Microsoft Word Bia ISO doc BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008 Tên đề tài “NGHIÊN CỨU KHAI THÁC CÁC PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG, ỨNG DỤ[.]
TỔNG QUAN
Tình hình nghiên cứu sử dụng các phần mềm thiết kế trong và ngoài nước
Trong thiết kế cơ khí, nhiều cơ quan trong và ngoài nước vẫn áp dụng các phương pháp truyền thống như chế tạo mẫu thực và thử nghiệm trong điều kiện thực tế, dẫn đến chi phí thiết kế và sản xuất cao Nếu kết quả kiểm nghiệm không đạt yêu cầu, việc thay đổi thiết kế và kiểm nghiệm lại sẽ làm tăng thêm chi phí Khi thực hiện kiểm nghiệm tải thực tế, bất kỳ sự thay đổi nào trong kết quả cũng yêu cầu điều chỉnh thiết kế, chế tạo lại mẫu và lặp lại quy trình tính toán kiểm nghiệm.
Hiện nay, các quốc gia có nền công nghiệp cơ khí phát triển đang áp dụng mô hình phát triển ảo thông qua việc sử dụng phần mềm tính toán thiết kế và kiểm nghiệm bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trước đây, khi công nghệ máy tính chưa phát triển, người ta thường sử dụng các phương pháp tính toán cổ điển để giải quyết các bài toán cơ bản Tuy nhiên, những lý thuyết này có hạn chế về mô hình tính, điều kiện biên bị đơn giản hóa và không thể tính toán tổ hợp tải trọng cho toàn bộ kết cấu công trình, dẫn đến việc tối ưu hóa kết cấu chưa đạt hiệu quả cao và khả năng tiết kiệm vật liệu còn hạn chế.
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin và phần mềm chuyên dụng đã giúp các công ty thiết bị cơ khí thủy công đạt được những thành tựu lớn Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng không chỉ đảm bảo tính chính xác trong các phép tính mà còn tối ưu hóa kết cấu, giảm chi phí và thời gian chế tạo thiết bị.
Hiện nay, nhiều phần mềm chuyên dụng trên thế giới nhưng việc khai thác trong nước vẫn còn hạn chế Một số địa phương đã đầu tư vào các phần mềm này, tuy nhiên, việc áp dụng vẫn gặp khó khăn do thiếu đồng bộ Chi phí mua sắm phần mềm và thuê chuyên gia đào tạo rất cao, gây áp lực về ngoại tệ Hơn nữa, việc cử cán bộ tiếp thu phần mềm cũng gặp trở ngại, khi mà những người có chuyên môn cơ khí thường không đủ trình độ về máy tính, trong khi những người giỏi về máy tính lại thiếu kiến thức về cơ khí chế tạo.
Một số công ty tại Việt Nam như Công ty Cơ khí Quang Trung Ninh Bình, Công ty Công nghiệp Tàu Thuỷ Việt Nam, và Công ty Cổ phần Cơ khí Hồng Nam đang nghiên cứu phần mềm SAP và Inventor Tuy nhiên, việc khai thác các phần mềm này vẫn còn nhiều hạn chế, với nghiên cứu chưa thấu đáo Hiện tại, thiết kế cầu trục chủ yếu dựa vào tính toán bằng tay, cho thấy ứng dụng công nghệ vẫn còn nhiều rào cản.
Hiện nay, chưa có cơ sở nào trong nước thực hiện nghiên cứu toàn diện và sâu sắc về các phần mềm như SAP, Inventor, COSMOS, MSC.VisualNastran, cũng như áp dụng chúng vào việc tính toán thiết kế cầu trục chân dê trong các công trình thủy điện.
Trên thế giới, nhiều quốc gia đã phát triển thủy điện và xây dựng lý thuyết tính toán thiết kế thiết bị cơ khí thủy công, ứng dụng vào các công trình lớn như U.S Army Corps of Engineers tại Mỹ, Viện Zaporozhgidrostal của Ukraine, và nhà máy Đông Phong của Trung Quốc Những công ty này có kinh nghiệm phong phú trong thiết kế và chế tạo thiết bị cơ khí thủy công, cung cấp sản phẩm cho các nước đang phát triển, bao gồm Việt Nam Họ cũng đã tối ưu hóa việc sử dụng phần mềm chuyên dụng và phương pháp phần tử hữu hạn trong quá trình tính toán và kiểm nghiệm thiết kế.
Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu
Cầu trục chân dê Cửa nhận nước 2x50+2x10+5 tấn tại công trình thủy điện Bản Chát và cầu trục chân dê Cửa lấy nước 2x63/2x10 tấn tại công trình thủy điện A.Vương là đối tượng nghiên cứu chính Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán hệ khung của cầu trục, mô phỏng động học cầu trục, và tính toán một số chi tiết máy điển hình của cầu trục.
- Nghiên cứu làm chủ phần mềm tính toán kết cấu thép SAP2000
- Nghiên cứu làm chủ phần mềm mô phỏng động lực học MSC.VisualNastran
- Nghiên cứu làm chủ phần mềm tính toán thiết kế chi tiết máy Inventor và COSMOS
- Kiểm nghiệm các kết quả tính toán cầu trục theo các tài liệu của nước ngoài
+Kiểm nghiệm kết quả tính toán cầu trục chân dê 2x63/2x10 tấn thủy điện A.Vương
- Ứng dụng các kết quả nghiên cứu trong tính toán cầu trục
+ Đưa ra bộ bản vẽ thiết kế chung của Cầu trục chân dê Cửa lấy nước thủy điện Bản chát.
Tổng quan về các phần mềm tính toán thiết kế, kiểm nghiệm
1.3.1 Nh ữ ng công ngh ệ m ớ i trong CAD
Các phần mềm CAD 2D như AutoCAD yêu cầu người dùng nhập chính xác kích thước và quan hệ hình học giữa các đối tượng, điều này không khả thi khi chưa có thiết kế hoàn chỉnh Do đó, mặc dù chức năng vẽ có thể tốt, CAD 2D không thể trở thành công cụ hỗ trợ thiết kế thực sự Để tạo ra môi trường thiết kế hiệu quả, cần có CAD 3D với khả năng mô hình hóa và phân tích mạnh mẽ, cùng với các công nghệ thiết kế tiên tiến, giúp kỹ sư thực hiện quy trình thiết kế thuận lợi hơn.
