phối hợp các tính chất ưu việt của từng pha

Thông thường trong các vật liệu truyền thống như kim loại, hợp kim,

polime, gốm một số tính chất thường trái ngược nhau

Vi dụ: hợp kim có độ cứng, độ bền cao thường có độ dẻo, dai thấp

Vật liệu composite khắc phục được nhược điểm này, chúng có thể có độ

bén cao lại vừa đẻo dai, chịu mài mòn, chịu nóng, chịu ăn mòn hoá học

cao

Vật liệu composite thường có đặc điểm sau:

Là vật liệu đa pha, khác về bản chất, hầu như không tan vào nhau, phân

cách bằng ranh giới pha Trong thực tế phổ biến là loại composite hai pha: pha nền là pha liên tục trong toàn khối, pha cốt là pha phân phối

gián đoạn

Nền và cốt có tỉ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế

định trước

Tính chất của các pha thành phan kết hợp lai tạo nên tính chất của

composite Tuy nhiên nó không bao hàm tất cả các tính chất của pha khi

đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn tính chất tốt và phát huy thêm

Vật liệu composite có thể phân theo hai cách:

Phân loại theo bản chất nền

- composite nén chat déo

- composite nén kim loai

- composite nén g6m

—————————————

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

—>——>—-s=xcT==Ỷ.Ỷ-Ỷ-.-.ớợẳỶ-Ỷẳ»z›zsnnnngnnnïnrn

-composite nền đa pha

Theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc có thể phân thành làm ba

nhóm

- composite cốt hạt

- composite cốt sợi

- composite cau tric

Tổ chức của vật liệu composite

Nhu da trinh bay composite 1a vat liệu có tổ chức đa pha, phổ biến nhất

là tổ chức hai pha bao gồm pha nên và pha cốt

2.2.1 Cốt

Cốt là pha gián đoạn đóng vai trò tạo nên độ bên cao, môđun đàn hôi cao

cho composite Do đó bản thân cốt phải có độ bền, môđun đàn hồi cao và

phải nhẹ để có độ bến riêng cao Cốt có thể được chế tạo tử kim loại, vô

cơ, hay polyme, hàm lượng, hình dạng, kích thước và có sự phân bố của

cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composite

Trên hình 7.2 cho biết sơ đổ phân loại của cốt theo hình dạng (a)loại cốt

hạt, cốt sợi và dạng tấm, cũng như các hình thức phân bố cốt (b, c, d)khi

cốt hoá một chiều, hai chiều và ba chiều tương ứng

2.2.2 Nền

Nền là pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu sau:

Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành khối composite đồng nhất

Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành

các chỉ tiết theo thiết kế

Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng cơ học và hoá học của môi trường

Nền phải nhẹ và có độ dẻo cao Tuỳ thuộc vào loại composite cấn chế tạo, người ta sử dụng nền là kim loại, polyme, gốm và hỗn hợp

Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh đến công nghệ chế tạo composite và các đặc tính sử dụng như: nhiệt độ làm việc, độ bển mỏi, khối lượng riêng, độ bên riêng và khả năng chống lại tác động của môi trường bên

ngoài Với các composite cốt sợi, nền dẻo còn có tác dụng truyền và

—>——————m

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

[SSE

phân bố tải trong sang cốt Nhờ đặc tính này sự nhạy cảm đối với quá tải

cục bộ do tập trung ứng suất ở một vùng nào đó sẽ bị giẩm xuống Điều

này đặc biệt quan trọng đối với các chỉ tiết làm việc trong tải trọng động

va đập Do đó hệ số an toàn khi sử đụng vật liệu composi(e nói chung cao

hơn vật liệu truyền thống khá nhiều

2.3 TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

Tinh chất của composite bao gồm cơ, lý, hoá tính

Những tính chất kết hợp của nền và cốt trong composite có thể thiết kế

trước được Tính chất cơ học của composite phụ thuộc rất nhiều vào cơ

tính của nền và cốt cũng như độ bền liên kết giữa chúng, hình dạng và sự phân bố của cốt trong tổ chức của composite Còn các tính chất vật lý và

hoá học của composite phụ thuộc chủ yếu vào nền Vì thế nói đến

cormposite người ta nghĩ ngay đến những tính toán thiết kế các tính chất

cơ học như độ bền, độ đẻo dai, môđun đàn hồi trước khi bắt tay vào công nghệ chế tạo Những tính chất khác nhau như độ bển nóng, tính chịu nhiệt

độ, tính chịu ăn mòn của composite được tính đến khi thiết kế trên cơ sở lựa chọn loại vật liệu nền và cốt cho thích hợp Do đó trong phần này chỉ

