ĐỒ ÁN TẤM COMPOSITE ÁP ĐIỆN CĐT BKHN

A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto A+ đồ án Cơ học vật liệu và kết cấu, A+ đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cơ điện tử 1, full, auto

BỘ MÔN CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU

- -

ĐỒ ÁN:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Mô hình hóa, mô phỏng ứng xử cơ học

của kết cấu tấm composite

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Cường Sinh viên thực hiện : Nguyễn Việt Hùng

Mã số sinh viên: 20131903

Lớp : KT-CĐT 2-K58

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ……… ……… 5

Đặt vấn đề 5

Nội dung đề tài 7

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG………8

Giới thiệu về vật liệu composite 8

1 Khái niệm chung 8

2 Lịch sử hình thành và phát triển 8

3 Thành phần cấu tạo 9

CHƯƠNG II: PHẦN MỀM ANSYS ………12

Giới thiệu chung 12

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG ỨNG XỬ TĨNH VÀ DAO ĐỘNG CỦA TẤM COMPOSITE………….……….………….21

I Dựng mô hình tính toán và nhập thông số vật liệu……….21

II Dùng mã Log………29

II Tính toán ứng xử tĩnh của tấm composite3Error! Bookmark not defined IV Tính toán dao động của tấm composite……… ….49

CHƯƠNG IV:KHẢO SÁT VỀ SỰ THAY ĐỔI SỐ LỚP DẪN ĐẾN THAY ĐỔI VỀ ỨNG XỬ TĨNH VÀ ỨNG XỬ ĐỘNG I Nội dung khảo sát………

II Phương pháp khảo sát………

III Khảo sát 8 trường hợp………

IV Nhận xét đáng giá về sự ảnh hưởng của số lớp đến kết quả tính toán…………

KẾT LUẬN……….83TÀI LIỆU THAM KHẢO……… …62

Viện Cơ khí

Bộ môn Cơ học Vật liệu

và Kết cấu

Nhận xét

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

- Điểm đánh giá của GVHD: ……

- Điểm đánh giá của hội đồng bảo về: ……

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

thành phần, công nghệ chế tạo vật liệu composite,… Trong trường hợp tấm

composite cốt sợi thì phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu Có nghĩa

là ta có thể điều khiển được tính dị hướng hướng của vật liệu và ta có thể chọn

những phương án công nghệ phù hợp với tính chất mong muốn

Tính cấp thiết và hấp dẫn của vấn đề nghiên cứu lý thuyết hoặc thực nghiệm các loại vật liệu và kết cấu tấm composite đã thu hút nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng như trong nước quan tâm và đã tạo ra một lĩnh vực nghiên cứu mới trong

cơ học, đó là Cơ học Vật liệu và Kết cấu Composite

Trong giai đoạn phát triển hiện nay vật liệu composite là một trong những loại vật liệu mới đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của nhiều ngành và có khả năng từng bước thay thế một số loại vật liệu truyền thống khác nhờ vào tính ưu việt của nó Các loại kết cấu mỏng, điển hình là các loại kết cấu dạng tấm composite là đối tượng cần được nghiêm cứu để bổ xung lý thuyết tính toán

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về vật liệu compopsite, về tấm composite lớp để từ

đó xây dựng thuật toán và chương trình tính cho phép mô phỏng ứng xử tĩnh và dao động của tấm composite Trên cơ sở sự trợ giúp cảu phần mềm ANSYS, em đã hoàn

thành Đồ án “Thiết kế hệ thóng Cơ Điện tử”, nội dung nghiên cứu “Điều khiển kết cấu tấm composite ”

Đồ án đã nghiên cứu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau tới ứng xử tĩnh

và dao động của tấm composite:

-Ứng xử tĩnh: xác định độ võng lớn nhất, vẽ biểu đồ độ võng qua các mặt cắt điển hình, khảo sát sự ảnh hưởng của tie lệ a/b và góc sợi đến độ võng của tấm

composite

-Ứng xử động: xác định các tần số riêng, dao động riêng cơ bản khảo sát

sự ảnh hưởng của tie lệ a/b và góc sợi đến các tần số riêng, dao động riêng của tấm

composite

Sau một quá trình tìm hiểu, nghiên cứu với nỗ lực của bản thân cùng với sự

hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Mạnh Cường_ Bộ môn

Cơ học Vật liệu và Kết cấu đồ án đã được hoàn thành Tuy vậy, do thời gian và vốn

kiến thức còn hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo

và góp ý sâu sắc của các Thầy, Cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày 01 tháng 5 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Việt Hùng

Lớp KT-Cơ Điện tử 2-K58

Nội dung đồ án

Đồ án được chia thành các chương sau:

Chương 1: Khái niệm chung về vật liệu composite

Tìm hiểu về khái niệm, lịch sử hình thành và thành phần cấu tạo nên vật liệu composite Ứng dụng của composite trong thực tế ngày nay Tầm quan trọng của việc nghiên cứu vật liệu composite