Các phần mềm CAD hiện đại tích hợp công cụ mô hình hóa 3D, trong đó nổi bật là công nghệ thiết kế theo tham số (Parametric Design).
Với công nghệ tham số, chúng ta bắt đầu bằng việc vẽ phác thảo thay vì phải vẽ chính xác ngay từ đầu Sau đó, chúng ta có thể chính xác hóa thiết kế bằng cách gán kích thước và các liên kết hình học cho đối tượng Điều này cho phép gán mối quan hệ giữa các kích thước, như sự phụ thuộc của đường kính lỗ vào chiều dài moay ơ, giúp đường kính tự động thay đổi khi chiều dài moay ơ được điều chỉnh Công nghệ tham số mang lại nhiều ưu điểm đáng kể.
Giúp kỹ sư phát triển và thể hiện ý tưởng thiết kế theo quy luật tự nhiên của tư duy, bắt đầu từ phác thảo ý tưởng, sau đó chính xác hóa mô hình, và cuối cùng là xuất bản tài liệu thiết kế.
- Làm cho thiết kế được mềm dẻo linh hoạt Các sản phẩm thiết kế có thể sửa đổi một cách dễ dàng, trong bất cứ giai đoạn
Công nghệ này cho phép người dùng dễ dàng kế thừa các kết quả thiết kế đã có, từ đó tạo ra các thư viện thiết kế và sử dụng chúng một cách hiệu quả Thiết kế hướng đối tượng là một phương pháp quan trọng trong quá trình này.
Hình 1.1 Sơ đồ thiết kế theo quy trình thuận
Công nghệ CAD mới này đánh dấu một bước tiến quan trọng, cho phép người dùng làm việc trực tiếp với các bề mặt phức tạp như trụ, ren và rãnh then, thay vì chỉ với các đối tượng đơn giản như đường thẳng hay kích thước rời rạc Điều này giúp tạo ra các mối ghép và khớp truyền động giống như trong thực tế, nâng cao khả năng thiết kế thích nghi.
Công nghệ thiết kế thích nghi là một công nghệ tiên tiến, cho phép tạo ra các mô hình “thông minh” có khả năng tự động điều chỉnh kích thước để phù hợp với các chi tiết đối ứng.
Hình 1.3 Công nghệ thích nghi của Autodesk Inventor
Càng 1 (chi tiết thích nghi) không lắp vừa với vành 2 (chi tiết cố định) do kích thước khác nhau Sau khi lắp mặt bên trái, càng 1 tự động điều chỉnh kích thước để phù hợp với mặt bên phải của vành 2 Công nghệ thích nghi mang lại sự linh hoạt và nâng cao năng suất trong thiết kế.
1.3.2 T ổ ng quan các ph ầ n m ề m thi ế t k ế c ơ khí:
Trên toàn cầu, có nhiều phần mềm thiết kế cơ khí chuyên dụng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Theo tạp chí NIKKEI DESIGN của Nhật Bản, các phần mềm CAD/CAE/CAM/CG/RP được phân loại thành các nhóm khác nhau.
Bảng 1.1 Nhóm các phần mềm CAD
Cao cấp Trung cấp Hạng thấp
Bảng 1.2 Nhóm các phần mềm CAD/CAM 3D
Bảng 1.3 Nhóm các phần mềm Surface Bảng 1.4 Nhóm các phần mềm CG
Bảng 1.5 Nhóm các phần mềm CAE
1.Pro/Engineer Simulation 13 JS CAST CAE
24 MSC visual NASTRAN Các phần mềm tính toán thiết kế trên thế giới có rất nhiều, trong bảng 1.6 đề tài đưa ra một số so sánh của các phần mềm phù hợp với điều kiện thiết kế của Việt Nam
Bảng 1.6 So sánh một số phần mềm thiết kế ở Việt Nam
TT Phần mềm Mức độ thao tác sử dụng
Mức độ liên kết với các phần mềm thông dụng
Mức độ xử lý các bài toán về ứng suất, biến dạng, độ võng
Kết quả đưa ra và mức độ sai số
Inventor dễ sử dụng Liên kết được với nhiều phần mềm khác
Thừa hưởng các chức năng của Autocad, có điểm nổi bật là công nghệ thiết kế thích nghi, tức tự cho các mô hình thay đổi…
Tính toán được các bài toán tĩnh Kết quả đưa ra các chỉ thị màu…
2 SAP Thân thiện, dễ sử dụng
Cần cấu hình máy tính mạnh, chạy chậm
Chuyên tính toán các hệ khung dầm (thanh giàn), vỏ Tính toán các hệ kết cầu thép có quy mô lớn
Biểu đồ momen, biểu đồ lực cắt, bảng số liệu về chuyển vị
Phần mềm Pro/Engineer là công cụ chuyên dụng trong thiết kế khuôn mẫu, nhưng yêu cầu cấu hình máy tính cao và thường chạy chậm Nó có khả năng cung cấp các số liệu bảng màu, tuy nhiên không tính được dòng chảy và năng lượng trong mô hình 3D truyền nhiệt.
4 Solid Edge Thân thiện dễ sử dụng
Cần cấu hình máy tính mạnh, chạy khá chậm
Phần mềm chuyên để thiết kế các vật thể 3D, đặc biệt hữu dụng cho các ngành thay đổi mẫu mã nhanh
Do đó luôn được kiến nghị dùng thêm máy 3D
5 Solid works Thân thiện dễ sử dụng
Phần mềm này là một công cụ thiết kế 3D mở, chuyên dụng cho công nghệ khuôn mẫu, cho phép liên kết với một số phần mềm khác Mặc dù ít được sử dụng cho tính toán, nó chủ yếu phục vụ cho việc thiết kế các vật thể 3D.
