Mô phỏng số quá trình ép chaỷ ngược trong công nghệ chế tạo bình chứa khí công nghiệp chịu áp lực cao

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ có tính chất liên ngành của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối -u h

Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội

-

Nguyễn Tuấn Minh

Mô phỏng số quá trình ép chảy ng-ợc

trong công nghệ chế tạo bình chứa khí công nghiệp chịu áp lực cao

luận văn thạc sĩ khoa học

Hà Nội - 2004

Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội

Hµ Néi 2004

Lời cảm ơn

Đ

Với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo cùng toàn thể ng-ời thân trong gia đình, các bạn đồng nghiệp và sự cố gắng của ban thân, tôi

đã hoàn thành luận văn tôt nghiệp cao học của mình

Nhân đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tởi tất cả các thày các cô thành cảm ơn các thầy Nguyễn Tất Tiên, Nguyễn Đắc Trung đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn nay

1

Môc lôc

3

Lời nói đầu

Tối -u hoá công nghệ nâng cao chất l-ợng, giảm chi phí thiết kế, sản xuất và hạ giá thành sản phẩm luôn là tiêu chí hàng đầu cho tất cả các đơn vị sản xuất kinh doanh Đây chính là vấn đề sống còn của doanh nghiệp

Tr-ớc đây khi công nghệ ch-a phát triển, tối -u hoá công nghệ th-ờng dựa trên kinh nghiệm sản xuất, và tối -u dần trong quá trình sản xuất, riêng lẽ

mà không có tính tổng quát, nên hiệu quả th-ờng không cao Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ có tính chất liên ngành của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ thông tin, điện tử, tự động hoá đã trợ giúp quá trình tối -u hoá công nghệ một cách đơn giản, nhanh chóng và chính xác bằng ph-ơng pháp mô phỏng số trên máy tính đem lại hiệu quả cao trong nghiên cứu khoa học cũng nh- trong sản xuất

nh- ch-a đ-ợc ứng dụng phổ biến vào sản xuất mà chỉ đ-ợc nghiên cứu một cách riêng lẽ, tự phát ở một số tr-ờng đại học cũng nh- các viện nghiên cứu

Để góp phần vào sự phát triển chung của việc nghiên cứu tối -u hoá công nghệ nhờ mô phỏng số và thúc đẩy ứng dụng kết quả tối -u vào sản xuất công nghiệp, luận văn này nghiên cứu và ứng dụng ph-ơng pháp mô phỏng số nhờ phần mềm ANSYS nhằm tối -u hoá công nghệ ép chảy ng-ợc chế tạo bình chứa khí công nghiệp

Nhân dịp hoàn thành luận văn tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khoá học của mình

4

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tất Tiến, Nguyễn Đắc Trung

đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn của mình

Tôi không thể không nói tới ng-ời thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong học tập cũng nh- trong cuộc sống Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới họ

H×nh 1.1 B×nh chøa khÝ

âu khoảng 110-120 USD và từ Trung quốc thì cũng vào khoảng 50-60 USD

Theo quy chuẩn quốc tế các bình chứa khí công nghiệp đ-ợc chế tạo phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật nh- sau:

Từ những lý do kể trên, có thể thấy ngay vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo bình chứa khí chịu áp lực để tiến tới sản xuất trong n-ớc nhằm thoả mãn nhu cầu thị tr-ờng nội địa là việc làm hết sức cấp thiết, vừa góp phần nâng cao trình độ khoa học n-ớc nhà, vừa có ý nghĩa to lớn mặt kinh tế và phù

Tuy nhiên việc chế tạo bình chứa khí (hình1.2) với những yêu cầu khắt khe về mặt kỹ thuật hoàn toàn không đơn giản, hơn nữa sản phẩm sản xuất trong n-ớc còn phải cạnh tranh với sản phẩm của các hãng n-ớc ngoài hiện

đang có mặt tại thị tr-ờng Việt nam về chất l-ợng và giá thành.Vì vậy, tối -u hoá công nghệ nhằm giảm giá thành và nâng cao chất l-ợng sản phẩm luôn là vấn đề đ-ợc các nhà kỹ thuật quan tâm Một trong những ph-ơng pháp đ-ợc