để cập đến những tính toán về các tính chất cơ học trên cơ sở đó thiết kế được một loại composite thoả mãn về các chỉ tiêu cơ tính Các tính chất

vật lý và hoá học được lựa chọn trên cơ sở nền và cốt của các vật liệu

phù hợp đã giới thiệu trong giáo trình vật liệu học (vật liệu kim loại, polyme, vô cơ)

2.3.1 Tính chất hoá học của vật liệu composite có nền là polyester

Polyester là thành phần cơ bản của vật liệu composite, là sản phẩm xuất

xứ từ công nghệ hoá dầu Polyester đóng vai trò như một loại keo nhựa,

để liên kết các sợi thuỷ tỉnh (hoặc các sợi khác) và với tác dụng của các

xúc tấc, xúc tiến, các lớp nay sẽ đóng rắn trở thành vật liệu cornposite Nhờ có sợi thuỷ tỉnh gia cường cho nên sau khi đóng rắn, vật liệu composite có đặc tính cơ lý tăng cao rõ rệt, đáp ứng được các sử dụng

Muốn chế tạo composite đầm bảo chất lượng thì phải hiểu sâu về vật liệu

trong đó polyester là thành phần cơ bản

2.3.2 Phân loại polyester

rp

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

“5 _:_ ằ ¬›aasằaaasmunnnunnnn

Polyester là một loại chất dẻo, được tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ gốc

cacbon, cụ thể là các hợp chất của axit hữu cơ với rượu Polyester được

phân loại theo 3 cách sau:

2.3.2.1 Phân loại theo chất déo

Chất đẻo polyester được chia ra thành 2 loại cơ bản:

Chất dẻo nhiệt là loại chất dẻo có thể tạo dáng hoặc tạo sản phẩm bằng gia nhiệt và có thể tái sinh nhiều lần, vì chung chỉ thay đổi tính chất vật

lý

Chất dẻo nhiệt rắn khác biệt cơ bản với loại chất dẻo nhiệt là trong quá trình định hình và tạo dáng sản phẩm phải có phản ứng hoá học đồng thời phải có nhiệt, nhiệt nay sinh ran gay trong phản ứng hoá học (hoặc có thể

được gia nhiệt thêm từ nguồn nhiệt bên ngoài) Sau khi sản phẩm định

hình thì không thể tái sinh được nữa, vì quá trình trên đã làm thay đổi hẳn

đặc tính hoá học

2.3.2.2 Phân loại theo polymer

Để phân biệt cụ thể hơn, chất đẻo được phân loại theo polymer, có nghĩa

là theo thành phần hoá học của nhiều đơn tử y hệt nhau tập hợp lại với

nhau Từ nay polymer được mang tên xuất phát từ các tên đơn tử tạo ra

nó Hoặc xuất phát từ biện phát liên kết hoá học hoặc biện phát tạo thành

chuỗi với nhau của các đơn tử: ví dụ polyeste là do các đơn tử este kết nối

lại với nhau Sự phân loại như vậy giúp dễ dàng nhận biết đó là do loại

polymer nào

Vậy polyester là loại polymer được toạ ra bởi sự kết nối các đơn tử este

lại với nhau Este là loại sản phẩm cuối cùng của phản ứng hoá học giữa một axit hữu cơ với rượu có công thức hoá học tỗng quát là R-COOR'(R,

R' là các gốc ankyÙ, các polyester được tạo ra từ các phản ứng hoá học

khác nhau Axit hữu cơ có thể có một hoặc nhiều nhóm cacboxy Để chế

tạo ra polyester phải có nguyên liệu là axit hữu cơ và rượu có chứa hơn một nhóm cacboxy và hơn một nhóm rượu Thông thường polyester được hình thành từ các axít hữu cơ có 2 nhóm cacboxy, mỗi nhóm đều có thế phản ứng với nhóm rượu Do đó polyester này có chức năng kép

2.3.2.3 Phân loại theo khả năng phản ứng

FT

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

chất vật lý

Polyester chưa no còn gọi là polyester chưa bão hoà Về mặt hoá họcnó

còn có khả năgn tiếp tục tham gia phản ứng hoá học (Hên ket) với các

nhóm khác nhờ chất xúc tác, xúc tiến để tạo ra sản phẩm cuối cùng đóng

rắn Quá trinh phan ứng này sinh nhiệt và được gọi là phản ứng kết nối

ngang Polyester này thuộc chất đẻo nhiệt rắn không tái sinh được vì sau

phản ứng nó đã thay đổi bản chất hoá học

Polyester chưa no được sử dụng trong công nghệ composite-sợi thuỷ tỉnh

Do đó phần này chỉ nói đến polyester cần hiểu là polyester chưa no Polyester chưa no cũng có nhiều loại Tuỳ thuộc vào loại và tỷ lệ hàm

lượng nguyên liệu thô người ta chế tạo ra các loại polyester với các đặc tính vật lý vượt trội khác nhau để phục vụ cho nhiều mục đích đa dạng khác nhau