6 COSMOS Thân thiện, dễ sử dụng
Kết nối được nhiều phần mềm
Là phần mềm có khả năng phần tích tuyến tĩnh, phi tuyến, phân tích truyền nhiệt, phân tích dòng chảy…
Bảng số liệu kèm theo màu sắc thể hiện mức độ an toàn, rất dễ đọc kết quả đối với người dùng
Nastran dễ sử dụng Cần cấu hình máy tính
Là phần mềm chuyên mô phỏng động lực học, khả năng phân tích tĩnh động, phi tuyến, tần số…
Bảng số liệu về màu sắc, đồ thị thể hiện theo kết quả tùy dạng bài toán
8 ANSYS Dễ sử dụng, thân thiện
Kết nối được với nhiều phần mềm, cần cấu hình máy tính
Phần mềm này có khả năng phân tích tĩnh và động học kết cấu, bao gồm phân tích đàn hồi và đàn dẻo, cũng như phân tích tuyến tính và phi tuyến Nó cung cấp cột số liệu màu sắc để thể hiện mức độ an toàn, giúp người dùng dễ dàng đọc và hiểu kết quả.
Trong số các phần mềm chuyên dụng, có 04 phần mềm cao cấp được gọi là “Tứ Đại CAD”: CATIA, Unigraphics, I-DEAS và Pro-Engineer Đây là những phần mềm CAD/CAM/CAE hàng đầu được các tập đoàn thiết kế chế tạo lớn sử dụng Nhiều công ty lớn chủ yếu sử dụng Pro-E cho tính toán CAE, mặc dù CAD của Pro-E không thể so sánh với UG và CATIA Về CAM, Pro-E và CATIA cũng không bằng UG, trong khi Pro-E lại mạnh hơn CATIA và UG trong lĩnh vực CAE Tuy nhiên, các phiên bản mới nhất của những phần mềm này đang có những cải tiến đáng kể.
UG và CATIA hiện nay đều tích hợp những tính năng mạnh mẽ nhất của NASTRAN và ANSYS, cho thấy rằng cả ba phần mềm CAE đều có sự tương đồng Pro-E là phần mềm CAD tiên phong trong việc giới thiệu lý thuyết Parametric và phương pháp dựng hình dựa trên nền tảng này.
Tiêu chuẩn, Quy phạm quy định trong thiết kế cầu trục
1.4.1 Tiêu chu ẩ n, Quy ph ạ m: a FEM
Tiêu chuẩn FEM (Federation Europe´en de la Manutention) của hiệp hội các nhà sản xuất cầu trục Châu Âu
FEM 1.001-1998 phiên bản 3 tiêu chuẩn thiết kế thiết bị cầu trục gồm có 9 quyển: Quyển 1- Đối tượng và phạm vi áp dụng tiêu chuẩn
Quyển 2- Phân loại và tải trọng tác dụng lên kết cấu và cơ cấu máy
Quyển 3- Tính toán ứng suất trong kết cấu
Quyển 4- Kiểm tra độ bền mỏi và chọn các bộ phận cơ cấu máy
Quyển 6- Tính ổn định (an toàn chống lật) và độ an toàn chống di chuyển do gió Quyển 7- Các quy tắc an toàn
Quyển 8- Các thử tải và sai số
Quyển 9- Phụ lục và chú giải cho các quyển 1-8 b TCVN 4244-2005 xuất bản lần 2, Thiết bị nâng thiết kế, chế tạo và kiểm tra kỹ thuật do Ban kỹ thuật TCVN/TC8 (Đóng tàu và công trình biển) ban hành Tiêu chuẩn này thay thế cho:
TCVN 4244-86 – Quy phạm kỹ thuật an toàn thiết bị nâng
TCVN 5863 :1995 - Thiết bị nâng, yêu cầu an toàn trong lắp đặt và sử dụng TCVN 5862 :1995 - Thiết bị nâng, phân loại theo chế độ làm việc
TCVN 5864 :1995 - Thiết bị nâng- cáp thép, tang, ròng rọc, xích và đĩa xích Ngoài các tiêu chuẩn trên còn sử dụng tiêu chuẩn :
ISO (International Standard Organization), DIN (Deutsche Industrie Normen), BS (British Standards), JIS (Japanese Industry Standards)
Các tiêu chuẩn này áp dụng cho nhiều loại cần trục như cần trục ô tô, cần trục bánh hơi, cần trục bánh xích, cần trục tháp, cần trục đường sắt, và cần trục chân đế Ngoài ra, còn có cầu trục và cổng trục các loại, cùng với các thiết bị nâng như xe tời chạy trên ray, palăng điện, tời điện, palăng tay, và tời tay, cũng như các máy xây dựng khác.
Cầu trục chân dê trong các công trình thủy điện là thiết bị cơ khí thủy công quan trọng, cần tuân thủ các tiêu chuẩn quy phạm và quy định của TCXDVN 285:2002 về thiết kế công trình thủy lợi, thủy điện Việc tính toán ổn định, độ bền, ứng suất và biến dạng của các công trình thủy công phải áp dụng phương pháp trạng thái giới hạn, trong đó kết cấu kim loại không hoạt động bình thường mà ở trạng thái giới hạn, tức là mất khả năng chịu tải hoặc có biến dạng quá mức, dẫn đến sự xuất hiện của các vết nứt Các trạng thái giới hạn này được phân chia thành hai nhóm.
Khả năng chịu lực của kết cấu được phân thành hai trạng thái giới hạn: trạng thái giới hạn thứ nhất liên quan đến cường độ và ổn định, trong khi trạng thái giới hạn thứ hai liên quan đến biến dạng hoặc chuyển vị Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn khắc phục nhược điểm của phương pháp tính theo trạng thái ứng suất cho phép, vì hệ số an toàn chung không phản ánh chính xác khả năng chịu lực Bằng cách sử dụng nhiều hệ số khác nhau trong phương pháp tính toán này, người ta có thể đánh giá chính xác hơn khả năng chịu lực của các kết cấu công trình.