áp dụng hiệu qủa cho việc tối -u hoá công nghệ chính là mô phỏng quá trình tạo hình

H×nh 1.2 KÝch th-íc b×nh chøa khÝ

9

Hai ph-ơng pháp mô phỏng đ-ợc sử dụng rộng rãi để nghiên cứu tối -u công nghệ tạo hình là mô phỏng thực nghiệm (hay mô phỏng vật lý) và mô phỏng số

1.2.1 Mô phỏng vật lý

Khi nghiên cứu quá trình biến dạng với đặc điểm chảy phức tạp của vật liệu trong quá trình gia công, để có thể nắm đ-ợc qui luật chảy dẻo th-ờng phải làm nhiều thí nghiệm, dẫn đến rất tốn kém Để giảm giá thành và thời gian ng-ời ta không tiến hành thực nghiệm với những vật liệu thật theo tỷ lệ 1:1 mà th-ờng tiến hành trên những vật liệu dễ biến dạng có thuộc tính chảy t-ơng tự nh- vật liệu thực trong một khoảng nhiệt độ nhất định và rẻ tiền hơn vật liệu thật nh- sáp hay plasticine Để có thể làm mô phỏng vật lý quá trình biến dạng với vật liệu thí nghiệm, nghiên cứu quy luật chảy dẻo của vật liệu

có thể sử dụng những khuôn mẫu đơn giản đ-ợc làm bằng nhôm hoặc thậm chí bằng gỗ Thông qua mô phỏng vật lý sẽ có đ-ợc những đánh giá, định h-ớng đúng về thuộc tính chảy của vật liệu cũng nh- mô hình biến dạng thực

tế của vật liệu

1.2.2 Mô phỏng số

Mô phỏng số là quá trình mô phỏng những hiện t-ợng, quá trình xảy ra trong thực tế bằng việc sử dụng các ph-ơng pháp số để giải các bài toán th-ờng đ-ợc biểu diễn d-ới dạng các hệ ph-ơng trình vi tích phân Để tính toán có thể dùng nhiều ph-ơng pháp khác nhau nh- ph-ơng pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, biến phân hoặc phần tử biên…Mỗi ph-ơng pháp đều có

y học Ph-ơng pháp này đ-ợc coi là một b-ớc đột phá trong công nghệ, nó

đáp ứng đ-ợc hầu hết các yêu cầu đặt ra của một vấn đề cơ học với thời gian nhanh nhất, chi phí thấp nhất nhờ quá trình thiết kế và tính toán công nghệ

đ-ợc thực hiện một cách linh hoạt trên máy tính với sự trợ giúp của những phần mềm thích hợp

Mô phỏng số tối -u hoá công nghệ tạo hình đ-ợc ứng dụng phổ biến ở các n-ớc có nền công nghệ phát triển nh- Mỹ, Anh, Đức, Nhật Thông qua mô phỏng số quá trình biến dạng có thể nhận đ-ợc hình ảnh vể tr-ờng ứng suất, biến dạng, tr-ờng vận tốc trong vật thể, từ đó ng-ời kỹ s- sẽ có thể rút ra những kết luận đúng đắn về quá trình biến dạng tạo hình sản phẩm mặt khác

có thể phân tích những khiếm khuyết trong quá trình trên cơ sở đó sửa lại thiết

kế để cuối cùng đ-a ra một bộ thông số đầu vào hợp lý nhất cho việc chế tạo sản phẩm

Để thấy rõ tính -u việt của ph-ơng pháp mô phỏng số trong việc tối -u công nghệ hãy so sánh ph-ơng pháp này với ph-ơng pháp thiết kế truyền thống (hình 1.3) Theo ph-ơng pháp truyền thống thì sau khi nhận đ-ợc bản vẽ sản phẩm, ng-ời kỹ s- phải tiến hành thiết kế công nghệ dựa trên những hiểu biết và kinh nghiệm của mình Tuy nhiên bản thiết kế ấy có bảo đảm tạo ra

đựơc sản phẩm nh- mong muốn hay không và đã tối -u hay ch-a thì còn là một dấu hỏi lớn B-ớc tiếp theo là chế tạo khuôn và dập thử Nếu sản phẩm