2.4 COMPOSITE NỀN POLYESTER CỐT SỢI THUỶ TINH

Composite nền polyester cốt sợi thuỷ tỉnh nhận được sự phổ biến rộng rãi nhất vì có độ bean cao, dễ chế tạo lại có giá thành rẻ Khi tăng hàm

lượng cốt sợi thì độ bean compositer tăng và đặc biệt khi sử lý về mặt cốt

sợi, giảm đường kính sợi và kết họp thêm các râu đơn tỉnh thể AL2O3 có

thể tạo được composite có độ bền tới 2000-2400 MPa

Nền polyme hay sử dụng là polyester và phenol-focmandehyd Cốt sợi

thuỷ tỉnh có thể ở dạng sợi một chiều hoặc dạng vải

Ngoài các đặc tính kể trên của composite nén polyester cét sợi thuy tinh còn phải kể đến tính chất ăn mòn trong các môi trường xâm thực và tính

chống rung Tuy nhiên khi tính toán kết cấu cần chú ý nay là loại vật liệu

co môđun đàn hồi thấp

SVTH: Trần Xuân Phúc

12

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

—_——>>—>>—m>mm>naxsrz>sszasasanasarnananan

Comnposite nền polyester sợi thuỷ tinh được sử dụng trong sản xuất ôtô làm mui xe, tấm cẩn sốc, chụp chắn bùn trước, cửa trong lĩnh vực hàng

không vũ trụ, chúng được dùng để chế tạo mũi đầu, đuôi nắp động cơ

máy bay, vỏ bảo vệ buông lái con tàu vũ trụ

2.4.1 Đặc tính của sợi thuỷ tỉnh E

Sợi thủy tính E còn gọi là thuỷ tỉnh điện do có đặc tính cách điện cao, nó

chứa hàm lượng kiểm thấp, trong cấu trúc lớp của composite thể hiện sức bền cơ rất tốt và tuổi thọ cao Chính nhờ đặc tính đó, sợi thuỷ tỉnh E được ứng dụng phổ biến nhất trong tất cả các loại sợi thuỷ tinh, trong mọi lĩnh

vực với các sản phẩm rất đa dạng, kể cả tàu thuyển dan dung va quan sự

Một lý do cơ bản nữa là trong các loại sợi thuỷ tinh khác rất đắt tiền nên

bị hạn chế trong ứng dụng, thì dợi thuỷ tỉnh E lại thuộc loại rẻ nhất So với giá sợi thuỷ tinh E thì sợi thuỷ tính loại C giá gấp 2 lần, R gấp 4 lần, S

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Truong Tích Thiện

rr OEE OO es

2.5 CAC THONG SO KY THUAT CUA MANG OP ĐẦU VÀ ĐUÔI

LAM BANG VAT LIEU COMPOSITE

Vật liệu cho các cấu kiện mảng đầu và mảng đuôi của xe buýt BGI đều

làm bằng vật liệu composie có nền là poiyesfer, sợi là thủy tỉnh “E” có các đặc trưng cơ học tiêu chuẩn sau:

Vat liéu nén: polyester chiém 60% thể tích

Module dan héi

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

Thông số về vật liệu composite:

Vật liệu composife có sợi là thuỷ tỉnh và nền là poiyes£er gồm 05 lớp xếp lên nhau, nhóm lớp thứ nhất có hướng sợi đan ngẫu nhiên, nhóm lớp thứ

hai có hướng sợi đan vuông góc với nhau, có các thành phần và thông số

vật liệu như sau (phụ lục đặc trưng cơ tính của vật liệu):

Chiều dày chỉ tiết:

G,

G, =G,

trong dé:

Gn : module đàn hồi trượt của nền

G;: module dan héi trượt của sợi

Ve: tilé vé phan tram thể tích của sợi

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Truong Tich Thiện

— kkskrsasasasasasrnanananannaamn

Ứng suất phá hủy:

[zxl = 116,6 MPa [zyl = 95,5 MPa

Hệ số an toàn chọ phép khi tính toán:

K [Z]/ø,) 1,5 — 2 Ứng suất chõ phép:

