20 Hình 21: Ứng suất pháp trên phần mềm ANSYS bên trái và ABAQUS bên phải với vật liệu nhôm .... 21 Hình 22: Chuyển vị theo phương Y trên phần mềm ANSYS bên trái và ABAQUS bên phải với v
GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ANSYS, ABAQUS VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU
Giới thiệu về phần mềm ANSYS và ABAQUS
ANSYS là phần mềm mô phỏng kỹ thuật số đa năng, hỗ trợ nhiều lĩnh vực vật lý, giúp người dùng can thiệp vào mô hình ảo và thực hiện phân tích kỹ thuật trong quá trình thiết kế Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích các vấn đề phức tạp trong cơ học kết cấu, thủy động lực học, cơ học chất lưu, nhiệt động lực học và điện tử.
ANSYS cung cấp nhiều chức năng mạnh mẽ cho việc mô phỏng và phân tích kết cấu dầm cũng như các cấu trúc khác, giúp các kỹ sư dễ dàng thực hiện các phép tính cần thiết để đánh giá hiệu suất và độ bền của các công trình.
- Xác định phản ứng của dầm khi chịu tải trọng động như tác động từ động cơ, dao động
- Đánh giá cường độ, độ chịu tải, và dạng hình của dầm dưới các tải trọng khác nhau
- Xác định hiệu suất của các mối liên kết, độ bền và độ tin cậy của dầm
- Kiểm tra và đánh giá độ an toàn của dầm dưới các điều kiện khác nhau
Giống như phần mềm ANSYS, ABAQUS cung cấp các công cụ mô phỏng chuyên sâu cho phép phân tích động, nhiệt, môi trường và tương tác bề mặt Điều này giúp người dùng nắm bắt hành vi và hiệu suất của sản phẩm hoặc cấu trúc trước khi triển khai thực tế ABAQUS hỗ trợ kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các vấn đề phức tạp liên quan đến độ cứng cấu trúc, độ bền vật liệu, và khả năng chịu tải của các bộ phận cơ khí, cùng nhiều ứng dụng khác.
Trong việc tính toán kết cấu, ABAQUS cho phép mô phỏng và áp dụng tải trọng cùng điều kiện biên giới để phân tích phản ứng, biến dạng và ứng suất trong dầm Phần mềm này giúp xác định độ cứng và độ bền của dầm dưới tác động của các tải trọng khác nhau, từ đó dự đoán biến dạng, vùng căng và vùng bị hỏng của vật liệu Ngoài ra, ABAQUS còn cung cấp khả năng đánh giá độ an toàn của dầm dựa trên các tiêu chí gãy vỡ, giúp dự đoán sự an toàn của cấu trúc trong các điều kiện tải trọng khác nhau.
Mô hình tính toán
Hình 2: Mô hình bài toán
Mô phỏng dầm chịu tải trọng được thực hiện với dầm có kích thước tiết diện như hình 3, trong đó một đầu của dầm được cố định và đầu còn lại chịu tác động của hai lực tập trung Điều kiện biên và tiết diện của dầm giữ nguyên trong suốt quá trình mô phỏng Vật liệu sử dụng trong mô phỏng bao gồm nhôm và composite carbon fiber.
Hình 3: Tiết diện của dầm
THIẾT LẬP MÔ PHỎNG
Vật liệu
1.1 Sơ lược về vật liệu nhôm và carbon composite trong ngành Hàng không Vũ trụ
Nhôm và carbon là hai vật liệu thiết yếu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, nổi bật với những đặc tính độc đáo, được ưa chuộng nhờ vào khả năng nhẹ và độ bền cao.
Nhôm là vật liệu lý tưởng cho sản xuất các bộ phận cấu trúc của vệ tinh và tàu vũ trụ nhờ vào trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn Đặc tính dẻo dai và độ bền của nhôm không chỉ giúp giảm trọng lượng tổng của phương tiện vận tải không gian mà còn tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường không khí ngoại vi của Trái Đất.
Carbon, đặc biệt là carbon fiber, là vật liệu siêu nhẹ và siêu mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong các thành phần cấu trúc chịu lực của tên lửa, vệ tinh và mô đun không gian Việc sử dụng carbon giúp giảm trọng lượng phương tiện, đồng thời tăng cường khả năng chịu lực, điều này rất quan trọng để đạt được tốc độ và hiệu suất cao trong không gian.
Trong các dự án hàng không vũ trụ hiện đại, nhôm và carbon được kết hợp để tối ưu hóa trọng lượng, độ cứng và độ bền của cấu trúc Hai vật liệu này rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn cho các chuyến bay cũng như nhiệm vụ ngoài không gian.