Bảng 1.7 Hệ số điều kiện làm việc
Khi tính độ bền Kéo Nén
Tổ hợp tải trọng Cơ bản đặc biệt không có động đất Đặc biệt có động đất
Hệ số vượt tải phản ánh sự biến đổi của các loại tải trọng trong quá trình hoạt động Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất được thực hiện dựa trên tải trọng tính toán, được xác định bằng cách nhân tải trọng danh nghĩa tiêu chuẩn với hệ số vượt tải Tải trọng tiêu chuẩn là giá trị thiết kế cho từng loại kết cấu, gần với giá trị lớn nhất khi sử dụng bình thường, theo tiêu chuẩn khảo sát thiết kế quy định cho mỗi loại công trình.
Tên các loại tải trọng và tác động Hệ số lệch tải
- Trọng lượng bản thân công trình 1,05
- Áp lực nước trực tiếp lên bề mặt công trình, áp lực sóng
- Tải thẳng đứng và nằm ngang của máy nâng, cũng như tải trọng của các thiết bị công nghệ cố định
- Tác động của động đất 1,1
Hệ số sai lệch về vật liệu n vl là yếu tố quan trọng để xác định sức kháng tính toán của vật liệu, được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế riêng cho từng loại công trình thủy công, tùy thuộc vào kết cấu của chúng.
Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai cho kết cấu công trình yêu cầu hệ số lệch tải và hệ số vật liệu n vl đều bằng 1, trừ những trường hợp cụ thể trong tiêu chuẩn khảo sát thiết kế Ở trạng thái này, cần đảm bảo kết cấu không bị biến dạng (chuyển vị) quá lớn để duy trì điều kiện làm việc bình thường.
(chuyển vị) của kết cấu do tải trọng tiêu chuẩn gây phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị biến dạng (chuyển vị) giới hạn cho phép
∆ - Chuyển vị (biến dạng) của kết cấu
∆gh - Chuyển vị (biến dạng) giới hạn cho phép của kết cấu
Hiện nay, trên thế giới phương pháp tính toán thiết kế theo trạng thái giới
Các quy định chủ yếu về thiết kế theo tiêu chuẩn TCXDVN 285:2002 tương đương với tiêu chuẩn DIN 19704 của Đức, liên quan đến thiết kế và tính toán thiết bị cơ khí thủy công Tiêu chuẩn này áp dụng phương pháp tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Các tải trọng và tác động lên công trình cơ khí thủy công được xác định dựa trên các tiêu chuẩn như TCXDVN 285:2002, 14 TCN 56:88, cùng với các tiêu chuẩn của Liên Xô cũ và Nga, bao gồm CHu∏ 33-01-2003, CHu∏ 2-06.06.85, CHu∏ 7-81, và các quy định của hội đồng đập lớn quốc tế về động đất trong thiết kế đập.
Xác định cấp độ công trình theo TCXDVN 335:2005 tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện Sơn La
Tính toán ổn định và độ bền theo các tiêu chuẩn của một số nước như Mỹ
EM 1110-2-1702 (US army Corps of Engineers USACE: hiệp hội các kỹ sư quân đội Mỹ)
Các nội dung tính toán và giả định trong thiết kế công trình cần phải phù hợp với khả năng xảy ra thực tế, tuân thủ các tiêu chuẩn khảo sát thiết kế hiện hành và tìm ra giải pháp bất lợi nhất Khi tính toán các kết cấu, cần xem xét nội lực phát sinh do biến dạng, đảm bảo rằng biến dạng này nằm trong giới hạn cho phép, không ảnh hưởng đến khả năng khai thác và độ bền của công trình, cũng như sự tương tác giữa các bộ phận.
Kết luận
Nghiên cứu về tình hình sử dụng phần mềm thiết kế cầu trục trên thế giới cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ hỗ trợ tính toán Bài viết tổng quan về bốn phần mềm chính: SAP2000, MSC Visual Nastran, Inventor và Cosmos, được lựa chọn vì tính năng toàn diện và khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn quy phạm thiết kế cầu trục chân dê Bộ phần mềm này cung cấp các công cụ cần thiết để đảm bảo quy trình thiết kế hiệu quả và chính xác.
SAP2000
2.1.1.1 Trình tự giải toán bằng phần mềm phần tử hữu hạn:
Các phần mềm phần tử hữu hạn đều tuân theo một quy trình làm việc tương tự, chỉ khác nhau ở cách thức giao tiếp Trình tự giải quyết một bài toán được chia thành nhiều bước rõ ràng.
Bước 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính
- Xác định các yêu cầu tính toán, kết quả cần tìm
- Xác định dạng hình học của kết cấu
Bước 2: Rời rạc hóa kết cấu, chọn loại phần tử mẫu thích hợp
- Đánh số các điểm nút phần tử
- Phân chia các phương án tải trọng
- Thực hiện giải bài toán
- Kiểm tra độ chính xác của kết quả
Hình 2.1 Các bước tính toán bằng SAP
Xử lý kết quả nếu cần thiết
2.1.1.2 Khả năng và nguyên lý hoạt động của SAP:
Các tính năng giao tiếp:
Dễ dàng sử dụng, giao tiếp đồ họa trực tiếp trên các cửa sổ màn hình
Hỗ trợ các công cụ mạnh như CAD để nhanh chóng xây dựng mô hình
Hỗ trợ tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ và các nước khác
Cung cấp nhiều tính năng mạnh mẽ để mô tả các bài toán kỹ thuật phổ biến như cầu, đập chắn, bồn chứa và tòa nhà Giao diện đồ họa dựa trên cửa sổ cho phép người dùng nhanh chóng tạo ra mô hình từ các mẫu thư viện có sẵn Tất cả các thao tác chỉnh sửa, thay đổi và phân tích nội lực đều được thực hiện một cách đồng nhất, cho phép người dùng thao tác trực tiếp trên hình ảnh đồ họa 2D và 3D.