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

Chương 3

GIỚI THIỆU TONG QUAN VE PHAN MEM ANSYS

VÀ LÝ THUYẾT PHUONG PHAP PHAN TU HUU

HAN

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRINH ANSYS®

3.1.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CÁC TÍNH NĂNG (CAPABILITIES)

CUA ANSYS®

3.1.1.1 Lịch sử ra đời của ANSYS®

ANSYS® (Analysis Systems) la m6t hé thong tinh todn da nang Trong hé

thống này, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết nằng phương pháp phần

tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

ANSYS° được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr John

Swanson, hé thong tinh todn Swanson (Swanson Analysis Systems, Inc.), tai Hợp Chủng Quốc Hoa Kỳ Từ đó, ANSYS” đã nhanh chóng lan sang các

nước khác trên thế giới chẳng hạn như: CHLB Đức, Áo, Thụy Sĩ, Nhật, Trung Quốc, qua nhiều phiên bản với những đặc trưng như sau:

- Phiên bản 2.x: Tĩnh học, động lực học, nhiệt động học, dòng điện

- Phiên bản 3.x: Mở rộng dân những khả năng cũ, hình thành các moduie

hình học, thư viện phần tử

- Phiên bản 4.x: Khả năng về trường điện từ, vật liệu Composite, Am hoc, ngôn ngữ APDL (ANSVS® Parametric Design Language) chứa các hàm cơ ban: sin, cos, arcsin, arccos, sinhyperpole, coshyperpola, loga, him e mũ, hầm căn, giá trị tuyệt đối, vecfor, các phép tính ma trận,

- Phiên bản 5.x: Phép tính Boolean, tạo lưới động, ding thém “p-method”, biến dạng lớn, mặt tiếp xúc, siêu đàn hồi, đàn nhớt, dòng lưu chất

- Cụ thể như: AWSYS” 4.4, ANSYS” 5.0; ANSYS” 5.3; ANSYS” 5.4;

ANSVS” 5.7; phiên bắn mới nhất hiện nay là ANSYS® 6.1

———————_————— EEE

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

bE

3.1.1.2 Các tính năng của ANSYS°

ANSY3” có những tính năng nổi bật như sau:

- Khả năng để họa mạnh mẽ (như một chương trình C4), giúp cho việc

mô hình cấu trúc rất nhanh, chính xác Có khả năng truyền dẫn những mô hình CAD của cấu trúc, thành phần hay hệ thống

- Giải được nhiều loại bài toán như: tính toán chỉ tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện tử, điện từ, nhiệt, lưu chất, trường cặp đôi

- Thư viện phần tử lớn, có thêm phần tử sinh ra va chét (Element Birth and Death) dùng để loại bỏ phẫn tử hay thêm phần tử hoặc thay đổi độ

cứng phần tử trong mô hình khi tính toán Ví dụ như bài toán đào đất, xây

dựng theo từng giai đoạn Người sử dụng có thể tạo thêm phần tử mới

- Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc,

- Phân xử lý kết quả cao cấp, cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu,

- Có thể dùng ANSYS” như một ngôn ngữ lập trình

- Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ

- Giảm chỉ phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm,

- Tạo ra những mẫu kiểm tra cho những môi trường có điều kiện làm việc

khó khăn (dùng trong Cơ Sinh Học)

- Chương trình có thể truy cập dể dàng đến các hàm, lệnh, tài liệu tham khảo

- Hệ thống Men, có tính trực giác giúp cho người sử dụng định hướng đi xuyên suất chương trình ANSYS” Người sử dụng có thể nhập dữ liệu

bằng chuột, bằng bàn phím hay kết hợp cả hai

3.1.2 QUAN DIEM (PHILOSOPHY) CUA ANSYS®

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

————————————————>————————>-._na—= a-asasasasasa-.-a.ny.aơơơa

ANSYS® quan tam nhiéu vé chat lượng và đã đạt SƠ 9001, sự tiện lợi cho

người sử dụng, khả năng phát triển chương trình theo như cầu của người dùng cũng như những thay đổi về phần cứng, hệ điều hành của máy tính

Giải quyết độc lập giữa các phần: Preprocessing — Solution —

Postprocessing

Chương trình có thể nối kết với chương trình CAD, ví dụ nhu: CATIA,

PRO/ENGINEER, Mechanical Destop, DesignSpac,

ANSYS® đã chuẩn bị một công cụ khá tốt cho những người thích thú với

vấn để lập trình, tính toán tối ưu, đó là ngôn ngữ APDL (ANSYS®

Parametric Design Language)

3.1.3 CAC MODULES CUA ANSYS® (PRODUCTS)

3.1.3.1 ANSYS® / Structural

- Tinh todn cau tric tinh (Structural Static Analysis)