1.2 Hệ số vật liệu nhôm và carbon composite sử dụng trong mô phỏng
Vật liệu Mô đun biến dạng đàn hồi (MPa) Hệ số Poisson
Bảng 1: Đặc trưng cơ lý
Mô phỏng dầm trên ANSYS và ABAQUS
Hình 4: Tạo dầm trên ABAQUS
Hình 5: Tạo dầm trên ANSYS
2.2 Cài đặt vật liệu trên ANSYS và ABAQUS
Hình 6: Cài đặt vật liệu trên ABAQUS với vật liệu nhôm
Hình 7: Cài đặt vật liệu trên ANSYS với vật liệu nhôm
Hình 8: Cài đặt vật liệu trên ANSYS với vật liệu carbon composite
Hình 9: Cài đặt vật liệu trên ABAQUS với vật liệu carbon composite
Hình 10: Cài đặt chia lưới trên phần mềm ANSYS
Hình 11: Kết quả chia lưới trên phần mềm ANSYS
Hình 12: Cài đặt chia lưới trên phần mềm ABAQUS
Hình 13: Kết quả chia lưới trên phần mềm ABAQUS
Hình 14: Thang đánh giá chỉ số
Hình 15: Số điểm lưới trên phần mềm ANSYS
Hình 16: Số điểm lưới trên phần mềm ABAQUS
- Sau khi thực hiện chia lưới nhóm nhận thấy rằng số điểm lưới ở cả 2 phần mềm là như nhau là 108000
- Ta có thể thấy rằng Average = 1.3061e-10 thuộc phần rất tốt trong thang chia lưới Kết luận:
Chất lượng lưới của hai phần mềm đều rất tốt, gần đạt trạng thái lý tưởng, giúp tối ưu hóa mô hình và đảm bảo độ chính xác trong quá trình mô phỏng và tính toán kết cấu khung dầm.
2.4 Cài đặt lực và điều kiện biên
Dựa trên tính toán thực tế, ta chỉ ra được rằng tại vị trí cuối của dầm hoàn toàn bị cố định,
Từ đó, ta đưa được nhận định sơ bộ như sau:
Tại vị trí cuối của dầm, ta sử dụng Fixed support với Ansys và điểu chỉnh tất cả thông số về 0 với Abaqus
Bài toán được thiết lập như sau:
Hình 17: Điều kiện biên trên phần mềm ANSYS
Hình 18: Điều kiện biên trên phần mềm ABAQUS
Hình 19: Cài đặt lực trên ANSYS
Hình 20: Cài đặt lực trên ABAQUS
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
So sánh kết quả giữa 2 phần mềm ANSYS và ABAQUS
Hình 21: Ứng suất pháp trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu nhôm 1.1.2 Chuyển vị theo phương Y
Hình 22: Chuyển vị theo phương Y trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu nhôm
Hình 23: Biến dạng chính trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu nhôm
Phần mềm Ứng suất pháp max (MPa)
Biến dạng chính max (mm/mm)
Ansys 48.382 MPa 22.094 mm 0.95x10 -3 mm/mm
Abaqus 48.380 MPa 22.09 mm 1.00x10 -3 mm/mm
Bảng 2: So sánh kết quả mô phỏng giữa 2 phần mềm với vật liệu nhôm
Sau khi thực hiện mô phỏng và tính toán, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi làm tròn kết quả đến 3 chữ số thập phân, hai phần mềm cho kết quả tương đồng với sai số nhỏ Cụ thể, ứng suất pháp max giữa hai phần mềm chỉ chênh lệch 0.002 MPa, tương đương với 0.00413%.
Chuyển vị theo phương Y max giữa hai phần mềm chênh lệch 0.004mm, tươngđương 0.018%.
Biến dạng chính max giữa hai phần mềm chênh lệch 6.1x10 -5 , tương đương 5.05%.
Hình 24: Ứng suất pháp trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu carbon composite 1.2.2 Chuyển vị theo phương Y
Hình 25: Chuyển vị theo phương Y trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu carbon composite 1.2.3 Biến dạng chính
Hình 26: Biến dạng chính trên phần mềm ANSYS (bên trái) và ABAQUS (bên phải) với vật liệu carbon composite
Phần mềm Ứng suất pháp max (MPa)
Chuyển vị theo phương Y max(mm)
Biến dạng max (mm/mm)
Ansys 48.635 MPa 34.082 mm 1.480x10 -3 mm/mm
Abaqus 48.630 MPa 34.080 mm 1.555x10 -3 mm/mm
Bảng 3: So sánh kết quả mô phỏng giữa 2 phần mềm với vật liệu carbon composite
Sau khi thực hiện mô phỏng và tính toán, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng khi làm tròn kết quả đến 3 chữ số thập phân, hai phần mềm cho kết quả tương đồng với sai số không đáng kể Cụ thể, ứng suất pháp tối đa giữa hai phần mềm chỉ chênh lệch 0.005 MPa, tương đương 0.01%.