Các khả năng tính toán:
Phần tử mẫu bao gồm các thành phần như thanh dàn, dầm, tấm vỏ màng, phần tử hai chiều với ứng suất và biến dạng phẳng, đối xứng trục, phần tử khối, và cả phần tử phi tuyến.
Vật liệu có thể là tuyến tính đẳng hướng hoặc trực hướng và phi tuyến
Các loại liên kết trong kết cấu bao gồm liên kết cứng, liên kết đàn hồi và liên kết cục bộ, giúp khử bớt các thành phần phản lực Đặc biệt, đa hệ tọa độ cho phép sử dụng nhiều hệ tọa độ khác nhau để mô hình hóa từng phần của kết cấu.
Nhiều cách thức ràng buộc các phần khác nhau của kết cấu
Tải trọng bao gồm các lực tập trung tại nút, áp lực lên phần tử, ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng phổ gia tốc, tải trọng điều hòa và tải trọng di động Những tải trọng này có thể được đặt tại nút hoặc phân bố đều, hình thang, tập trung và áp lực lên phần tử.
Khả năng giải các bài toán lớn không hạn chế ẩn số, giải thuật ổn định và hiệu suất cao
Các phân tích cho bài toán kết cấu bao gồm:
+ Phân tích tĩnh (Static analysis)
+ Tính tần số dao động riêng và các dạng dao động (modal analysis)
+ Tính đáp ứng động lực học (Response analysis) với tải trọng ngoài thay đổi theo thời gian, hay phổ gia tốc (thường dùng cho tải trọng là động đất)
Các phương án tải có thể kết hợp với nhau
Một kết cấu có thể có nhiều loại phần tử mẫu
Nguyên lý hoạt động được minh họa như sơ đồ hình 2.2:
Trong SAP2000, phần tử thanh dàn là một loại phần tử đặc biệt thuộc nhóm phần tử thanh dầm (frame element) Khi kết cấu chịu tác động của tải trọng bên ngoài, trong thanh chỉ xuất hiện một thành phần nội lực duy nhất, đó là lực dọc Phần tử thanh dàn có những đặc điểm nổi bật riêng.
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của SAP
Một phần tử trong hệ kết cấu dàn không gian có 2 nút, với mỗi nút có 3 thành phần chuyển vị (bậc tự do) là Ux, Uy, Uz Trong trường hợp hệ phẳng, chỉ có 2 thành phần chuyển vị thẳng Ux và Uy, phụ thuộc vào mặt phẳng làm việc của kết cấu, ví dụ như mặt phẳng OXY Các thành phần chuyển vị xoay không tồn tại do giả thiết các mắt dàn liên kết các thanh là những khớp lý tưởng Do đó, việc chọn số bậc tự do của nút phù hợp là cần thiết trước khi tiến hành giải.
Trong giải thuật lập ma trận độ cứng cho phần tử thanh, công thức tính ma trận độ cứng tổng quát cho thanh chịu lực phức tạp bao gồm cả thành phần độ cứng uốn và xoắn Tuy nhiên, trong thực hành đối với hệ dàn, chỉ cần xem xét độ cứng dọc trục (kéo, nén) của phần tử Do đó, trong các đặc trưng hình học của mặt cắt ngang, chỉ cần khai báo giá trị diện tích tiết diện, trong khi các giá trị đặc trưng khác được gán bằng không.
Các tải trọng tập trung chỉ bao gồm các thành phần lực mà không có thành phần mô men, và khối lượng thu gọn chỉ được đặt tại các nút trong kết cấu hệ khung.
Các đặc tính chung của phần tử thanh dầm:
Phân tử thanh dầm được mô tả bởi đường trục của nó là đoạn thẳng giới hạn bởi hai điểm nút có tọa độ xác định trong không gian
Mỗi nút trong hệ thống có 6 bậc tự do, bao gồm 3 thành phần chuyển vị thẳng và 3 thành phần chuyển vị xoay Nội lực trong phần tử được xác định bởi 6 thành phần, bao gồm lực dọc, moment xoắn, 2 moment uốn và 2 lực cắt.
Dọc theo chiều dài của phần tử, moment quán tính của tiết diện có thể thay đổi theo luật tuyến tính, parabol, hay bậc ba
Tại các nút ở hai đầu phần tử, có thể thiết lập các liên kết cục bộ để giải phóng một thành phần nội lực nhất định, hoặc xem xét đoạn liên kết đầu phần tử với độ cứng vô cùng.
Tải trọng tác động lên phần tử thanh có thể bao gồm tải trọng tập trung, tải trọng phân bố, hoặc trọng lượng bản thân của nó Cường độ tải trọng tại các điểm dọc theo chiều dài phần tử có thể thay đổi linh hoạt.
Các đặc trưng hình học và vật liệu của phần tử:
Trong không gian làm việc, tất cả các thành phần độ cứng như kéo, nén, uốn, cắt và xoắn đều có vai trò quan trọng Do đó, việc khai báo đầy đủ các đặc trưng hình học tương ứng với các thành phần độ cứng là cần thiết Trong phần mềm SAP, vật liệu được xem như một tính chất của đặc trưng hình học.
Thành phần độ cứng Đặc trưng hình học Kí hiệu
Kéo nén dọc trục Diện tích mặt cắt ngang A
Uốn (trong 2 mặt phẳng) Moment quán tính uốn I2, I3
Cắt (trong 2 mặt phẳng) Diện tích cắt A S2 , A S3
Xoắn Moment quán tính xoắn J
Trong các kết cấu đặc biệt như hệ dàn và hệ khung phẳng, có thể loại bỏ một số thành phần độ cứng bằng cách khai báo giá trị của chúng bằng zero, tùy thuộc vào cấu trúc cụ thể.
Trong SAP, có ba phương pháp để khai báo đặc trưng hình học cho tiết diện: khai báo toàn bộ đặc trưng hình học, chỉ định tiết diện mẫu từ thư viện, và chỉ định loại tiết diện có hình dạng chuẩn để chương trình tự động tính toán các đặc trưng hình học SAP cũng cung cấp thư viện thép định hình theo tiêu chuẩn, bao gồm các file AA6061-T6.pro, tương ứng với tiêu chuẩn nhôm hình của Mỹ.