- Tính toán dang dao déng (Modal Analysis)

- Tính toán đáp ứng điều hòa ( Harmonic Response Analysis)

- Tính toán động lực quá độ ( Transient Dynamic Analysis)

- Phân tich phé ( Spectrum Analysis)

- Tinh toán bất ổn định ( Buckling Analysis)

- Tính toán cấu trúc phi tuyén ( Nonlinear Structural Analysis)

- Đặt biệt là tính toán các bái toán về cơ học ran nỨt ( Fraciure Mechanics), cơ học vật liệu Composite ( Conposies), tính toán mỏi (Fatigue)

3.1.3.2 ANSYS® / LinearPlus

- Dùng cho những bài toán tĩnh, động tuyến tính

- Bài toán dao động bao gồm: Modal, Harmonic, Transient và Spectrum

- “ Plus” sé b6 sung cho phan tính toán phi tuyến, ví dụ như: độ võng lớn,

dé cttng phan ti (stress stiffening), phần tử tiếp xúc (nút — mit)

3.1.3.3 ANSYS® / Flotran

——— a E——————E——

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

-_— —_—_—-s-s-s-s-s-nsr-srsrsx-r-x-.—-F.-Ỷ-Ỷ-.-y-.-.y.adarasnasaangnnn

- Giải quyết các vấn để về động lực học lưu chất ( computational fluid

dynamics - CFD), các bài toán về đồng lưu chất

- Giải quyết các vấn để về truyền nhiệt ( heat transƒer)

3.1.3.4 ANSYS® / Emag 2-D, 3-D

- Công cụ tính toán mạnh mẽ về trường điện từ

- Giải quyết các vấn để về sóng điện từ

- Trường cặp đôi từ - điện ( coupled magnetic — thermal anaiysis), ví dụ

như lò cảm ứng ( induction heating)

- Trường cặp đôi từ — cấu trúc ( z„agnetic — structural analysis), vi du nhu

chuyển động của phần ứng ( armafre motion), cũng có thể kết hợp

gitta electrmagnetic - FLOTRAN CFD

3.1.3.5 ANSYS® / Mechanical

- Tính toán cả tuyến tính va phi tuyến, cấu trúc và nhiệt, tĩnh và động

- Giải quyết rộng rãi các bài toán thuộc về chế tạo máy và xây dựng

- Có những khả năng tính toán các bài toán động lực học, bất ổn định,

truyền nhiệt, âm học, điện dp, nhu ANSYS® / Multiphysics

- Không tính được các bài toán về trường điện từ, động lực học dạng tường minh ( expiicit dyụnamics analysis), động lực học lưu chất ( CFD)

3.1.3.6 ANSYS® / ED

- Phục vụ cho giáo dục và đào tạo cho trường học, viện và tự học

- Có khả năng như một ANSYS” / Multiphysics bao hàm cả trường điện từ

và động lực học lưu chất Tuy nhiên còn hạn chế về kích cỡ của mô hình

tính

- Không giải được những bài toán về vật liệu Composite

3.1.3.7 ANSYS® / PrepPost

- Có khả năng tính todn nhy ANSYS® / Multiphysics

- Hai khả năng Prep và Pos¿ được thiết kế rất mạnh mẽ để tính toán các

mô hình lớn

3.1.3.8 ANSYS® / Thermal

——————=—

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

- Tính toán phân bố nhiệt, truyền nhiệt — ˆ

- Trường cap déi nhiét — dién ( Thermal — electric analysis)

3.1.3.9, ANSYS® / LS-DYNA

- Giải quyết các bài toán biến dạng lớn ( ép, rèn,

- Giải các bài toán động lực học

3.1.3.10 ANSYS® / Designer Products

- ANSYS® DDA Connection

Tinh toán cho bài toán ha1 trudng (cap d6i)

3.1.4 KHỞI ĐỘNG CHƯƠNG TRÌNH ANSYS®

- Khởi động ANSYS® ti windows (Entering the ANSYS® Program) theo

đường dẫn: Start > Chon Programs > Chon Ansys® 9.0 > Chon

ANSYS®Product Launcher Dén day ching ta cé thé Iva chon Interactive (

néu muén chon lyva module), hoic chon run interactive now ( néu muén

chay chudng trinh ngay chap nhan mét module nao do)

3.1.5 MENU CHINH CUA ANSYS®

Sau khi khởi déng, man hinh sé hién ra Menu cia chvong trinh, cd nim cita s6 (Window):