Chương 2: Tìm hiểu phần mềm Ansys

Nội dung của chương này đi sâu tìm hiểu về phần mềm Ansys, những ứng dụng của phần mềm trong các lĩnh vực công nghiệp Thực hiện phân tích, tính toán các cấu trúc, cấu kiện, các chi tiết máy bằng phần mềm Ansys

Chương 3: Mô hình hóa, mô phỏng ứng xử tĩnh và dao động của tấm composite áp

điện trên phần mềm ANSYS với các thông số cho trước Trong khi làm có sử dụng phương pháp thay đổi mã Log trong Ansys để công việc trở nên dễ dàng hơn

Chương 4: Khảo sát sự thay đổi của độ võng và tần số dao động riêng khi số lớp vật

liệu thay đồi và rút ra kết luận

CHƯƠNG I

KHÁI NIỆM CHUNG

1 Khái niệm vật liệu composite

Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật

Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơ học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó phụ thuộc vào toạ độ

2 Lịch sử hình thành

Những vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng, điển hình về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo - một cấu trúc

composite lý tưởng

Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng; và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông

Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở

Mỹ từ những năm 1950 Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite"

3 Thành phần và cấu tạo

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),

thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước

Thành phần cốt: Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm;

nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa, ; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic, ; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ), sợi polyamit, ; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,

Vật liệu nền: Chất liệu nền polyme nhiệt rắn, chất liệu nền polyme nhiệt dẻo,

chất liệu nền cacbon, chất liệu nền kim loại

Nhựa polyeste và nhóm nhựa cô đặc như: nhựa phenol, nhựa furan, nhựa amin, nhựa epoxy Nhựa epoxy được sử dụng nhiều (sau polyeste không no) trong công nghiệp composite Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng

nó để tạo ra các composite có độ bền cao dùng cho ngành chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa v.v Nhựa epoxy có những đặc tính cơ học như kéo, nén, uốn, va đập và

từ biến hơn polyeste

Chất liệu nền polyme nhiệt dẻo: Nền của vật liệu là nhựa nhiệt dẻo như: PVC, nhựa polyetylen, nhựa polypropylen, nhựa polyamit,

Chất liệu nền kim loại: Vật liệu compozit nền kim loại có modun đàn hồi rất cao

có thể lên tới 110 GPa Do đó đòi hỏi chất gia cường cũng có modun cao Các kim loại được sử dụng nhiều là: nhôm, niken, đồng

CHƯƠNG II PHẦN MỀM ANSYS

Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tướng tác đa trường vật lý

Hình 30 Phần mềm Ansys

ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D đẻ phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS còn cung cấp phương pháp giải bài các bài toán cơ với nhiều hình dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến

tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí…

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Cấu trúc cơ bản một bài toán trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor) Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn

bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính Trong quá trình này cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ…), mô hình bài toán như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, mô hình 3 chiều đầy đủ…), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell, Struss,…)

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện được những ý tưởng này trong ANSYS ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng (Graphic User Interface, GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết

mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (ta cũng có thể kết hợp hai phương pháp trên một cách linh hoạt sao cho bài toán được thực hiện một cách hiệu quả nhất)

I Dựng mô hình tính toán, nhập thông số vật liệu

Bước 1 Khởi động ANSYS 12.1

Bước 2 Khai báo phần từ

Main Menu  Preference  Preprocessor  Element Type 

Add/Edit/Delete  chọn Add  chọn kiểu phần tử Shell 99  Oke  Close

Bước 3 Nhập các thuộc tính vật liệu

Main Menu  Preference  Preprocessor  Material Props  Material

Models

Trong phần Structural  Linear  Elastic  Orthotro để nhập thuộc tính vật liệu

Nhập xong nhấn Ok

Trong phần Density DENS nhập 1600 để đưa vào khối lượng riêng  OK

 Nhập xong thoát phần nhập thuộc tính vật liệu

Bước 4 Khai báo các hằng số đặc trương chính là cấu hình lớp của tấm

Nhập các thông số Góc Sợi và Chiều dày Lớp

Bước 6 Chia lưới

Main Menu  Preference  Preprocessor  Meshing  Mesh Tool  Global  Set

Nhập giá trị 0.005 vào ô SIZE Element edge division OK

Chọn Mesh  chọn cả tấm để chia lưới

Lý do chọn kích thước lưới là 0.005 sẽ được trình bày ở phần sau

Bước 7 Đặt điều kiện biên

Ngàm 2 đầu Main Menu  Preference  Solution  Define Loads  Apply 

Structural  Displancement On Lines

Click chọn cạnh bên I  Ok  chọn All DOF (ngàm)  OK

Click chọn cạnh bên III  Ok  chọn All DOF (ngàm)  OK

Bước 8 Lưu File

File Save as  gõ tên file là “Composite.db”

