Tính bền mỏi khung xe ch-551 bằng phần mềm ansysworkbench

giới thiệu công cụ xây dựng mô hình và tính bền mỏi khung xe

Chơng 3 Tính bền mỏi khung xe ch-551 bằng phần mềm

ansysworkbench 3.1 Giới thiệu công cụ xây dựng mô hình và tính bền mỏi khung xe.

3.1.1 Tổng quan về phần mềm SolidWorks 2005.

SolidWorks là một phần mềm CAD-3D đợc sử dụng rộng rãi trongnghành cơ khí chế tạo máy Đặc biệt với các phiên bản Solid Works từ 2005trở đi trong toolbox của chúng có hệ thống th viện tơng đối đầy đủ về một sốchi tiết cơ khí theo tiêu chuẩn Với hệ thống th viện này trợ giúp cho ngời thiết

kế có thể nhanh chóng tạo ra đợc một số chi tiết cơ khí nh các bánh răng, các ổ

bi, ổ trợt, bu lông, đai ốc, vòng đệm, vít, đinh tán chỉ bằng lệnh Create Part

và nhập các thông số của chi tiết đó Điều này rút ngắn đợc rất nhiều thời gianthiết kế và có độ chuẩn xác cao

Ngoài ra phần mềm SolidWorks còn cho phép trao đổi dữ liệu với nhiềuphần mềm thông dụng khác nh : Pro/Eng, Inventor, SolidEdge−: Pro/Eng, Inventor, SolidEdge…và một đặc …và một đặcvà một đặc

điểm rất quan trọng là các file dữ liệu của phần mềm này tơng thích với nhiềuphần mềm phân tích kết cấu

Dao diện chính của phần mềm SolidWorks nh sau:

Hình 3.1: Giao diện chính của phần mềm SolidWorks Việc ứng dụng phần mềm SolidWorks đã tăng nhanh tốc độ thiết kế,việc thay đổi kích thớc, kết cấu các chi tiết rất dễ dàng và nhanh chóng do đórút ngắn đợc thời gian từ thiết kế đến chế tạo Một đặc điểm khá nổi bật củaphần mềm SolidWorks là quá trình xuất các bản vẽ kỹ thuật, bản vẽ lắp, cáchình chiếu trên bản vẽ kỹ thuật, các định chuẩn trong việc ghi kích thớc, các

ký hiệu mang tính trực quan cho phép chúng ta dễ thể hiện ý tởng và cũng

t-ơng thích với các tiêu chuẩn quốc tế Phần mềm ANSYS Workbench vàSolidWorks hoàn toàn tơng thích với nhau, do đó khi xây dựng mô hình trênSolidWorks rất thuận lợi cho việc tính toán trên ANSYS Workbench

3.1.2 Tổng quan về phần mềm ANSYS Workbench 9.0.

ANSYS Workbench là một phần mềm công nghiệp, sử dụng phơng pháp

phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý- cơ học, chuyển các phơngtrình vi phân, phơng trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, sử dụng

Môi trờng làm việc Các nút lệnh

Dữ liệu về cấu trúc của mô hình

phơng pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải các bài toán Nhờ ứng dụng phơngpháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật đợc mô hình hóa và mô phỏngtoán học, cho phép lý giải trạng thái bên trong của vật thể khi chịu một tác

động bên ngoài

Là một chơng trình mạnh, tính cho các phần tử kết cấu 2D và 3D, giảicác bài toán kết cấu, nhiệt, điện từ Mỗi loại vật liệu đợc đa thành một môhình hình học, với các cách chia các phần tử phù hợp Các mô hình vật lý củavật liệu đợc xác định bằng các hằng số đặc trng hình học, các mô men quántính, các giá trị đặc trng của mặt cắt, hệ số poatson, hệ số dẫn nhiệt

ANSYS Workbench có modul Design để thiết kế 2D, 3D các chi tiết,bên cạnh đó nó có thể giao tiếp dễ dàng với hầu hết các phần mềm CAD nh:AutoCAD, SolidWorks, Autodesk Inventor, ProE, Mechanical Destop để tậndụng đợc những điểm mạnh của các phần mềm này (Trong đề tài tôi tiến hànhxây dựng mô hình khung xe bằng phần mềm SolidWorks sau đó chuyển sangmôi trờng Simulation của ANSYS Workbench để giải bài toán về kết cấu)

Trong phần mềm ANSYS Workbench có modul Fatigue Tool, đây làmôđun chuyên tính bền mỏi kết cấu Việc áp dụng môđun này đối với bài toán

đánh giá độ bền mỏi khung xe có nhiều thuận lợi Mô hình khung xe đã xâydựng bằng phần mềm SolidWorks, nên việc chuyển sang ANSYS Workbench

để tiến hành tính toán đợc thực hiện một cách dễ dàng

Giao diện chính của ANSYS Workbench (Phần Simulation) nh sau:

Hình 3.2: Giao diện chính của ANSYS Workbench.