3.1.5.1 Menu tién ich ( Utility menu)

3.1.5.1.1 Quản l¥ dif liéu (File)

- Clear & Start New: xóa bài toán cũ và bắt đầu bài toán mới

- Change Jobname: đặt tên hay đổi tên bài toán,

- Change Title: đặt tiêu để hay đổi tên tiêu để (chú thích khi

hiển thị)

- Resume from: đọc lại đữ liệu (đữ liệu đã lưu)

- Save as: lưu dữ liệu

~ Write DB log File: lưu đữ liệu đạng *.txt

- Read input from: nhập dữ liệu dạng (/Batch Mode)

- List: liệt kê các dữ liệu có dạng (lưu trữ, dữ liệu lỗi,

.-)

- File operations: đổi tên Øï!e hay xóa hoặc sao chép dữ liệu

a

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

rr TT —Ƒ—_——

- Import: Nhập dữ liệu (mô hình hình học) từ các chương

trinh CAD

- Export: xuất đữ liệu

- Exit: thoát khỏi chương trình ANSYS®,

3.1.5.1.2 Chọn lựa (SelecÐ

Sự chọn lựa xảy ra khi đối tượng chọn lựa đã có trong mô hình tính

- Entities: phần chọn lựa cục bộ

Ta có thể chọn riêng các đối tượng như: Nodes,

Elements, Volumes, Areas, Lines, Keypoims, để

áp tải trọng hoặc điểu kiện biên, chức năng

này thường hay dùng

- Comp/ Assembly: phần chọn lựa các nhóm cục bộ

Ta có thể tạo ra những nhóm gồm các Nođes,

hoặc các Elemenrs, hoặc các Volumes, hoặc các

Areas, hoặc các Lines, hoặc các Keypoints Ding khi mô hình tính lớn, phức tạp

- Everything: phan chọn lựa toàn bộ (thực hiện sau khi kết

thúc những chọn lựa cục bộ) Chức năng này

thường dùng

- Everything Below: chọn lựa có chọn lọc Ta có thể chọn các

Volumes, hoặc các Areas, hoặc các Iines, hoặc

các Keypoim, hoặc các Elements Chức năng

này ít dùng

3.1.5.1.3 Liét ké (List)

- Files: liét ké cdc files dit liéu,

- Status: liệt kê những thông tin tổng thể về hệ thống đơn

vị, hệ thống tọa độ, phần xây dựng mô hình, tính toán, xử lý kết quả, cấu hình chung, bộ nhớ,

- Keypoints: liét ké toa độ các điểm

- Lines: liệt kê đặc tính các đường

liệt kê đặc tinh cdc phan tt

liệt kê đặc tính của từng nút, từng phần tứ, từng đường, từng diện tích, từng thể tích, bằng cách bấm chuột cho từng đối tượng Chức năng này

hay dùng

Hệt kê kiểu phần tử đặc tính vật liệu, hằng liệt kê các điểu kiện biên, điều kiện ban đầu, tải

liệt kê các kết quả tính, việc này tùy thuộc vào

kiểu tính toán Thực hiện khi việc tính toán được

hoàn chỉnh

liệt kê những đối tượng khác, có thể là hệ tọa độ địa phương, bậc tự do chính, dữ liệu cho superelement,

3.1.5.1.4 Hiển thj dang dé hoa (Plot)

Về cơ ban chỉ thể hiện những đối tượng đã có trong mô hình, phần lớn là

hiển thị đơn lẻ (trừ khi dùng Auli-Piot)

vẽ lại (không thêm, không bớt đối tượng)

hiển thị toàn bộ các điểm

hiển thị toàn bộ các đường

hiển thị toàn bộ các diện tích

hiển thị toàn bộ các thể tích

hiển thị có chọn lọc các thể tích, hoặc các diện

tích, hoặc các đường, hoặc các điểm

hiển thị toàn bộ các nút

œ————————————_

hiển thị nhóm các phần tử đã chọn

hiển thị đặc tính vật liệu

hiển thị dữ liệu đã nhập dạng bảng

hiển thị các thông số

hiển thị kết quả, việc này cũng tùy vào kiểu đã

tính toán Thực thi sau khi tính toán hoàn chỉnh

hiển thị cùng một lúc các đối tượng đã nhập vào

mô hình, ví dụ như phần tử và các điểu kiện

thực hiện các chức năng phóng to, thu nhỏ, quay,

chọn hướng nhìn khi hiển thị đổ họa

quyết định nên hay không hiển thị số thứ tự, màu

của Nodes, Elements, Volumes, Areas, Lines, Keypoint

quyét dinh nén hay khong hién thi diéu kién

bién, vector tai trong

chon lựa màu nền cho cửa sổ hiển thị, màu của đối tượng, hình dạng của đối tượng, hiển thị dang

