Tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị Đo chuyển vị của chi tiết chịu uốn phục vụ giảng dạy thí nghiệm công nghệ chế tạo máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CHUYỂN VỊ CỦA CHI TIẾT CHỊU UỐN PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THÍ NGHI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO

CHUYỂN VỊ CỦA CHI TIẾT CHỊU UỐN PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số: T2022-06-10

Chủ nhiệm đề tài : TS Bùi Hệ Thống

Đà Nẵng, 05/2024

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

chuyên môn

1 TS Phan Nguyễn Duy Minh Khoa Cơ khí – Kỹ thuật Cơ khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo chuyển vị của chi tiết chịu uốn phục vụ giảng dạy thí nghiệm công nghệ chế tạo máy.

- Mã số: T2022-06-10

- Chủ nhiệm: TS Bùi Hệ Thống

- Thành viên tham gia: TS Phan Nguyễn Duy Minh

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

- Thời gian thực hiện: 3/2023 – 5/2024

2 Mục tiêu:

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo chuyển vị của chi tiết chịu uốn phục vụ giảng dạy học phần thí nghiệm Công nghệ chế tạo máy cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Trên cơ sở ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán mô hình hoá và mô phỏng số nhằm xác độ võng của chi tiết và tiến hành tra độ võng bằng phương pháp thực nghiệm để so sánh, đánh giá kết quả thực hiện

3 Tính mới và sáng tạo:

Tính toán độ võng của dầm (chi tiết máy) chịu uốn là cần thiết để đảm bảo độ an toàn và thường được thực hiện theo phương pháp lý thuyết sử dụng các tính toán như cơ học vật rắn biến dạng, sức bền vật liệu…, đối với các bài toán phức tạp người ta thường

sử dụng các phương pháp số hoặc phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán kết quả gần đúng…Mặc dù vậy, cần thiết phải tiến hành kiểm tra, so sánh đánh giá bằng kết quả thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán đạt được từ lý thuyết Tuy nhiên, việc này thường ít được thực hiện, do phần lớn là không có thiết bị, hoặc thiết bị quá đắt tiền, hoặc thiết bị không phù hợp đối với các lĩnh vực riêng biệt Xuất phát từ các yếu tố trên, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài: “Tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo chuyển vị của chi tiết chịu uốn phục vụ giảng dạy thí nghiệm Công nghệ Chế tạo máy” làm cơ sở phục vụ cho công tác giảng dạy tại Bộ môn Cơ khí Chế tạo – Khoa Cơ khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về thiết bị đo chuyển vị của dầm chịu uốn, tiếp đến dựa trên cơ sở của cơ học vật rắn biến dạng để tính toán lý thuyết với các mô hình 2 chiều

Hình 1 Mô hình lý thuyết dầm chịu uốn 3 điểm

Chuyển vị của dầm được xác định:

y= Fx

48 EI (3 L2

−4 x2 )

Chuyển vị lớn nhất tại x=L

2:

y max =δ= F L3

48 EI

- Áp dụng bài toán phần tử hữu hạn cho dầm chịu uốn 3 điểm đơn giản để xác định

ma trận độ cứng và tính chuyển vị của dầm (Hình 2),

Hình 2 Dầm chịu uốn 3 điểm được chia thành 2 phần tử và 3 nút

Ma trận độ cứng của mỗi phần tử như sau:

[k1]= [k2] = E I

(L

2)3[ 12 6( L/2) −12 6( L/2)

6( L/2) 4(L

2)2 −6( L/2) 2(L

2)2

−12 −6( L/2) 12 −6( L/2)

6( L/2) 2(L

2)2 −6( L/2) 4(L

2)2 ]

Ma trận độ cứng toàn cục của dầm:

[K]= E I

(L

2)3[ 12 6( L/2) −12 6( L/2) 0 0

6( L/2) 4(L

2)2 −6( L/2) 2(L

2)2 0 0

−12 −6( L/2) 24 0 −12 6( L/2)

6( L/2) 2(L

2)2 0 8(L

2)2 −6( L/2) 2(L

2)2

0 0 −12 −6( L/2) 12 −6( L/2)

0 0 6( L/2) 2(L

2)2 −6( L/2) 4(L

2)2 ]

L/2 L/2

- Mô hình hoá và mô phỏng số 2D và 3D để xác định chuyển vị của dầm chịu uốn

3 điểm

Hình 3 Mô hình phần tử dầm 2D và 3D được sử dụng để mô phỏng số

Hình 4 Kết quả mô phỏng số đạt được với mô hình 2D và 3D

- Chế tạo mô hình thiết bị và tiến hành thực nghiệm để đo độ võng trên thiết bị và đánh giá kết quả đạt được