Đây là giao diện rất thân thiện với ngời dùng, các công cụ thể hiện một cách trực quan dễ hiểu, các thao tác đơn giản

3.2 Giới thiệu mô đun Fatigue tool.

3.2.1 Cách sử dụng.

Để có thể sử dụng mô đun Fatigue tool khi tính bền mỏi cần thực hiện

Môi trờng làm việc

Vùng dữ liệu

về cấu trúc của mô hình, dạng kết quả

Vùng dữ liệu thông số vật liệu, lực, liên kết

- Bớc 1: Khởi động ANSYS Workbench

Hình 3.3: Các mô đun của phần mềm AnsysWorkbench

1 Mô hình hình học (Geometry)

2 Mô hình tính toán (Simulation)

3 Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Model)

4 Mô hình chia lới (CFX-Mesh)

5 Dự án rỗng (Empty Project)

Sau đó vào mô đun tính toán (Simulation) và tiến hành các bớc tiếp theo

- Bớc 2: Chạy mô hình hình học đã xây dựng

H×nh 3.4: Ch¹y m« h×nh h×nh häc trong phÇn mÒm AnsysWorkbench

- Bíc 3: Chia líi

s

H×nh 3.5: M« h×nh chia líi

- Bíc 4: §Æt t¶i vµ chän c¸c rµng buéc

Hình 3.6: Mô hình đặt lực

- Bớc 5: Tính toán với Simulation

Tại đây ta chọn dạng xuất kết quả tính bền thông thờng, sau đó tiếnhành giải với Solve

Hình 3.7: Giải bài toán tính bềnBớc 6: Sử dụng mô đun Fatigue tool

H×nh 3.8: Sö dông m« ®un Fatigue Tool

- Bíc 7: Khai b¸o c¸c th«ng sè ®Çu vµo

H×nh 3.9: Khai b¸o cho tÝnh bÒn mái

- Bíc 8: Chän c¸c d¹ng xuÊt kÕt qu¶ tÝnh mái

Hình 3.10: Các dạng xuất kết quả

- Bớc 9: Xử lý các kết quả thu đợc

Hình 3.11: Tuổi thọ tính theo số chu kỳ mỏi

3.2.2 Các khai báo.

a Khai báo về vật liệu (Meterials).

Trong khai báo về vật liệu có hai tuỳ chọn nh sau:

- Khai báo cấu trúc vật liệu của kết cấu

Hình 3.12: Các đặc trng vật liệu thép 45X

 Khai báo mô đun đàn hồi (Young’s Modulus)

 Khai báo hệ số poát xong (Poission’s Ratio)

 Khai báo khối lợng riêng (Density)

 Khai báo hệ số giãn nở nhiệt (Thermal Expansion)

 Dạng đờng cong mỏi (Alternating Stress) có các thuộc tính:

 Phép nội suy (Interpolation) có 3 loại: Linear, Semi-Log, Log-Log

 Kiểu đờng cong mỏi (Mean Curve Type): Theo ứng suất trung bình (Mean Stress)và theo tỷ số (R-Ratio)

 Số liệu của đờng cong mỏi (Alternating Stress Curve Data)

 Giá trị ứng suất và chu kỳ của đờng cong mỏi (Alternating Stress vs Cycles )

Hình 3.13: Đờng cong mỏi của vật liệu

 Khai báo độ bền kéo và nén (Tensile, Compressive Strength)

- Khai báo thuộc tính nhiệt của vật liệu (Thermal)

 Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductivity)

- Khai báo thuộc tính điện từ của vật liệu (Electromagnetics)

 Độ từ thấm (Relative permeability)

 Suất điện trở (Resistivity)

- Khai báo hệ số bền mỏi ( 0 ≤ Kf ≤1):

Đây là hệ số thu nhỏ độ bền mỏi Đờng cong mỏi là sự điều chỉnh hệ sốnày trong quá trình phân tích mỏi Hệ số này đã sử dụng trong tài khoản vớimôi trờng ”thế giới thực“ có thể khắc nghiệt hơn sự điều chỉnh độ cứng trongphòng thí nghiệm với trờng hợp tĩnh Hệ số thu gọn độ bền mỏi phổ biến và cóthể tìm thấy trong số tay thiết kế

b Khai báo dạng tải trọng (Loading).