Đến đây ta đã thực hiện xong phần xây dựng mô hình tấm Composite Tiếp đến sẽ dung Mô hình này để tính toán ứng xử tĩnh và dao động

II Dùng mã Log

Vì yêu cầu bài toán có thêm phần khảo sát phần ứng xử tĩnh và ứng xử động theo các tỉ lệ a/b khác nhau, nên ta sẽ dùng mã Log để thay đổi ngay trên mã Log các thông số a/b cũng như các thông số khác, tránh việc với mỗi trường hợp lại phải xây dựng lại mô hình từ đầu

Lấy mã Log

FlieList  Log file

Chép sang một file dạng text khác ta được đoạn log có dạng

/COM,ANSYS RELEASE 12.1 UP20091102 21:29:40 05/12/2016

Khối lượng riêng density 1600

Thay các góc sợi và bề dày lớp tương

ứng

Gocsoi1=0, gocsoi2=15, gocsoi3=30…

thickness1=0.001, thickness2=0.001,…

Ta được đoạn mã log mới như sau

/COM,ANSYS RELEASE 12.1 UP20091102 21:29:40 05/12/2016

RMODIF,1,13,1, gocsoi1, thickness1, 1 , gocsoi2, thickness2 , !goc soi va be day soi

RMODIF,1,19,1 , gocsoi3, thickness3, 1 , gocsoi4, thickness4 ,

RMODIF,1,25,1 , gocsoi5, thickness5, 1 , gocsoi6, thickness6,

RMODIF,1,31,1, gocsoi7, thickness7, 1 , gocsoi8, thickness8 ,

SAVE,'Composite','','C:\Users\ADMIN\' !Luu file

Bây giờ khi khảo sát các thông số khác ta chỉ việc thay các số a, b, density,

ex,ey,ez,… bằng các số khác Công việc trở nên dễ dàng hơn!

III Tính toán ứng xử tĩnh (Static)

1 Giải bài toán với thông số cho ở đầu bài a/b = 2 (a=0.4)

Bước 1 Áp đặt áp lực

Main Menu  Preference  Solution  Define Loads  Apply  Structural

 Pressure  On Areas  Chọn tấm  OK

Trong ô VALUE nhập vào -10000

Bước 2 Tính toán

Main Menu  Preference  Solution  Solve  Curent LS  OK  Done

Bước 3 Xác định tên các điểm trên mặt cắt điển hình

List  Node

Sort First By  chọn Y

Sort Second By  chọn X

Sort Third By  chọn Z

Từ tọa độ X, Y trong ô đỏ và xanh, ta lấy được tên điểm trong cột NODE Mặt cắt điển hình có tọa độ Y là 0.1 nên ta sẽ lọc lấy những điểm có tọa độ dạng (X;0.1) ta sẽ lấy được những điểm có tọa độ cách đều nhau một khoảng

Bước 4 Tính toán chuyển vị các điểm tại mặt cắt điển hình

Main Menu  General Postproc  List Results  Nodal Solution

Chọn Nodal Solutiom  DOF Solution  Z-Component of displacement để tính chuyển vị theo phương Z  OK

-2,2619E-04-1,8975E-04-1,44E-04-9,5349E-05-4,9536E-05-1,4765E-050,0000E+00

Mô Phỏng trong ANSYS

Mặt Oxz

2 Nhận xét độ chia lưới, lí do chọn độ chia lưới 0.005

Kích thước lưới Uzmax

0.05 2.72E-040.045 2.73E-040.04 2.73E-040.035 2.74E-040.03 2.74E-040.025 2.75E-040.02 2.75E-040.015 2.75E-040.01 2.75E-040.005 2.75E-040.004 2.75E-040.003 2.75E-040.002 2.75E-040.001 2.75E-04

* Nhận xét: Từ đoạn kích thước lưới bằng 0.02 trở về sau, Uzmax là một đường

thẳng,có nghĩa là không có nhiều sự sai khác khi chọn các kích thước lưới nữa Chọn kích thước lưới bằng 0.005 để đảnh bảo tính chính xác Không chọn quá nhỏ vì nếu chọn bằng 0.001 máy tính sẽ mất rất nhiều thời gian để tính toán mà trong khi kết quả cũng không có sự khác biệt

3 Thay đổi các tỉ số a/b và đưa ra nhận xét

*Nhận xét: qua đồ thị ta có thể thấy khi tang tỉ lệ a/b mà giữ nguyên b thì độ

võng lớn nhất tại tâm của tấm composite cũng tăng Khi a/b nằm trong khoảng (1 -> 6) thì độ võng tăng rất ít (đồ thị gần như một đường nằm ngang) Khi a/b nằm trong khoảng (6 -> 9) thì độ võng tăng chậm Khi a/b nằm trong khoảng (9-> 15) thì độ võng tăng rất nhanh