Hình 5 Mô hình 3D, mô hình thiết bị chế tạo và thực nghiệm đo chuyển vị trên thiết bị

Kết quả đạt được bởi các phương pháp tính toán, mô phỏng số 2D, 3D và thực nghiệm trên thiết bị được thể hiện trong bảng:

Đường kính

(Giá trị trung bingh của 3 lần đo)

d = 6

d = 10

5 Tên sản phẩm:

1 Bài báo trên tạp chí quốc tế có chỉ số ISSN (thuộc danh mục

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Calculate, design and manufacture equipment to measure displacement of 3-point bending for teaching manufacturing technology experimental module

Code number: T2022-06-10

Coordinator: PhD BUI HE THONG

Implementing institution: University of Technology and Education

Duration: from 3/2023 to 5/2024

2 Objective(s):

The objective of the project is to research, design and manufacture an equipment to measure displacement of 3-point bending for teaching manufacturing technology

experimental module for students majoring at Division of Mechanical Engineering

-Faculty of Mechanical Engineering – The University of Technology and Education Based on the application of the finite element method to calculate modeling and numerical simulation to determine the deflection of the beam and behavior deflection investigation using experimental methods to compare and evaluate the performance results

3 Creativeness and innovativeness:

Calculating the deflection of the beam to bending is necessary to ensure safety and is usually performed according to theoretical methods using calculations such as deformable solid mechanics, material strength…, for complex problems, people often use numerical methods or finite element methods to calculate approximate results However, it is necessary to conduct tests and compare and evaluate the results The experimental results to verify the calculation results obtained from theory However, this work is rarely realizing, because there is no equipment, or the equipment is too expensive, or the equipment is not suitable for specific fields Based on the above factors, the research team proposed the project: "Calculate, design and manufacture equipment to measure displacement of 3-point bending for teaching manufacturing technology experimental module" for teaching at Division of Mechanical Engineering -Faculty of Mechanical Engineering - University of Technology and Education

4 Research results:

- General study of displacement measurement equipment for beams subjected to bending, then based on the basis of deformable solid mechanics for theoretical calculations with 2-D models

Figure 1 Deformation model of 3-point bending beam.

+ For 3-point bending model, we calculate:

 Displacement equation:

y= Fx

48 EI (3 L2

−4 x2 ) (1)

 Maximum displacement at x=L

2:

y max =δ= F L3

48 EI (2)

- For 3-point bending beam, to calculate theoretically, it can be divided into 2 elements and 3 nodes is shown in figure 2

Figure 2 The beam was divided into 2 elements and 3 nodes.

- The beam was divided into 2 elements; each element has the deformation type as a cantilever beam having a stiffness k;

+ Stiffness matrix of each element:

[k1]= [k2] = E I

(L

2)3[ 12 6( L/2) −12 6( L/2)

6( L/2) 4(L

2)2 −6( L/2) 2(L

2)2

−12 −6( L/2) 12 −6( L/2)

6( L/2) 2(L

2)2 −6( L/2) 4(L

2)2 ]

+ Global stiffness matrix:

[K]= E I

(L

2)3[ 12 6( L/2) −12 6( L/2) 0 0

6( L/2) 4(L

2)

2

−6( L/2) 2(L

2)

2

−12 −6( L/2) 24 0 −12 6( L/2)

6( L/2) 2(L

2)

2

0 8(L

2)

2

−6( L/2) 2(L

2) 2

0 0 −12 −6( L/2) 12 −6( L/2)

0 0 6( L/2) 2(L

2)

2

−6( L/2) 4(L

2)

2 ]

- The 2D and 3D numerical modeling and simulation to determine the displacement of beams subjected to 3-point bending

L/2 L/2

Figure 3 2D and 3D model of beam for simulation numerical

Figure 4 2D and 3D simulation results for displacement of beam circle

- Fabrication a device model and conduct experiments to measure deflection on the device and evaluate the results

Figure 5 3D model, manufacturing device model and experiment in measuring

displacement on the device

The results obtained by calculation methods, 2D and 3D numerical simulations and

experiments on the device are shown in the table:

Diameter

(Average result of three measurements)

d = 6

d = 8

d = 10

5 Products:

2 Model of device for measuring displacement of 3-pointblending. 1

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- The research results of the project will be used as reference materials to serve students in studying, scientific research and applying finite element calculations in the field of mechanical engineering In particular, the model of device for measuring displacement of 3-point blending serving for teaching at Division of Mechanical Engineering - Faculty of Mechanical Engineering - University of Technology and Education

- Application for teaching module: “manufacturing technology experimental” for

students majoring at Division of Mechanical Engineering - Faculty of Mechanical

Engineering – The University of Technology and Education with more than 120 students participating in learning/year

- Application address: 48 Cao Thang, Hai Chau, Da Nang