đạt yêu cầu kỹ thuật thì chúng tỏ thiết kế là đúng đắn và có thể sản xuất hàng

ThiÕt kÕ s¬ bé

M« pháng sè

Quy tr×nh c«ng nghÖ tèi -u

S¶n suÊt thö

Sai

§óng

S¶n phÈm

Ph-¬ng ph¸p

truyÒn thèng

Ph-¬ng ph¸pmíi (c«ng nghÖ ¶o)

12

loạt Nh-ng trong thực tế ít gặp tr-ờng hợp sản phẩm đạt yêu cầu ngay, nhất là đối với các chi tiết phức tạp, trái lại th-ờng xuất hiện các khuyết tật Những khuyết tật này có thể khắc phục bằng cách chỉnh sửa khuôn, nh-ng nếu nghiêm trọng quá thì có thể phải thiết kế lại và chế tạo lại khuôn Quá trình này th-ờng đ-ợc lặp đi lặp lại nhiều lần gây tốn kém nhiều về thời gian

và kinh phí Còn theo ph-ơng pháp thiết kế “ ảo” thì toàn bộ khâu tính toán thiết kế đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp mô phỏng số với sự trợ giúp của máy tính

Những thông số công nghệ rút ra đ-ợc nhờ mô phỏng có thể coi là tối -u và là dữ liệu có bản để thiết kế, chế tạo khuôn Bởi vậy bộ khuôn chế tạo ra chắc chắn có thể dập ra sản phẩm đạt yêu cầu, nếu có phải chỉnh sửa thì cũng

ở mức độ nhẹ và khối l-ợng công việc không nhiều Với việc áp dụng ph-ơng pháp thiết kế “ ảo” , thời gian thiết kế cũng nh- chi phí chế tạo khuôn giảm

đáng kể Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là đối với những chi tiết phức tạp, kích th-ớc lớn

Tóm lại tính -u việt của ph-ơng pháp công nghệ “ ảo” là so với ph-ơng pháp truyền thống thể hiện ở những điểm sau:

- Rút ngắn thời gian thiết kế

- Giảm chi phí thiết kế

- Giảm chi phí chỉnh sửa khuôn và dập thử

- Dễ dàng cải tiến hoặc thay đổi mẫu mã sản phẩm

- Chất l-ợng sản phẩm tốt

1.3 Kết luận

13

Để sản xuất bình chứa khí công nghiệp với những yêu cầu kỹ thuật khắt khe cũng nh- phải đáp ứng đ-ợc yêu cầu của thị tr-ờng về tính kinh tế tức là phải cạnh tranh với các hãng của n-ớc ngoài Trong phần nghiên cứu của luận văn này sẽ ứng dụng mô phỏng số nhằm nghiên cứu tối -u công nghệ tạo hình Nh- vậy không chỉ góp phần thúc đẩy sự pháp triển nghiên cứu lý thuyết mà còn thúc đẩy quá trình sản xuất và nội địa hoá sản phẩm mang lại hiệu quả kinh tế cao

14

Ch-ơng 2

lựa chọn ph-ơng án công nghệ chế tạo bình chứa khí công nghiệp

2.1 Các chỉ tiêu lựa chọn ph-ơng án công nghệ

Để có thể sản xuất và đ-a đ-ợc sản phẩm ra thị tr-ờng, tr-ớc hết phải xây dựng một dự án khả thi về việc sản xuất bình chứa khí công nghiệp, nội dung của dự án bao gồm những vấn đề chính sau:

+ Nghiên cứu khảo sát thị tr-ờng về sản phẩm

+ Lập kế hoạch khả thi

+ Đầu t- sản xuất sản phẩm

+ Thực hiện quá trình phân phối sản phẩm

Trong đầu t- sản xuất, vấn đề xác định ph-ơng án công nghệ hợp lý là công việc quan trọng nhất của quá trình chế tạo sản phẩm, bởi sự thành công của một chiến l-ợc sản xuất kinh doanh phụ thuộc chủ yếu vào ph-ơng án sản xuất đ-ợc lựa chọn Do đó, để có cơ sở lựa chọn ph-ơng án, đảm bảo chọn