- Kiểu tải trọng (Type): gồm 4 dạng đồ thị tải trọng đầu vào

 Zero-Based (r=0)

Hình 3.14: Dạng tải trọng Zero-Based tính mỏiTheo dạng đồ thị biên độ là hằng số, kiểu tải trọng đối xứng và minh hoạ ở đồ thị trong cửu số mô đun hình học.

Hình 3.16: Dạng tải trọng Ratio tính mỏi

 History Data:

Dạng này cho phép bạn chỉ đến file chứa trong cơ sở dữ liệu Tuỳ chọn này là dạng tải trọng biên độ không đối xứng và giá trị trung bình thay đổi Dữliệu này đợc mô tả kỹ hơn trong đồ thị ở cửa số trong mô đun hình học

Hình 3.17: Dạng tải trọng History Data tính mỏi

 Non-proportional loading:

Tuỳ chọn này là kiểu tải trọng ngẫu nhiên giữa hai trạng thái ứng suấtcho mô hình tính Vấn đề đờng cong mỏi ở trạng thái ứng suất tĩnh nh mô hình

đặc trng tải trọng ngẫu nhiên có thể giải quyết đợc với công cụ Fatigue trongmô đun Solution với sự phối hợp chính xác của hai moii trờng tính toán

- Hệ số tỷ lệ (Scale Factor):

Đây là tỷ lệ cờng độ tải Đồ thị này đợc cập nhật để phán ảnh sự thay

đổi hệ số này Tuỳ chọn này để xem sự tác động cờng độ tải trọng phần tử hữuhạn khi sự phân tích cấu trúc hoàn chỉnh

c Khai báo tuỳ chọn (Options).

- Kiểu phân tích (Analysis Type) gồm 5 kiểu phân tích:

Sự bố trí này chỉ rõ ứng suất trung bình tác động khi có cản Có thể chọndùng none, Goodman, Soderberg, Gerber, and Mean-Stress Curves Các đồ thịGoodman, Soderberg, Gerber sử dụng các loại vật liệu với thuộc tính sẵn cóvới ứng suất trung bình cho trớc, đôi khi đờng cong thể hiện ứng suất trungbình sử dụng các số liệu của thí nghiệm mỏi Một đồ thị mẫu theo các lýthuyết này thể hiện trong cửa số mô đun hình học Đồ thi này không sử dụng

số liệu thực nhng là sự thể hiện chính xác hơn của mỗi lý thuyết Sự mặc định

lý thuyết ứng suất trung bình có thể đợc định nghĩa trong toàn bộ phần tínhtoán mỏi

 SN-None

Hình 3.18: Kiểu phân tích theo đờng cong SN-None

 SN-Goodman

Hình 3.19: Kiểu phân tích theo đờng cong SN- Goodman

 SN-Soderberg

Hình 3.20: Kiểu phân tích theo đờng cong SN- Soderberg

 SN-Gerber

Hình 3.21: Kiểu phân tích theo đờng cong SN- Gerber

 SN-Mean Stress Curve

Hình 3.22: Kiểu phân tích theo đờng cong SN- Mean Stress Curve

- Thành phần ứng suất (Stress Component) gồm 11 thành phần:

Bởi vì ứng suất là sự tổ hợp nhiều thành phần nhng các số liệu của thínghiệm mỏi là đơn thuần, các dạng ứng suất này có thể đợc tách ra từ trạngthái ứng suất tổng hợp Bạn có thể chọn vài dạng thành phần ứng suất hiển thịgiá trị tuyệt đối ứng suất chính lớn nhất Đây là sự thể hiện giá trị có ích củaứng suất nén trung bình

 Thành phần ứng suất phơng X, Y, Z (Component X, Y, Z)

 Thành phần ứng suất phơng XY, YZ, XZ (Component XY, YZ,XZ)

 Thành phần ứng suất chính lớn nhất (Max Principal)

 Thành phần ứng suất kéo lớn nhất (Max Shear)

 Thành phần ứng suất tơng đơng (Equivalent)

 Thành phần giá trị tuyệt đối lớn nhất của ứng suất chính (AbsMax Principal)

 Thành phần ứng suất đơn (Signe)

d Khai báo dạng xuất kết quả (Contour results).

