khả năng ứng dụng thực tế của phần mềm visualnastran desktop trong việc mô phỏng chuyển động của các chi tiết máy

Như vậy nhu cầu về một phần mềm có thể mô phỏng thật nhất hoạt động của các thiết bị cơ khí là một nhu cầu có thực, có khá nhiều phần mềm có khả năng thực hiện các chức năng mô phỏng, tu

ThanhTâm-Lớp CDT2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM:

VISUALNASTRAN DESKTOP

GIỚI THIỆU:

Đối với những người thiết kế trong các lĩnh vực thiết bị công nghiệp, Thiết bị cho xây dựng, Thể thao hay giải trí, Thiết bị y tế, Chi tiết động cơ máy,Sản phẩm tiêu dùng…thì có lẻ quan tâm hàng đầu của họ là muốn biết sản phẩm của mình vận hành như thế nào trong điều kiện thực tế Như vậy nhu cầu về một phần mềm có thể mô phỏng thật nhất hoạt động của các thiết bị cơ khí là một nhu cầu có thực, có khá nhiều phần mềm có khả năng thực hiện các chức năng mô phỏng, tuy nhiên đáng quan tâm hơn cả là phần mềm VISUALNASTRAN DESKTOP của hãng MSC.Working Knowledge Một phần mềm kết hợp kỹ thuật sáng tạo, quan sát và mô phỏng trên môi trường CAD VisualNastran Desktop kết hợp mô phỏng chuyển động tiên tiên tiến và kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn tinh vi nhưng lại rất dễ dàng sử dụng VisualNastran Desktop bao gồm 5 modul: visualNastran View, visualNastran Studio, visualNastran Motion, visualNastran Desktop FEA và visualNastran 4D (hay VisualNastran Desktop-vN4D, WorkkingModel3D)

KHẢ NĂNG KẾT HỢP VÀ KHẢ NĂNG THỰC HIỆN:

* vN4D kết hợp hoàn toàn giao diện tổng hợp với phiên bản mới nhất của Autodesk InventorTM và Mechanical Desktop® Với vN4D, người sử dụng có thể tối ưu những thanh công cụ và lệnh của vN4D để thực hiện những chức năng như trong hệ thống CAD Kĩ thuật Automatic Constraint MappingTM (ACM) chuyển đổi những chi tiết, bản vẽ lắp và thông tin ràng buộc lắp ráp trong CAD

Hình dáng từ mỗi hệ thống CAD ảo có thể được truy cập sử dụng những tiêu

chuẩn: ACIS (SAT), Parasolid (x_t), STEP (AP203), IGES, STL Hình dáng chuyển từ CAD sang vN4D hoàn chỉnh và sau đó phủ lưới tính ứng suất giữa các chi tiết.

Như vậy có thể thấy ta có hai khả năng kết hợp trong vN4D, cách thứ nhất là sử dụng các file mô hình 3D chuẩn, cách này có thể tiến hành đối với tất cả các phần mềm thiết kế 3D tuy nhiên lại có nhược điểm là sẽ khó khăn khi tiến hành lắp đặt các khớp( sẽ được trình bày ở phần sau) và cách thứ hai ứng dụng cho các phần mềm Pro-E, Solid Edge, SolidWork và Mechanical Desktop là hình thức liên kết trực tuyến, các ví dụ ứng dụng trong báo cáo này đều sử dụng cách này

Một khả năng to lớn khác của vN4D la kết hợp với trình Simulink, Phần mềm phổ biến Simulink từ hãng MathWorks, nhà chế tạo MATLAB®, tích hợp dễ dàng với vN4D Một phần được tạo trước (vNPlant) có thể được thêm vào Simulink để đại diện cho hệ thống cơ khí trong vN4D, cho phép mô phỏng hệ thống lớn,gồm cả thuỷ lực, điện tử và điều khiển

Sau đây là một trong những khả năng của vN4D:

MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CAO: chương trình có khả năng mô phỏng tất cả các loại chuyển động từ đơn giản đến phức tạp với độ chính xác và tính chân thật cao nhất