đ-ợc ph-ơng án phù hợp thì mỗi ph-ơng án đ-a ra cần đảm bảo thoả mãn những tiêu chí sau đây :

+ Tính công nghệ hợp lý

+ Tính khả thi

+ Đơn giản và kinh tế nhất

+ Dễ dàng đa dạng hoá sản phẩm trên cùng dây truyền thiết bị

15

2.2 Các ph-ơng án công nghệ

Qua tham khảo và tìm hiểu, các tài liệu cũng nh- thực tế sản xuất bình ch-a khí tại n-ớc ngoài, cho thấy có 4 ph-ơng án công nghệ th-ờng đ-ợc dùng để chế tạo bình chứa khí công nghiệp nh- sau:

Ph-ơng án 1:

Với khả năng công nghệ ép chẩy ng-ợc hoàn toàn có thể chế tạo đ-ợc các sản phẩm dạng cốc với phần thành trụ dài nh- bình chứa khí công nghiệp Tuy nhiên, để tiết kiệm năng l-ợng và thuận tiện trong thao tác, sau nguyên công ép chẩy, ta thực hiện nguyên công dập vuốt biến mỏng thành

ép chảy ng-ợc còn có các -u điểm nổi bật nh- sau :

+ Cho độ chính xác, độ bóng bề mặt chi tiết cao

+ Sản phẩm ép chẩy có chất l-ợng cao, không bị nứt rạn, không có

lỗ rổng

Tuy nhiên khi ép chẩy, áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên dụng cụ biến dạng lớn, làm giảm tuổi thọ của khuôn, nhất là phần lỗ thoát kim loại Sự tiêu hao năng l-ợng cho quá trình biến dạng th-ờng lớn

Dập vuốt biến mỏng thành là nguyên công làm giảm chiều dầy thành chi tiết hình trụ rỗng ( hình cốc) Có hai ph-ơng pháp dập vuốt biến mỏng thành:

+ Dập vuốt chỉ biến mỏng thành, mà không làm thay đổi đ-ờng kính trong của chi tiết

Trong quá trình miết, kim loại biến dạng cục bộ bởi vậy lực và công biến dạng th-ờng nhỏ hơn nhiều so với quá trình dập vuốt hay ép chảy

Hình 2.1 Sơ đồ miết

17

Hình 2.2 Sơ đồ tóp miệng bằng miết

Hình 2.3 Hình ảnh sau khi tóp miệng bằng miết

18

Hình 2.4 Sơ đồ miết kín đáy

Hình 2.5 Hình ảnh đáy sau khi miết

19

Ph-ơng án 3:

Một ph-ơng pháp khác có thể chế tạo thành công bình chứa khí công nghiệp đ-ợc thực hiện bằng việc sử dụng phôi ống không hàn và nguyên công chồn kín đầu tạo ra phần đáy bình Đầu còn lại của bình có thể đ-ợc tạo ra bằng nguyên công tóp miệng

Ph-ơng án 4:

Sử dụng phôi ống không hàn, một đầu đ-ợc miết kín để tạo ra phần đáy bình còn đầu kia cũng đ-ợc miết nh-ng chỉ để tóp miệng Sơ đồ nguyên công tóp miệng và làm kín đáy bằng miết đ-ợc trình bày trên hình 2.2 và hình 2.4

+ Chất l-ợng sản phẩm tốt vì sử dụng nguyên công ép chảy ng-ợc

+ Dễ dàng đa dạng hoá sản phẩm trên cùng một dây truyền thiết bị

Trong ph-ơng án này, nguyên công ép chảy ng-ợc là nguyên công quan trọng nhất quyết định sự thành công của ph-ơng án nên trong phần nghiên cứu luận văn này, tác giả chỉ đề cập đến tính toán mô phỏng số tối -u nguyên công ép chảy ng-ợc

20

2.3 Công nghệ ép chảy ng-ợc

2.3.1 Khái quát chung về ép chảy

ép chảy là quá trình gia công kim loại bằng áp lực trong đó vật liệu d-ới tác động của chày ép đ-ợc ép qua lỗ cối tạo ra bán thành phẩm dạng thanh đặc hoặc rỗng, có biên dạng từ đơn giản đến phức tạp Ngoài ra ép chảy cũng có thể tạo ra các sản phẩm d-ới dạng chi tiết Sản phẩm của quá trình ép chảy có độ chính xác cao về hình dáng cũng nh- kích th-ớc với hệ số sử dụng vật liệu cao, vì hầu nh- không có vật liệu bỏ sau khi gia công nh- các ph-ơng pháp gia công cơ, hơn nữa ép chảy còn cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các ph-ơng pháp khác không thể tạo ra đ-ợc