Sau khi đã giải bài toán với Fatigue Tool, bạn có thể chọn một vài tuỳchọn hiển thị kết quả Mỗi dạng kết quả có ý nghĩa riêng tuỳ thuộc vào yêucầu cụ thể của bài toán Với các lựa chọn trong phần tính toán mỏi, bạn có thể

có kết quả theo yêu cầu Kích chuột vào Fatigue Tool và lựa chọn các tuỳ chọnxuất kết quả:

Hình 3.23: Các dạng khai báo kết quả

- Dạng Life

Đây là kiểu hiển thị kết quả sẵn có trong bài toán phân tích mỏi nhất

định Nếu tải trọng có biên độ là hằng số, thì sự thể hiện này là số chu kỳ cho

đến khi xẩy ra h hỏng vì mỏi Nếu tải trọng có biên độ không đối xứng (biên

độ ngẫu nhiên), thì sự thể hiện này là dơn vị tải trọng đến khi h hỏng Nh vậyvới tải trọng đã cho tuổi thọ từ một tháng có thể lên tới 12 tháng

Trong phép phân tích biên độ hắng số, nếu đờng cong mỏi thấp hơn ờng cong mỏi đã định nghĩa thì tuổi thọ điểm đó coi là vô hạn

đ-Hình 3.24: Các khai báo khi tính tuổi thọTrong phần này có một số hiển thị chi tiết sau:

 Scope : Chọn phạm vi tính toán

 Definition: Định nghĩa kiểu hiển thi kết quả

 Results: Hiển thị thành phần kết quả

 Information: Hiển thị thông tin thời gian, bớc tải,

- Dạng Damage

Sự h hỏng do mỏi đã đợc định nghĩa trong khi thiết kế thể hiện bằng tuổithọ còn lại Tuổi thọ khi thiết kế có thể thiết lập trong hộp thoại tuỳ chọn Sự

h hỏng do mỏi của bộ phận kết cấu thờng lớn hơn h hỏng dự kiến

Các hiển thị kết quả chi tiết trong Damage của tơng tự trong Life

suất đơn, giá trị -1 tơng ứng kéo thuần tuý và giá trị 1 tơng ứng trạng thái ứngsuất tơng đơng.

Đối với trờng hợp tải trọng ngẫu nhiên, bạn có thể chọn giá trị trungbình của hai trục hoặc độ lệch chuẩn của hai trục ứng suất đó

Các hiển thị kết quả chi tiết trong Biaxiality Indication của tơng tự trongLife

- Dạng Equivalent Alternating Stress

Đờng mức ứng suất tơng đơng là ứng suất thờng hay sử dụng với đờngcong mỏi S-N Kết quả này sẽ không hợp lý nếu tải trọng có biên độ ngẫunhiên Kết quả hợp lý với trờng hợp khi tiêu chuẩn thiết kế dựa vào ứng suất t-

ơng đơng nh lý thuyết phân tích mỏi

Các hiển thị kết quả chi tiết trong Equivalent Alternating Stress của tơng

tự trong Life

- Dạng Fatigue Sensitivity

Đồ thị này trình bày sự thay đổi kết quả mỏi nh một hàm của tải trọng ở

vị trí tới hạn trong vùng nguy hiểm Độ nhạy có thể xác định dựa vào tuổi thọ,

h hỏng hoặc hệ số an toàn mỏi Trong trờng hợp, nếu thiết lập đồ thị thấp hơn

và cao hơn độ nhạy mỏi giới hạn đã định sẵn là 50% và 150%, và hệ số tỷ lệ là

3 thì kết quả đồ thị của điểm dữ liệu theo dải từ 1.5 đến 4.5 Bạn có thể khaibáo số điểm trên đờng cong nh chọn một vài dạng biểu đồ ở trong tuỳ chọnsẵn có

Hình 3.25: Đồ thị mối quan hệ giữa tuổi thọ còn lại và sự thay đổi tải trọngCác hiển thị kết quả chi tiết trong Fatigue Sensitivity của tơng tự trongLife.

- Dạng Rainflow Matrix (history data only)

Đồ thị này mô tả nhiều đờng mức chu kỳ chứa trong thùng Nó thể hiệnphạm vi lý thuyết với h hỏng lớn

- Dạng Damage Matrix (history data only)

Tơng tự nh Rainflow Matrix, đồ thị này mô tả nhiều h hỏng theo nguyênnhân Kết quả này có thể cho bạn biết thông tin về sự tích luỹ h hỏng

3.3 ứng dụng mô đun Fatigue tool tính bền mỏi khung xe ôtô CH-551.

3.3.1 Xây dựng mô hình hình học.

a Khái niệm mô hình.