AISI3.pro : tiêu chuẩn thép hình của Mỹ
BSShapes.pro : British tiêu chuẩn thép hình
Chinese.pro : tiêu chuẩn thép hình của Trung quốc
CISC.pro : tiêu chuẩn thép hình của CANADA
EURO.pro : tiêu chuẩn thép hình Châu Âu
Ngoài ra chương trình cũng cho phép tạo ra các thư viện riêng bằng cách dùng tiện ích proper.exe một modun kèm theo phần mềm.
MSC Visual Nastran
Đối với các nhà thiết kế trong lĩnh vực công nghiệp, nhu cầu hiểu rõ cách sản phẩm hoạt động trong điều kiện thực tế là rất quan trọng Điều này dẫn đến sự cần thiết của các phần mềm mô phỏng chính xác cho thiết bị cơ khí Trong số nhiều phần mềm hiện có, MSC.visualNastran của MSC.working Knowledge nổi bật với khả năng kết hợp mô phỏng chuyển động tiên tiến và phân tích phần tử hữu hạn tinh vi, đồng thời vẫn dễ sử dụng.
2.2.1 Kh ả n ă ng k ế t h ợ p và kh ả n ă ng s ử d ụ ng:
MSC.visualNastran tích hợp hoàn hảo với Autodesk Inventor và Mechanical Desktop, cho phép người dùng tối ưu hóa thanh công cụ và lệnh của MSC để thực hiện các chức năng tương tự như trong hệ thống CAD Công cụ Automatic Constraint Mapping (ACM) giúp chuyển đổi chi tiết, bản vẽ lắp và thông tin ràng buộc lắp ráp từ CAD.
Công cụ CAD Associativity tự động cập nhật dữ liệu thay đổi từ phần mềm CAD vào MSC.visualNastran, ghi nhận mối quan hệ giữa các đối tượng trong mô hình và MSC.visualNastran Nó theo dõi các khối, điểm liên kết và liên kết, đồng thời ghi lại mọi bổ sung, tác động xóa và thay đổi đã thực hiện trên mô hình MSC.visualNastran.
Hệ thống CAD ảo cho phép truy cập hình dáng thông qua các tiêu chuẩn như ACIS (SAT), Parasolid (x_t), STEP (AP203), IGES và STL MSC cung cấp hai phương pháp kết hợp: sử dụng mô hình 3D chuẩn cho mọi phần mềm thiết kế 3D, mặc dù gặp khó khăn trong việc lắp ráp các khớp, và liên kết trực tuyến với các phần mềm như Solidworks, Pro-E, Solid Edge và Mechanical Desktop Đặc biệt, MSC còn có khả năng tích hợp với Simulink, phần mềm nổi tiếng của MathWorks, cho phép mô phỏng các hệ thống lớn bao gồm thủy lực, điện tử và điều khiển.
Một số khả năng của MSC.visualNastrans (MSC)
Chương trình mô phỏng chuyển động với độ chính xác cao, có khả năng tái hiện mọi loại chuyển động từ đơn giản đến phức tạp một cách chân thật và chính xác nhất.
- Xuất các tham số đo lường:
* Vị trí, vận tốc thẳng, vận tốc góc và gia tốc
* Ràng buộc ứng suất, chiều dài, vị trí, lực và moment
* Lực ma sát và sự va chạm
* Tìm ra sự đối lập và khoảng cách gần nhất giữa các chi tiết
* Các động cơ và cơ cấu chấp hành
* Lực tập trung, moment, lực phân bố và ứng suất
* Bảng thông số đầu vào, con trượt…điều khiển Simulink
* Ứng suất, sức căng, độ võng, độ dao động, đàn hồi, truyền nhiệt
* Kết quả FEA và vùng an toàn
* Điểm cố định, quay tròn, hình cầu, rãnh
* Tay đòn, dây thừng, lò xo, bánh răng, dây đai…
* Ống lót và các đặc điểm chung…
* Ràng buộc thích hợp cho việc tính bằng FEA
- Tích hợp phân tích chuyển động và ứng suất:
* Đổi lực tập trung thành lực phân bố
* Chuyển thông tin quán tính cho việc tính toán ứng suất của chi tiết
* Tính toán ứng suất tại mỗi bước
* Tận dụng kỹ thuật phân tích phần tử để giải quyết những ràng buộc lắp ráp dư thừa
- Ghi chú thích và kích thước:
* Chữ và dòng chú thích, véctơ
* Khoảng cách và kích thước bán kính…
* Tích hợp liên tục với sự mô phỏng vật lý
* Thể hiện kết quả mô phỏng ứng suất
* “Auto-explode” cho sự thể hiện sự lắp ráp phân rã
* Tô bóng, render bề mặt
* Dữ liệu hệ mét từ sự mô phỏng phần mềm
* File hình ảnh JPEG, TIFF và BMP
* File VRML và HTML cho sự phân bố mô phỏng trên web
Một khả năng đặc biệt nữa của MSC là khả năng lập trình điều khiển mô phỏng chuyển động của các đối tượng
2.2.2 Các thành ph ầ n c ơ b ả n c ủ a m ộ t ứ ng d ụ ng:
Mọi ứng dụng đều được cấu thành từ ba thành phần cơ bản: khối vật thể (body), khớp (constraint) và mặt liên kết (coord) Những thành phần này kết nối với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, và sơ đồ liên kết giữa chúng được thể hiện qua hình 2.3 và hình 2.4.
Hình 2.3 Liên kết các vật thể
Hình 2.4 Liên kết vật thể với nền
Các mô hình 3D, được tạo ra trong chương trình hoặc các phần mềm CAD khác, được đóng gói dưới dạng file chuẩn và xuất ra phần mềm MSC.
Hình 2.5 Bộ chạy cầu trục được vẽ bằng Inventor
Constraint là hệ thống các khớp liên kết và cơ cấu tác động, bao gồm các loại khớp như khớp cứng, khớp xoay, khớp trượt, khớp cầu và khớp xoay trượt Ngoài ra, Constraint còn bao gồm động cơ, cơ cấu tác động Linear Actuator, thanh nối, dây nối, lò xo thẳng và lò xo xoắn.