Hình2.8 Các dạng sản phẩm của ép chảy

ép chảy có thể thực hiện ở cả trạng thái nóng hay nguội Đối với vật liệu thép, để giảm lực biến dạng ng-ời ta th-ờng biến dạng ở trạng thái nóng

21

Vật thể sau khi nung nóng đến nhiệt độ thích hợp sẽ đ-ợc cho vào khuôn ép

để thực hiện quá trình Khuôn có sẵn lỗ hình hợp với hình dáng sản phẩm mong muốn

ép chảy đầu tiên khi mới ra đời chủ yếu dùng chế tạo các sản phẩm phi kim loại nh- nhựa hay cao su Ngày nay ph-ơng pháp ép chảy th-ờng đ-ợc sử dụng để tạo ra các sản phẩm bằng kim loại và hợp kim

2.3.2 Các ph-ơng pháp ép chảy

Tuỳ thuộc vào chiều chảy của vật liệu so với chiều chuyển động của dụng cụ gia công cũng nh- nhiệt độ gia công, ép chảy đ-ợc chia thành 4 ph-ơng pháp cơ bản sau đây

- ép chảy thuận :

Hình 2.9 Sơ đồ ép chảy thuận

Quá trình ép chảy thuận (hình 2.9) đ-ợc thực hiện t-ơng tự nh- quá trình ép một hỗn hợp nhão qua một một lỗ hình có dạng giống với sản phẩm Sản phẩm của quá trình ép chảy thuận th-ờng có dạng thanh, ống hay frofil

22

định hình có chiều dài vô hạn Trong qúa trình ép chảy thuận chiều tác dụng lực chùng với chiều chảy của vật liệu

- ép chảy ng-ợc:

Khác với ép chảy thuận, trong quá trình ép chảy ng-ợc, chiều chuyển

động của chày và chiều chảy của vật liệu ng-ợc chiều nhau (hình 2.10)

Hình 2.10 Sơ đồ ép chảy ng-ợc

Lực biến dạng trong quá trình ép chảy th-ờng rất lớn nên để dễ dàng tạo hình vật liệu ng-ời ta th-ờng tiến hành ép chảy ở trạng thái nóng

- ép chảy với hành trình ngắn:

Quá trình ép chảy này t-ơng tự nh- ép chảy ng-ợc (hình 2.11) cũng tạo

ra sản phẩm dạng cốc Tuy nhiên, ép chảy đ-ợc thực hiện trên những máy ép

ép chảy nóng là quá trình gia công trong đó vật thể bị biến dạng ở nhiệt

độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại -u điểm cơ bản của ép chảy nóng là giảm

đáng kể trở kháng biến dạng dẫn đến làm giảm lực gia công

Các thông số ảnh h-ởng đến quá trình ép chảy nh- sau:

- Nhiệt độ ép chảy

- Tốc độ biến dạng

- Ma sát giữa dụng cụ gia công và vật liệu biến dạng

2.3.3 ThiÕt bÞ Ðp ch¶y

H×nh 2.12 M¸y Ðp thuû lùc n»m ngang

đ-ợc thực hiện bằng gia công áp lực mà một trong những ph-ơng pháp phải kể

đến chính là ép chảy ng-ợc, sau đó dập vuốt biến mỏng thành Để có thể thiết

kế thành công công nghệ chế tạo bình chứa khí công nghiệp, trong ch-ơng này đã tập trung nghiên cứu tổng quan về các ph-ơng án công nghệ cũng nh- các thông số ảnh h-ởng đến quá trình nhằm tạo tiền đề cho việc mô phỏng số quá trình ép chảy ng-ợc sẽ đ-ợc thực hiện trong ch-ơng 4