Chuyển vị theo phương Y max giữa hai phần mềm chênh lệch 0.002mm, tươngđương 0.00586 %
Biến dạng chính max giữa hai phần mềm chênh lệch 7.5x10 -5 , tương đương 4.823%
Kết quả mô phỏng từ hai phần mềm ANSYS và ABAQUS cho thấy tính chính xác và độ tin cậy cao trong việc mô phỏng kết cấu thanh dầm.
Đánh giá kết cấu của khung dầm
Do tác động của hai lực tại điểm đầu của thanh, dầm sẽ trải qua hiện tượng xoắn và biến dạng không đồng đều Việc phân tích các đồ thị cho phép đánh giá khả năng chịu lực của dầm Kết quả từ hai phần mềm gần như không có sự chênh lệch, do đó, nhóm sẽ tiếp tục sử dụng kết quả mô phỏng từ phần mềm ANSYS để đánh giá các thông số tiếp theo.
So sánh đồ thị khi chịu ảnh hưởng của vật liệu
Hình 27: Biểu đồ ứng suất trên phần mềm ANSYS
Hình 28: Biểu đồ ứng suất trên phần mềm ABAQUS
Hình 29: Quy ước gọi tên
3.3 Đồ thị ứng suất tương đương
Hình 30: Ứng suất theo đường 1
Hình 31: Ứng suất theo đường 2
Hình 32: Ứng suất theo đường 3
Hình 33: Ứng suất theo đường 4
Hình 34: Biểu đồ ứng suất
- Phân bố ứng suất ở các đường là khác nhau
- Ứng suất tại các đường ngày càng tăng lên khi gần đến đầu ngàm của thanh dầm
- Ứng suất max tại đường thứ 3 là lớn nhất (84.162 MPa)
- Ứng suất max tại đường thứ 2 là thấp nhất (33.109 MPa)
3.4 Chuyển vị và đồ thị
Hình 35: Chuyển vị theo phương X
Hình 36: Chuyển vị theo phương Y
- Dầm bị đẩy cong theo chiều âm của trục X với giá trị lớn nhất là -20.131mm
- Dầm bị đẩy cong theo chiều dương của trục Y với giá trị lớn nhất là 22.094mm
Hình 37: Đồ thị chuyển vị theo phương Y
- Chuyển vị đạt giá trị lớn nhất tại đầu tự do
- Chuyển vị của mặt dưới lớn hơn chuyển vị của mặt trên
- Chuyển vị max của mặt dưới là 22.094mm
- Chuyển vị max của mặt trên là 14.03mm
Hình 38: Biểu đồ biến dạng 3.5 Đánh giá và kết luận
Biểu đồ cho phép đánh giá độ biến dạng của dầm có tiết diện không đối xứng dưới tác dụng của ngoại lực Chuyển vị cho thấy hiện tượng xoắn của khung dầm, trong khi ứng suất cho thấy sự phân bố không đồng đều ở hai mặt chịu nén và chịu kéo khi so sánh với dầm có tiết diện đối xứng.
Khảo sát ảnh hưởng của vật liệu đối với thanh dầm
Trong phần này, nhóm sẽ so sánh và trình bày kết quả về ảnh hưởng của vật liệu đến khung dầm, cụ thể là giữa nhôm và composite carbon fiber So sánh sẽ được thực hiện dựa trên các giá trị lớn nhất và đồ thị của các thông số được thể hiện trong hình 7 và hình 8.
- Chuyển vị theo hướng chịu tải trọng.
Hình 39: Biểu đồ ứng suất
Hình 40: Biểu đồ chuyển vị
Hình 41: Biểu đồ biến dạng
Vật liệu nhôm và composite carbon fiber có độ bền dẻo lần lượt là 280MPa và 540.2MPa, cho thấy khả năng chịu lực tốt Ứng suất làm việc của dầm vẫn nằm trong vùng biến dạng đàn hồi của vật liệu, đảm bảo đáp ứng yêu cầu về độ bền trong điều kiện làm việc.
So sánh giá trị trong bảng 2 và bảng 3 cùng với đồ thị ứng suất ở hình 39 cho thấy hai đường cong ứng suất của hai vật liệu gần như tương đồng Kết quả này phù hợp với định luật Hooke, trong đó ứng suất chỉ phụ thuộc vào đặc trưng hình học và lực tác dụng, mà không liên quan đến đặc tính cơ học của vật liệu.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng độ võng của khung dầm tỷ lệ nghịch với mô đun biến dạng đàn hồi; cụ thể, khung dầm làm từ vật liệu carbon có độ võng lớn hơn 13mm so với khung dầm làm từ vật liệu nhôm.
Giá trị biến dạng của dầm phụ thuộc chủ yếu vào đặc trưng cơ học của vật liệu, với sự chênh lệch giữa hai loại vật liệu đạt tới 41.6%.