Hình 2.6 Hệ thống các khớp liên kết khi tạo mô hình
Coord là các mặt phẳng định vị quan trọng trong việc nối các body thông qua các constraint Vị trí và hướng của các coord quyết định sự liên kết giữa các body Do đó, việc định vị chính xác các coord là cần thiết để đảm bảo mô phỏng chính xác.
Hình 2.7 Mặt phẳng định vị khi mô phỏng trong MSC
Inventor và Cosmos
2.3.1.1.Giới thiệu sơ lược về phần mềm Inventor
Inventor là phần mềm thiết kế cơ khí đặc sắc của AutoDesk Trong Inventor tích hợp các công nghệ và chức năng mới nhất trong lĩnh vực thiết kế:
- Thiết kế hoàn toàn theo tham số (Parametric) và h]ớng đối tợng (Feature Based) Quá trình thiết kế được thực hiện theo quy trình thuận: Phác thảo -> Mô
- Trợ giúp thiết kế chi tiết thường và chi tiết từ vật liệu tấm (Sheet Metal), lắp ráp
- Là một trong số ít phần mềm có khả năng tạo mô hình trình diễn động
(Animation) để thử nghiệm và biểu diễn hoạt động của cơ cấu
- Là phần mềm duy nhất chuyển trực tiếp bản vẽ 2D của AutoCAD thành mô hình 3D
Phần mềm này là duy nhất với công nghệ thiết kế thích nghi (Adaptive Design), cho phép các chi tiết tự động điều chỉnh kích thước để phù hợp hoàn hảo với các chi tiết khác trong cặp.
Phần mềm CAD này nổi bật với tính dễ sử dụng, được xếp hạng hàng đầu trong các phần mềm CAD hiện nay Hầu hết các thao tác đều được thực hiện thông qua kéo thả, với giao diện chuẩn Windows và hệ thống trợ giúp cùng hướng dẫn sử dụng hoàn hảo.
Trên nền tảng Inventor, người dùng có thể tích hợp nhiều phần mềm CAD/CAM nổi tiếng từ các nhà phát triển hàng đầu thế giới, bao gồm Adams, SolidWorks và Patrace.
Bảng 2.1 sau đây so sánh tính năng của các phần mềm CAD hàng đầu trên thế giới do TechniCom, một hãng chuyên tư vấn CAD/CAM thực hiện
Bảng 2.1 So sánh tính năng của một số phần mềm CAD
Tính chất và chức năng Inventor10 Solid
Trao đổi dữ liệu với DWG (cho
Công nghệ thiết kế tham số 999 999 999 999
Thiết kế thích nghi 999 Không Không Không
Môi trường làm việc tập thể
Công nghệ kim loại tấm (Sheet metal) 999 999 99 999 Test lắp ghép và chuyển động 2D, 3D 999 Không Không Không
Dùng tham số cho bản vẽ 2D 999 9 99 9
Tự động tạo kích thước, liên kết cho phác thảo (sketch)
Tự động sửa lỗi dữ liệu chuyển từ
Hỗ trợ các profil giao nhau 999 Không Không Không
Hỗ trợ nhiều profil trong phác thảo 999 9 99 99
Chia sẻ dữ liệu DWG trong phác thảo 999 Không Không Không Tính toán thiết kế các chi tiết máy 999 Không Không Không
Bảng 2.2 Minh hoạ các tính năng và tiện ích của Inventor
Chi tiết đầu ruồi và cụm thước ngẵm AK
Bản vẽ lắp xuất từ mô hình lắp ráp
Mô hình lắp ráp súng tiểu liên AK Mô hình động trình diễn lắp ráp
Chi tiết từ kim loại tấm Hệ thống quản lý dự án
Mô hình thiết kế theo công nghệ thích nghi
Hệ thống trợ giúp nhiều kênh
Giao diện mô hình tính toán chi tiết máy
2.3.1.2 Khả năng tính toán chi tiết máy của Inventor
Công cụ Design Accelerator là một mô đun hiện đại trong Autodesk Inventor 10, chuyên về tính toán thiết kế chi tiết máy Dưới đây là các thông số thể hiện khả năng tính toán của mô đun này.
Khả năng tính toán chi tiết máy:
Tính toán kiểm tra mối ghép bu lông - đai ốc (bolted connection)
Tính toán bộ truyền bánh răng trụ (spur gears)
Tính toán bộ truyền bánh răng côn (Bevel gears)
Tính toán bộ truyền trục vít-bánh vít (Worm gears)
Tính toán bộ truyền đai (V-belts)
Tính ổn định của chi tiết chịu kéo, nén (column)
Tính toán bộ truyền đai răng (Synchronuos Belts)
Tính toán thiết kế bộ truyền xích (Chains)
Tính và chọn then bằng (key)
Tính chọn then hoa răng thân khai (involute splines)
Tính chọn then hoa răng chữ nhật (straight-sided splines)
Tính toán mối lắp bạc, trục (Fress fit)
Tính toán tai treo móc (clevis pin)
Tính toán chốt trụ (pin)
Tính chọn lò xo các loại (spring)
Tính toán thiết kế trục (shaft)
Tính toán dầm (tiết diện mặt cắt chuẩn)(beam)
Tính toán thiết kế cơ cấu cam (CAM)
Tính bền mối ghép ren (Power screw)
Tính toán mối hàn giáp mối (Welt joint)
Tính toán mối hàn chồng (Solder joint)
Tính mối ghép rãnh thanh dẫn hướng kẹp, côn (clamping joint)
Tính toán ổ trượt (Plain bearing)
Tính các trường hợp cơ cấu Phanh (brake)
Tính toán tấm bản mặt (plate)
Tính toán các mối lắp (limits and fits)
Tính toán dung sai chuỗi kích thước (tolerance caculator)
Trong bộ phần mềm COSMOS, Cosmos Design Star là giải pháp hỗ trợ thiết kế mới, giúp kỹ sư tính toán và kiểm nghiệm mẫu thiết kế một cách hiệu quả Phần mềm này nhanh chóng chứng minh được ưu thế vượt trội so với các phương pháp tính toán truyền thống, góp phần làm cho COSMOS trở thành bộ phần mềm tính toán kiểm nghiệm phổ biến toàn cầu.