XUẤT CÁC THAM SỐ ĐO LƯỜNG

Vị trí, vận tốc thẳng & vận tốc gốc và gia tốc

Ràng buộc ứng suất, chiều dài, vị trí, lực

và moment

Lực ma sát, sự va chạm

Tìm ra sự đối lập và khoảng cách gần nhất

giữa các chi tiết

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

Các động cơ và cơ cấu chấp hành

Lực tậo trung, moment, lực phân bố, ứng suất

Bản thông số đầu vào, con trượt, điều khiển Simulink

FEA

Ứng suất, sức căng, độ võng, độ dao động, đàn hồi

Sự truyền nhiệt, H adaptive

Kết quả FEA & vùng an toàn

RÀNG BUỘC

Điểm cố định, quay tròn, hình cầu và rãnh

Tay đòn, dây thừng, lò xo, bánh răng và dây đai

Ống lót và đặc điểm chung

Ràng buộc thích hợp trên các bề mặt cho việc tính FEA

TÍCH HỢP PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG & 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 kĩ thuật phân tích phần tử để giải quyết

những ràng buộc lắp ráp dư thừa

GHI CHÚ THÍCH & KÍCH THƯỚC

Chữ và dòng chú thích, véc tơ

Khoảng cách và kích thước bán kính

KHẢ NĂNG TRÌNH DIỄN

Tích hợp liên tục với sự mô phỏng vật lý

Thể hiện kết quả mô phỏng ứng suất

"Auto-Explode" cho sự thể hiện những lắp ráp phân rã

Tô bóng, render bề mặt

File video AVI

XUẤT

Dữ liệu hệ MÉT từ sự mô phỏng trong phần mềm

MS Excel

File hình ảnh JPEG, TIFF và BMP

File MSC.Nastran (DAT)

File VRML & HTML cho sự phân bố mô phỏng

Cũng giống như các chương trình trong Window khác, vN4D cũng có thanh công cụ chuẩn.

Sketch toolbar: thanh công cụ dùng vẽ các vật thể cơ bản như box, sphere, cylinder, extrude…

View Toolbar thực hiện các tác vụ zoom,pan, rotate

Object list thể hiện danh sách các body, constraint, coord có trong ứng dụng

Properties list chứa danh sách các đặc tính của đối tượng được chọn

Playback Control sử dụng tiến hành việcthực thi, ngừng… hoạt động mô phỏng

Studio View Toolbar : các công cụ hỗ trợ khả năng quan sát toggle wireframe, toggle isometric…

Render toolbar: các công cụ xuất các file hình, film…

Markup toolbar là công cụ dùng chèn các chú thích cho ứng dụng

………

2 Các thành phần cơ bản nhất trong một ứng dụng :

Mọi ứng dụng đều được xây dựng 3 thành phần cơ bản là : các khối vật thể (body), khớp ( constraint) và mặt liên kết (coord), chúng liên kêt nhau tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, sơ đồ liên kết giữa chúng được mô tả như hình dưới:

Liên kết các vật thể

Hoặc:

Liên kết vật thể với nền

* Body: là các mô hình 3D được vẽ ngay trong chương trình hoặc trong các phần mềm CAD khác, được đóng gói dưới dạng các file chuẩn và được

xuất sang vN4D:

Các mô hình 3D được vẽ bằng Pro-E

* Constraint: là hệ thống các khớp liên kết và các cơ cấu tác động Ngoài các khớp như khớp cứng, xoay, trượt, cầu, xoay trượt…constraint còn bao gồm :

động cơ, cơ cấu tác động linear Actuator, thanh nối, day nối, lò xo thẳng, lò xo xoắn, brushing…

Các constraint

* Coord: là các mặt phẳng định vị khi tiến hành nối các body bằng constraint, vị trí và hướng của các coord quyết định vị trí và hướng liên kết, vì vậy cần định vị thật chính xác các coord để có thể mô phỏng chính xác.

3 Khảo sát một số ví dụ về khả năng mô phỏng, FEA và điều khiển :

a Mô phỏng hoạt động một Piston: ví dụ này mô phỏng cách hoạt động

của một piston được vẽ bằng Pro-E, phân tích FEA cho thanh truyền, trả ra một số thông số cần thiết:

-Trước hết tiến hành vẽ các mô hình( body) bằng phần mềm Pro-E, các body gồm các part như hình dưới đây và một số chi tiết phụ khác:

Đầu piston Thanh truyền

Hai nữa tay quay Chốt Piston

Sau khi vẽ các chi tiết (part) tiến hành lấp ráp và cuối cùng được một

mô hình duy nhất mà ta đặt tên là Piston.asm

- Trong menu chính của Pro-E, click vào visualNastran như hình dưới :

Tiếp tục click vào connect để kết nối với vN4D nếu không có điều

chỉnh gì nữa, menu để connect như hình dưới:

Sau khi connect vào vN4D, chương trình tự động đặt các khớp vào

những vị trí ghép nối thích hợp, mô hình lúc này trông như hình

dưới đây:

Các khối màu xanh chính là các constraint được chương trình tự động thêm vào, do đó sẽ có một vài constraint không phù hợp với ý muốn của người sử dụng, để biết chắc chắn constraint nào là phù hợp hay không, ta sử dụng công cụ Constraint Navigator trong menu Tool

Sử dụng buttom next kết hợp các công cụ move, rotate để kiểm tra các constraint và thay thế chúng nếu không phù hợp bằng cách double click vào

chúng để hiện hộp thoại Properties và chon constraint nào muốn sử dụng, hoặc click chọn một constraint và dùng phím delete để xóa nếu đó là constraint thừa.

Sử dụng Constraint Navigator để kiểm tra các constraint

Sau khi kiểm tra, thay thế và xóa các constraint thừa, tiếp theo là đặt lực

tác động lên đầu Piston thay thế cho áp suất sinh ra khi nổ

Lực này có giá trị mặc định là -1N và luôn tác động lên đầu Piston, điều này không phù hợp với yêu cầu hoạt động của mô hình, vỉ vậy phải tiến hành thay đổi

Double click vào lực để hiện cửa sổ Properties, ở thẻ force đánh vào giá trị lực phù hợp Ở hình dưới, Fx, Fy =0 tức chỉ có thành phần lực hướng xuống

Để lực chỉ tác động vào đầu Piston khi đầu này lên đến điểm chết trên,

ta làm như sau: trong hộp thoại Properties chọn thẻ Active, click chọn mục Active while, nhấn nút Formula va đánh vào công thức: and(coord[9].r.x>-180 * 3.14159/180,coord[9].r.x<-45*3.14159/180) Nhấn OK và thoát khỏi hộp thoại Properties (Các công thức sẽ được đề cập trong ví dụ về điều khiển), màn hình nhập công thức có dạng như hình bên dưới:

Cuối cùng là tiến hành cho chạy thử mô hình, nhấn nút play để chạy, nút stop

để dừng va ø

để quay trở lại trạng thái ban đầu.Tiếp theo tiến hành phân tích FEA cho thanh truyền:

1 Click phải vào thanh truyền và chọn “Include in FEA”từ pop-up menu

2 Dưới World menu, chọn Simulation Settings và click lên thẻ Run Control, hộp thoại Simulation Settings như hình bên:

Simulation Settings Window

3 Chọn “Auto-compute FEA at every frame” và click OK

4 Click Run button ở ngăn Player control

Piston bắt đầu quay trong khi chương trình tính ứng suất trên thanh truyền ở mỗi frame

Stress Analysis Dialog

5 Click Stop button khi chương trình đã tính đủ số frame theo yêu cầu, cho chạy lại mô hình

6 Bước cuối cùng là thêm các thước đo vào( sẽ được nói rõ ở phần sau), chọn một đối tượng cần xác định các thông số, trên insert menu vào meter để chọn các loại thông số cần thiết để đo

Cửa sổ cuối cùng của chương trình khi chạy ứng dụng như hình bên

Mô hình hoàn chinh

Như vậy sau khi thực hiện ví dụ thứ nhất ta nhận thấy có một số thành phần cần phải được tìm hiểu kỹ trout khi xây dựng một ứng dụng

* Cửa sổ Properties:

Hình trên là cửa sổ Properties của một body, chương trình cung cấp một loạt các đặc tính quan trọng của một body như: Position (bao gồm cả vị trí và hướng ); Material chứa khối lượng, hệ số ma sát, hệ số đàn hồi, hệ số giản nở nhiệt, Modul đàn hồi,…; Geometry thể hiện các thông số về hình dáng body, Vel chứa các thông tin về vận tốc dài, góc…; Central Inetia chứa thông tin về trọng tâm khối; … và còn rất nhiều các đặc tính rất quan trọng khác, cần chú ý là các đặc tính này đều có thể thay dổi cho phù hợp yêu cầu thiết kế hoặc theo những giá trị mà chương trình đã tự động tính.