26

Ch-ơng 3

ứng dụng phần mềm ANSYS trong việc phân tích các bài toán cơ học

3.1 Khái quát chung về phần mềm ANSYS

3.1.1 Khả năng ứng dụng

ANSYS là phần mềm công nghiệp, sử dụng ph-ơng pháp tính phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán cơ học Ph-ơng pháp phần tử hữu hạn là ph-ơng pháp rời rạc hoá và tính toán gần đúng nhằm giải các ph-ơng trình vi phân, đạo hàm riêng bằng cách đ-a các ph-ơng trình này từ dạng giải tích về dạng số ứng dụng ph-ơng pháp này cho phép giải chính xác các bài toán cơ học mà mô hình bài toán đ-ợc thể hiện d-ới dạng các ph-ơng trình toán học Kết quả này th-ờng rất gần với thực tế

ứng dụng phần mềm ANSYS có thể giải các bài toán đàn hồi hay dẻo trong phân tích kết cấu, bài toán nhiệt, bài toán dòng chảy chất lỏng nén đ-ợc

và chất lỏng không nén đ-ợc Phần mềm này cho phép tính toán có hiệu quả các phần tử kết cấu thanh, dầm, phần tử tấm, khối 2D và 3D hay giải các bài toán đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý t-ởng, dẻo nhớt, đàn nhớt Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình hình học với các điểm, đ-ờng, mặt hay mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử

Để giải một bài toán cơ học cụ thể, cần phải xây dựng mô hình hình học, sau đó gán các điều kiện biên cho mô hình hình học Điều kiện biên này phải t-ơng tự điều kiện làm việc thực tế của quá trình, nh- tác động của môi

27

tr-ờng, nhiệt độ, chuyển vị Kết quả tính toán đ-ợc đ-a ra d-ới dạng đồ hoạ, thể hiện tr-ờng ứng suất và biến dạng, cho phép quan sát và nhận biết đ-ợc tr-ờng phân bố của các giá trị vật lý nghiên cứu, căn cứ vào đó có thể rút ra

đ-ợc những ph-ơng án công nghệ tối -u

Giao diện của Ansys đơn giản, giúp ích rất nhiều cho ng-ời sử dụng,

đặc biệt phần mềm Ansys có rất nhiều tiện ích, giúp cho việc tính toán thiết

kế nhanh chóng và thực hiện đ-ợc các nội dung nghiên cứu Đồng thời, cho phép liên kết với một số ch-ơng trình phần mềm thiết kế khác nh- Autocad, Catia

3.1.2 Đơn vị đo

Đơn vị đo đ-ợc sử dụng trong ANSYS rất phong phú tuỳ thuộc vào mục đích yêu cầu nghiên cứu Các hệ đơn vị th-ờng đ-ợc dùng trong Ansys bao gồm:

+ Hệ SI (Systeme international d'Unites): m, kg, s, 0C

+ Hệ CGS: cm, g, s, 0C

3.1.3 Hệ toạ độ

Hai dạng hệ toạ độ chính th-ờng đ-ợc sử dụng trong ANSYS là hệ toạ

độ toàn cục và hệ toạ độ địa ph-ơng

28

+ Hệ toạ độ toàn cục là hệ toạ độ cố định dùng làm cơ sở tính toán và

chuyển đổi với hệ toạ độ cục bộ đ-ợc thể hiện trên (hình3.1)

Hình 3.1 Hệ toạ độ toàn cục

Các hệ toạ độ toàn cục đ-ợc ứng dụng trong các bài toán cơ học bao gồm:

• Hệ toạ độ đề các (thành phầm X, Y, Z)

• Hệ toạ độ trụ (thành phần R, θ, Z )

• Hệ toạ độ cầu (thành phần R, θ, φ)

+ Hệ toạ độ địa ph-ơng là hệ toạ độ đ-ợc đặt lên phần tử để tính toán bao

gồm hệ toạ độ đề các, hệ toạ độ trụ R, , Z , và hệ toạ độ cầu R, , 

Ngoài ra ANSYS còn sử dụng các hệ toạ độ sau:

+ Hệ toạ độ nút: dùng để xác định bậc tự do và h-ớng của nút

+ Hệ toạ độ phần tử: đặt trên phần tử dùng để xác định h-ớng tác dụng lực

cũng nh- phân tích kết quả tính toán

29

3.2 C¸c m« ®un chÝnh cña phÇn mÒm ANSYS

VÒ mÆt cÊu tróc, ANSYS chia thµnh 3 m« ®un lín sau:

Bµi to¸n tiÕp xóc

§iÒu kiÖn biªn

+ Chia l-ới phần tử hữu hạn

+ Xây dựng bài toán tiếp xúc

đồ hoạ trong ANSYS

-u điểm của ph-ơng pháp này là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán đ-ợc đ-a vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ

31

liệu Tuy nhiên đây là phần mềm tính toán chứ không phải là phần mềm chuyên dùng về đồ hoạ nên khi tạo những mô hình hình học phức tạp th-ờng khó khăn hơn rất nhiều so với khi tạo mô hình này trong các phần mềm đồ hoạ chuyên dùng

Ph-ơng pháp 2

Xây dựng mô hình hình học từ những phần mềm thiết kế đồ hoạ chuyên dùng nh- SolidWork, Cad, Pro/Engineer, CATIA, rồi xuất sang ANSYS

Ph-ơng pháp thứ 2 cho phép dựng đ-ợc những mô hình rất phức tạp, nh-ng trong quá trình chuyển đổi lại gây ra một số sai khác nhất định có thể

do khả năng t-ơng thích giữa các phần mềm đặc biệt rất khó điều khiển toạ độ cũng nh- t-ơng quan vị trí

3.3.2 Định kiểu phần tử và chia l-ới phần tử

Giống nh- tất cả các phần mềm mô phỏng số sử dụng ph-ơng pháp phần tử hữu hạn để phân tích bài toán, ANSYS cũng cung cấp một th- viện phần tử với nhiều loại phần tử khác nhau Mà mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt và đ-ợc áp dụng tuỳ thuộc vào từng bài toán cụ thể D-ới đây trình bày một số loại phần tử th-ờng áp dụng đối với bài toán có học:

• Phần tử thanh: LINK1, LINK8, LINK180…

• Phần tử dầm: BEAM3, BEAM54, BEAM23…

• Phần tử phẳng 2D: PLANE42, PLANE82, VISCO88…

• Phần tử khối 3D: SOLID95, SOLID185, SOLID186, SOLID45, SOLID64, SOLID92,…

32

• Phần tử tấm: SHELL93, SHELL181, SHELL150, SHELL43, SHELL63

• Phần tử cho bài toán phẳng: PLANE13, SOLID98, FLIUD29…

• Phần tử dùng cho bài toán t-ờng minh động: PLANE162, SHELL163, SOLID164…

• Một số dạng phần tử đặc biệt: COMBIN14, COMBIN40, MASS21, MATRIX 27…

Cách phân loại phần tử đơn giản nhất là theo hình dạng của phần tử Có

3 loại cơ bản là điểm, đ-ờng và khối Phần tử dạng điểm đ-ợc xác định bởi một nút ví dụ nh- phần tử khối l-ợng Phần tử dạng đ-ờng đ-ợc xác định bằng một đ-ờng thẳng hoặc một cung nối giữa hai nút Phần tử dạng miền có hai dạng là miền tứ giác và miền tam giác, cũng có thể là dạng khối 2D hoặc dạng tấm Phần tử dạng khối có thể là khối tứ diện hoặc khối hộp dùng để tính toán

đối với các mô hình khối 3D Ngoài ra ANSYS còn có khả năng cho phép ng-ời dùng định nghĩa phần tử riêng tuỳ tr-ờng hợp cụ thể

Để tính toán tr-ờng phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị hay nhiệt

độ bằng ph-ơng pháp phần tử phần tử hữu hạn cần thiết phải chia l-ới phần tử hữu hạn ANSYS có khả năng chia l-ới và điều khiển l-ới một cách dễ dàng sau khi xây dựng mô hình hình học Có hai cách th-ờng đ-ợc sử dụng để chia l-ới trong ANSYS đ-ợc trình bày trong (hình 3.3):

• Chia l-ới theo kiểu tự do (free meshs)

• Chia l-ới theo kiểu bản đồ (mapped meshs)