mặt cắt, dạng ẩn một phần (khi muốn xem kết

quả của những nút nằm bên trong mô hình),

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

- Show WP Status: liệt kê tình trạng hiện tại của mặt phẩ ng làm

việc

- WP Settings: chọn lựa để thể hiện mặt phẳng làm việc

- Offset WP Increments: một cách di chuyển mặt phẳng làm việc

- Offset WP to: một cách đi chuyển mặt phẳng làm việc

- Offset WP With: một cách di chuyển mặt phẳng làm việc

- Change Active CS to: chuyển đổi hệ trục tọa độ: cầu, trụ,

- Change Display CSto: chuyển đổi hệ trục tọa độ: cầu, trụ,

- Local Coordinate Systems: tạo, xóa hoặc di chuyển một hệ trục tọa độ

địa phương

3.1.5.1.7 Quản lý các thông số (Paramefers)

Phần này được quan tâm nhiều khi ding Ansys® nhu là một ngôn ngữ lập trình

3.1.5.1.8 Mareco (tạo các dạng chuẩn)

Tạo ra những mẫu chuẩn

Phần này được quan tâm nhiều khi dùng Azsys° như là một ngôn ngữ lập

trình

3.1.5.1.9 ÄfenuCtrls (hiển thị cic Menu)

Chọn lựa cách hiển thị các cửa sổ

3.1.5.1.10 He‡p (trợ giúp)

Phan hướng dẫn chung, có cẩ những ví dụ, bài tập mẫu

3.1.5.2 Nhập đữ liệu bằng lệnh (Ansys® Input) — [B]

Các lệnh sẽ được viết trong cửa sổ này Thường xuyên sử dụng cho hướng giao tiếp bằng lệnh

3.1.5.3 Thanh céng cu (Ansys® Tollbar) - [C]

Tạo những chức năng thông dung trong Ansys® đạng Menu Thường

xuyên sử dụng cho hướng giao tiếp bằng chuột

3.1.5.4, Menu chinh (Ansys® Main Menu) - [D]

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

Thường xuyên dùng trong Azsys” cho hướng giao tiếp bằng chuột

- Preferences: định hướng bài toán

- Preprocessor: xây dựng mô hình tính

- Solution: tinh to4n thong thuGng trong Ansys®

- General Postproc: xem kết quả (kết quả biểu diễn không theo

thời gian)

- TimeHist PostPro: xem kết quả (kết quả biểu diễn theo thời

gian)

- Design Opt: thiết kế tối wu

- Radiation Matrix: một dạng tính toán khé dat biét trong Ansys®,

phần lớn là tính toán nhiệt, dạng tính khi

ding Seperelement

- Run-Time Starts: ước tính thời gian tính, yêu cầu bộ nhớ, kích

cỡ mô hình tính Phần này không thường

ding, vì mô hình tính toán được kiểm tra

trong phần tính toán

- Fimish: kết thúc một phần nào đó

3.1.5.5 Hiển thị dé hoa (Ansys® Graphics) — [E]

- Các kết quả đồ họa được hiển thị trong phần nay

5.1.5.6 Theo đõi chương trình tinh todn (Ansys® Output) — [F]

- Một lệnh được thực thi trong cửa sổ (Ansys® npuÐ) hay một lần bấm chuột trên các zzenu, phần lớn đều được giải thích trong phần này

3.1.6 GIAO TIẾP VỚI ANSYS®

- Có 3 cách giao tiếp với Ansys° như:

3.1.6.1 Diing Menu (Interactive Mode)

- Dùng chuột để bấm vào các chức năng trong các menu

3.1.6.2 Dùng lệnh: có khoảng 1000 lệnh, là công cụ cơ sở để giao tiếp

- Dùng lệnh trong Ansys° sẽ giúp cho chúng ta dể dang hơn trong việc quản lý các đữ liệu, cũng như dùng Azsys” như một ngôn ngữ lập trình

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

rrr Er

Đặt biệt là phát huy cao độ tính kiên kết của Ansys® với các chương trình khác như CAD, các ngôn ngữ lập trình khác

- Dùng tập hợp nhiều lệnh (/Bzích Mode)