Mô hình tính của một kết cấu là sự mô tả kết cấu đó với các giả thiết xác

định nhằm đánh giá kết cấu về một khía cạnh nhất định Các mô hình tính ờng đợc sử dụng để đơn giản hoá quá trình khảo sát nhng vẫn phản ánh đợccác đặc trng cơ bản của kết cấu Nh phần trên đã đề cập khung xe là kết cấu đadạng, chịu tác động của nhiều loại tải trọng, có trạng thái ứng suất rất phứctạp, do đó việc giải bài toán tính khung rất khó khăn

th-Các mô hình tính xây dựng đợc có mối quan hệ chặt chẽ với các phơngpháp và công cụ đợc sử dụng để nghiên cứu nó

Ví dụ để đánh giá độ bền uốn tĩnh của khung xe có rất nhiều phơngpháp nh :

- Phơng pháp mặt cắt là phơng pháp thờng đợc sử dụng trong sức bền

vật liệu để giải các bài toán dầm chịu lực Theo phơng pháp này, để có đợc cácgiá trị mô men uốn, lực cắt, ứng suất, phải viết đợc các phơng trình cân bằngcho tất cả các đoạn, mỗi đoạn là khoảng cách giữa hai lực liên tiếp (mặt cắttrong đoạn đó) và giải các phơng trình này

- Phơng pháp toạ độ quạt của tác giả H Colapoba Theo phơng pháp

này để có đợc giá trị mô men uốn tại một mặt cắt phải giải một loạt các phơngtrình vi phân, tích phân và đạo hàm riêng theo toạ độ quạt tính toán và toạ độquạt chính

- Phơng pháp thông số ban đầu tác giả V.B Proxculiakov sử dụng khi

nghiên cứu về động lực học và độ bền khung xe ôtô Đây là phơng pháp tínhbền tĩnh khung xe Phơng pháp này đợc đa ra sau những nghiên cứu về đặc

điểm kết cấu và điều kiện sử dụng của khung xe (vấn đề mô hình tính toán,phản lực từ mặt đờng, phổ mặt đờng…và một đặc)

Với các phơng pháp trên thì mô hình tính khung rất đơn giản, trong ờng hợp này khung xe thờng đợc mô tả nh một dầm chịu uốn ngang phẳng vớigiả thiết cơ bản của sức bền vật liệu là các thiết diện phẳng của dầm khôngthay đổi khi chịu lực

tr-Tuy nhiên trên thực tế kết cấu khung xe có dạng rất phức tạp, ngay cảkhi sử dụng khung xe loại hai dầm dọc, thì các dầm dọc này cũng có hìnhdạng, thiết diện thay đổi dọc theo dầm và có trạng thái ứng suất nh các tấm vỏ.Trong trờng hợp này thờng sử dụng các phơng pháp của lý thuyết đàn hồi, docác giả thiết của nó khá rộng rãi và không có tính chất hạn chế về hình dạngcủa kết cấu cũng nh các phơng pháp của cơ học kết cấu Đi theo hớng này cócác phơng pháp cho lời giải chính xác nhng cũng có các phơng pháp chỉ xác

định các lời giải gần đúng Phơng pháp phần tử hữu hạn là phơng pháp tính

gần đúng, nó cho phép giải các bài toán phức tạp với các kết cấu đa dạng

b Mô hình hình học.

Hình 3.26: Mô hình hình học khung xe CH-551

Đây là mô hình đợc xây dựng trong phần mềm SolidWorks, trong môhình này các yếu tố về kích thớc và trọng lợng của vật liệu đã đợc thể hiện Môhình hình học là một yếu tố không thể thiếu để xây dựng mô hình phần tử hữuhạn

3.3.2 Khái quát về mô hình phần tử hữu hạn.

Mô hình phần tử hữu hạn chính là sự kết hợp giữa mô hình hình học, tảitrọng tác dụng và các ràng buộc Việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn quamột số bớc cơ bản sau:

- Xây dựng mô hình hình học bằng phần mềm SolidWorks

- Chuyển mô hình hình học sang phần mềm ANSYS Workbench

- Tiến hành gán tải trọng và các ràng buộc cho mô hình hình học

Theo phơng pháp phần tử hữu hạn để có đợc giá trị nội lực và ứng suấttại các điểm bất kỳ trên kết cấu cần phải xây dựng mô hình phần tử hữu hạn.Mô hình phần tử hữu hạn mô tả đợc hình dáng hình học và đặc điểm kết cấucũng nh các đặc trng của vật liệu và các tải trọng ngoài Nó đợc sử dụng không