* Cửa sổ Simulation Settings, xuất hiện khi nhấn nút

hoặc từ World menu:

Simulation setting bao gồm các thẻ: thẻ Run control điều khiển hoạt động như lặp lại, khi nào dừng…; thẻ FEA thiết lập các thông số cho phân tích phần tử hữu hạn, FEA Accuracy, thẻ Integration xác lập bước thời gian, phương pháp tính toán khi mô phỏng…; thẻ Gavity thiết lập giá trị gia tốc trọng trường g, hướng trọng lực…và một số thẻ khác như Motion Accuracy; Warnings.v.v

* Cửa sổ Dislay setting: xuất hiện khi nhấn nút hoặc World menu:

Được sử dụng để xáclập các thông số hiển thị như lưới, màu của các vector, đơn vị…

* Các meter: ( Output) là phần tử được dùng để xuất các đại lượng cần thiết dưới dạng graph hoặc Digital, các đại lượng này được truy xuất bằng cách chọn đối tượng cần truy xuất (body, 2 body, constraint, coord…) rồi từ Insert

menu chọn meter nào cần truy xuất( lực, khoảng cách, vận tốc, gia tốc, vị trí…)hoặc có thể nhập trực tiếp hàm truy xuất trong ô formulas của output, mỗi output có 4 ô formulas Đặc biệt các đại lượng trong các output có thể được truy xuất bởi bất kỳ đối tượng nào vì vậy các output còn được sử dụng làm các sub-function trong việc lập trình điều khiển của phần mềm.

Cửa sổ output dạng số, dạng graph và formulas của nó.

b Mô phỏng ứng suất và biến dạng các dầm console:

Ngoài khả năng mô phỏng chuyển động, vN4D còn có khả năng mô phỏng ứng suất tĩnh Xét một ví dụ một dầm được về trong Mechanical Desktop, được đặt các ràng buột, lực tác dụng và tiến hành phân tích FEA tĩnh, kết quả trước và sau phân tích như sau:

c Ví dụ về khả năng điều khiển: vN4D hỗ trợ 2 khả năng lập trình điều

khiển đó là điều khiển theo bảng và điều khiển theo hàm Xét ví dụ một robot gắp đặt sản phẩm có 3 bật tự do tọa độ vuông góc, sau khi tiến hành về các bộ phận bằng Pro-E, lắp ráp, xuất sang vN4D, ta tiến hành đặt thêm các thành phần mới là các xylanh thủy lực gốm 3 xylanh điều khiển hoạt động ra vào, lên xuống, qua lại của robot và 1 xylanh điều khiển hoạt động đóng mở tay gắp Cuối cùng sử dụng các bảng để điều khiển hoạt động của robot theo một trình tự nhất định đã được hướng dẫn trong bảng, hình ảnh về hoạt động của robot như sau:

Mô hình robot gắp đặt sản phẩm

Một trong các bảng điều khiển hoạt động của các xylanh

Một trong những ví dụ quan trọng của chương trình là khả năng vận dụng để giải các bài toán động học ngược Ví dụ xây dựng mô hình một robot Scara ba bậc tự do, sau khi gắn các khớp phù hợp tiến hành cho mô phỏng Bằng việc chỉ định vị trí kế tiếp ( phải nằm trong không gian hoạt động), chương trình sẽ tự động nội suy đến vị trí đó, khi ấy ấy, bằng việc lấy ra các thông số về vị trí, vận tốc, gia tốc…của các khớp tức ta đã thu được lời giải của bài toán động học ngược Có thể nội suy theo các dạng đường chỉ ra trước…, các thông số lấy ra có thể được xuất sang các bảng Excel

Hình trên là mô hình robot Scara được quan sát dưới hai góc độ, graph đồ thị thú nhất chính là quỹ đạo được vạch sẵn các Robot, đồ thị thứ hai là quỹ đạo suy ra các khớp 1, tương tự ta có thể lấy được tất cả các thông số chuyển động cần thiết các tất cả các khớp còn lại.

KẾT LUẬN VỀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA PHẦN MỀM:

Qua việc khảo sát một vài ví dụ, có thể nhận thấy khả năng ứng dụng

thực tế các phần mềm là rất cao, đây thật sự là một phần mềm hữu ích cho các nhà thiết kế nhất là trong lĩnh vực cơ khí Phần mềm sẽ giúp cho các nhà thiết kế có thể cho chạy thử sản phẩm các mình khi mà nó vẫn còn “nằm trên giấy”, điều này giúp họ kiệp thời phát hiện những sai sót trong thiết kế trước khi đưa vào sản xuất

Với khả năng truy xuất trực tiếp, dễ dàng với các bảng tính Excel, có thể sử dụng phần mềm để giám sát các quá trình thực

Với việc hỗ trợ các camera, light và khả năng xuất sang các file video nên có thể sử dụng cho mục đích trình diễn…

ThanhTâm-Lớp CDT2