CosmosDesignSTAR hỗ trợ tính toán kết cấu chuyên nghiệp, cho phép mở rộng khả năng thiết kế với các tính năng như mô phỏng chuyển động, mô phỏng rơi, kiểm nghiệm sức bền hệ kết cấu, giải quyết bài toán phi tuyến, tính toán nhiệt, dòng chất lỏng và mô hình truyền dẫn điện từ.
Cosmos tương thích với tất cả các chương trình trợ giúp thiết kế ba chiều
Nó hoàn toàn tương thích với Autodesk Inventor và SolidWorks, cho phép sử dụng các hệ mẫu đồng nhất mà không cần nhập lại dữ liệu mỗi khi có thay đổi về chi tiết.
Cosmos hỗ trợ đọc các bản thiết kế từ Pro/Engineer và các mẫu file của CATIA, bao gồm file *.IGES cho thiết kế chi tiết và lắp ráp Nền tảng hạt nhân của Cosmos là nghiên cứu mẫu đặc (parasolid), tương thích với hai chuẩn ACIS và STE AP203 Mẫu kiểm nghiệm có thể tích hợp dễ dàng vào Cosmos để thực hiện tính toán và đánh giá từ các chương trình như Autodesk Inventor, Solid Edge, Solidworks, CATIA và Pro/Engineer.
Khả năng tính của COMOS được mô tả như trong bảng 2.3:
Bảng 2.3 Khả năng tính toán của COSMOS DesignSTAR
Khả năng tính toán Khả năng thiết kế
Tính chất trên chuyên nghiệp
Hệ lắp ghép và đk liên kết
Bài toán tuyến tính tĩnh
Hỗ trợ Hỗ trợ Hỗ trợ
Vật liệu Composite 9 Động học 9
Bài toán dòng chất lỏng
Hỗ trợ Hỗ trợ Hỗ trợ
Bài toán điện từ Hỗ trợ Hỗ trợ Hỗ trợ c Khả năng tính toán trợ giúp thiết kế mạnh mẽ:
Hỗ trợ tính toán (Analysys Advisor) cung cấp hướng dẫn chi tiết cho người thiết kế và người mới bắt đầu, giúp họ vượt qua từng bước trong quá trình tính toán Công cụ này giúp giải quyết các thắc mắc về phương pháp sử dụng, cách tạo lưới phần tử hữu hạn, và cách thể hiện kết quả tính toán một cách hiệu quả.
Thư viện tính toán (Analysys Library) cung cấp các mẫu với đặc tính toán học thường gặp, bao gồm lực, phần bổ trợ và điều kiện biên Người thiết kế có thể dễ dàng sử dụng thao tác kéo thả để áp dụng các lực và phần bổ trợ lên bất kỳ mẫu nào.
Liên kết cứng (Pin Connector) mô phỏng hiệu ứng liên kết giữa hai thành phần thông qua một liên kết có biến dạng Việc mô phỏng không yêu cầu mô tả chi tiết các liên kết có biến dạng Hơn nữa, các liên kết này có khả năng mô tả các tải trọng kéo nén được đặt trước.
Mối ghép bằng then và chốt truyền (Bolted Connections) cho phép mô phỏng sự kết nối giữa hai thành phần Mô phỏng này có thể thể hiện momen xoắn tùy thuộc vào điều kiện liên kết.
Liên kết hàn (Spot Weld connector): Mô tả mối hàn để tính toán các chi tiết dạng tấm hàn với nhau
Tính toán đàn hồi (Elastic Support): Mô phỏng khả năng hoạt động linh hoạt của hệ khung dưới tác động của sự rung động
Truyền động xích (Link Connector): Mô phỏng liên kết hai thành phần nằm tại hai vị trí xa nhau liên kết với nhau bằng truyền động xích
Mặt phẳng ảo (Virtual Wall): Định nghĩa liên kết giữa một mẫu với một mặt phẳng ảo
Chốt định vị (Hinge Restrain): Mô tả định vị bằng chốt cho các trường hợp bề mặt dạng trụ như các lỗ hay các trục
Người dùng có thể tìm kiếm tư liệu về các loại vật liệu trên matweb.com và truy xuất tài nguyên từ các sản phẩm COMOS khác, giúp hỗ trợ cho các chuyên đề, tài liệu và bản quyền.
Kiểm tra va đập (Drop Test) là phương pháp đánh giá khả năng chịu lực của sản phẩm thiết kế khi rơi từ độ cao khác nhau, giúp người thiết kế kiểm nghiệm mẫu rơi thực tế.
Mối tương quan giữa kết quả kiểm tra và kết quả tính toán của COMOS được thể hiện qua việc so sánh các thông số như ứng suất bền, ứng suất mỏi và các chuyển vị với các kết quả đo từ các kiểm nghiệm vật lý.
Kết luận
Trong chương này, nhóm nghiên cứu đã thành thạo phần mềm SAP để tính toán kết cấu thép, đồng thời thực hiện nghiên cứu chuyên sâu về tính toán khung giàn và nắm vững các tiêu chuẩn trong quy trình tính toán kết cấu thép.
Đề tài đã nắm vững nguyên lý và lý thuyết xây dựng mô hình trên phần mềm MSC Visual Nastran, sử dụng công cụ này làm cơ sở cho việc mô phỏng cầu trục.
Nắm vững phần mềm Inventor và Cosmos giúp khai thác chuyên sâu khả năng tính toán chi tiết máy, từ đó làm cơ sở cho việc tính toán chi tiết máy của cầu trục.
=> Làm chủ bộ phần mềm chuyên dụng này sẽ giải quyết được tất cả các bài toán về tính toán thiết kế cầu trục.