- Chúng ta có thể soạn thảo các lệnh trong một nền nào đó có dạng

file.txt, vi du nhu Notepad

Đề án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

3.1.6.3 Kết hợp hai kiểu giao tiếp dùng ezu và dùng lệnh

Thông thường chúng ta nên dùng hai kiểu giao tiếp trên: cách dùng menu

và cách dùng lệnh

3.1.7 CẤU TRÚC BÀI TÍNH TRONG ANSYS®

Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong Ansys® bao gém ba phan: (1) phan

mô hình hóa bài tính; (2) phần tính toán; (3) phân xử lý và xem kết quả Ngoài ba phần cơ bản này ra còn có thêm các phân phụ trợ như: (4) phần

quản lý dữ liệu (chuẩn bị cho bài tính mới, đặt tên bài tính, đặt tiêu đề bài tính, lưu dữ liệu, gọi lại đữ liệu); (5) phần định hướng (chọn phương

pháp chia lưới, khả năng tính toán); (6) phần tối ưu trong thiết kế (phần

này được thực hiện sau phần (2), chúng ta phải xây dựng hàm mục tiêu,

các ràng buộc) Cấu trúc cơ bản kết hợp với cấu trúc phụ trợ gọi là cấu trúc đầy đủ

Cấu trúc đầy đủ của một bài tinh trong Ansys®

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Truong Tich Thiện

—————

Cấu trúc đầy đủ của một bài tính trong Ansys° gồm các phần:

- Tính toán mdi (Clear & Start News)

- Dinh nghia tén bai tinh (Jobname)

- Dinh nghia tiéu dé (Change Title)

- Định hướng bai tinh (Preferences),

- Tao mé hinh mdi (Preprocessor)

- Tính toán (Solution)

- Xử lý kết quả (Posiprocessor)

- Tối ưu trong thiết kế (Design: Op?)

- Lưu kết quả vao dia (Save_DB),

- Đọc lai két qua (Resume from)

3.2 PHUONG PHAP PHAN TU HOU HAN TRONG CO HOC

3.2.1 Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp số đặc biệt

có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miễn xác định V của nó Tuy nhiên PP PTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên tòan miền V mà chỉ trong từng miễn con V: (phần tử) thuộc miễn xáx định V Do đó phương pháp này rất thích hợp với hàng lọat bài tóan vật lý và kỹ thuật trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền

phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu

những điều kiện biên khác nhau Phương pháp ra đời từ trực quan phân tích kết cấu, rồi được phát biểu một cách chặt chẽ và tổng quát như một , phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng số nhưng được xấp Ì:

xỉ trên mỗi phân tử

Trong PP PTHH miền V đượcchia thành một số hữu hạn các miền con,

gọi là phân tử Các phần tử này được kết nối với nhau tại các điểm định

trước trên biên phần tử, gọi là mứ Trong phạmvi mỗi phần tử đại lượng

cần tìm được lấy xấp xỈ trong dạng một hàm đơn giản được gơi là các hàm xấp xỉ (approximation fuction) Và các hàm xấp xỉ này được biểu

diễn qua các giá trị của hàm (và có khi cả các giá trị đạo hàm của nó) tại

¬—— >——————

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Trương Tích Thiện

các điểm nút trên phân tử Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của

phân tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài tóan

Với bài tóan cơ vật rắn biến dạng và cơ kết cấu ày heo ý nghĩa vật lý

của hàm xấp xỉ, người ta có thể phân tích bài tóan theo ba lọai mô hình

sau:

1 Trong mô hình tương thích

Người ta xe chuyển vị là đại lượng cần tìm trước và xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phân tử Các ẩn số được xác định

từ hệ phương trình thiết lậptrên cơ sở nguyên lý thế năng tòan phần dừng, hay nguyên lý biến phân Lagrange

2 Theo mô hình cân bằng

Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của ứng suất hay nội lực

trong phần tử Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên

cơ sở nguyên lý năng lượng hệ toàn phần dừng hay nguyên lý biến phân

về ứng suất (nguyên lý Castigliano)

3 Theo mô hình hỗn hợp

Coi các đại lượng chun vị ứng suất là 2 yếu tố dộc lập Các hàm xấp xỉ biểu diển gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị lẫn ứng suất trong

phân tử Các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở

nguyên lý biến phân Reisner

Sau khi tìm được các ẩn số bằng việc giải một hệ phương trình đại số vừa nhận đượcthì cũng có nghĩa là ta tìm được các xấp xỉ biểu diễn đại lượng cần tìm trong tất cả các phần tử Và từ đó cũng tìm được các đại lượng

còn lại

Trong 3 mô hình trên, mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơn cả

Và giáo trình này cũng chỉ trình bày PP PTHH theo mô hình tương thích 3.2.2 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Bước 1: Rời rạc hoá miền khảo sát

Trong bước này, miền khảo sát V được chia thành các miễn con Ve hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp

rr