Mỗi kiểu chia l-ới có những -u điểm và nh-ợc điểm riêng sự khác nhau

rõ rệt nhất chính là về ph-ơng diện hình dạng phần tử trong mỗi kiểu l-ới Khi chia l-ới kiểu tự do, phần tử có thể có dạng tứ giác hoặc tam giác, xắp xếp

33

trên bề mặt, trong khi đó khi chia l-ới theo dạng bản đồ phần tử có hình dạng nhất định xếp thành hàng Tuỳ từng bài toán và đặc điểm hình học cụ thể có thể quyết định chia l-ới theo một trong 2 kiểu nêu trên Kiểu chia luới tự do th-ờng đ-ợc áp dụng trong bài toán tính toán kết cấu, kiểu chia l-ới bản đồ th-ờng đ-ợc áp dụng trong bài toán phân tích biến dạng lớn

Đối với mô hình chia l-ới kiểu tự do, không có yêu cầu gì đặc biệt về mặt hình học, mô hình hình học có thể bất kỳ, thậm chí bất quy tắc đều có thể chia l-ới đ-ợc Tuy nhiên hình dạng phần tử khi chia l-ới còn phụ thuộc vào mô hình cần chia là mô hình mặt hay khối Với mô hình mặt, phần tử có thể là phần tử tứ giác, phần tử tam giác hoặc kết hợp cả hai loại trên, với mô hình khối, phần tử th-ờng dùng là phần tử khối tứ diện

Hình 3.3 Chia l-ới theo kiểu tự do và kiểu bản đồ

34

-u điểm nổi bật của chia l-ới tự do ở chỗ có thể giảm bớt đ-ợc số l-ợng phần tử nh- vậy sẽ làm giảm thời gian tính toán cũng nh- tiết kiệm đ-ợc bộ nhớ ở vị trí cần đ-ợc tính toán phân tích chính xác ta sẽ chia l-ới mau hơn, còn ở vị trí khác có thể chia th-a hơn

Khi chia l-ới theo kiểu bản đồ, cần l-u ý rằng nếu chia l-ới mặt các phần tử có thể là tứ giác hoặc tam giác và bề mặt cần chia l-ới cần phải thoả mãn:

+ Bề mặt phải đ-ợc bao kín bởi ba hoặc bốn đ-ờng

+ Số phần tử chia trên mỗi đ-ờng hoàn toàn xác định

+ Nếu bề mặt đ-ợc bao bởi ba đ-ờng thẳng thì số phân tử chia trên mỗi đ-ờng phải bằng nhau

Nếu chia l-ới khối, những điều kiện sau đây cần phải thoả mãn:

+ Khối phải có dạng hộp (bao bởi 6 mặt), dạng nêm hoặc lăng trụ (bao bởi 5 mặt), hoặc dạng tứ diện ( bao bởi 4 mặt)

+ Mô hình khối phải có số phần tử chia xác định trên các cạnh

+ Số phần tử chia trên các mặt tam giác phải bằng nhau nếu khối cần chia có dạng hình nêm hoặc lăng trụ

Việc chia l-ới bản đồ luôn đòi hỏi số l-ợng nút trên các cạnh đối nhau của khối phải bằng nhau Điều đó có nghĩa là dù ở vị trí cần phân tích chính xác hay không ta cũng phải chia nh- nhau Nh- vậy việc giảm số l-ợng phần

tử cho mô hình là không thực hiện đ-ợc Tuy nhiên chia l-ới kiểu bản đồ sẽ nâng cao khả năng hội tụ cho việc tính toán phần tử hữu hạn

Ngoài khả năng chia l-ới tự động, ANSYS cũng cung cấp khả năng về

điều khiển l-ới Nhờ đó có thể quyết định đ-ợc kích th-ớc l-ới theo các lớp, thay đổi hình dạng phần tử, có thể chia l-ới theo khối, cũng nh- điều khiển

35

khả năng thích ứng của l-ới

Hình 3.4 minh hoạ khả năng chia l-ới theo khối Điều này đ-ợc ứng dụng nhiều trong các bài toán có cấu trúc hình học phức tạp, có thể chia thành nhiều cấp l-ới trong cùng một mô hình Phần bên phải của hình vẽ mô tả cấu trúc tại phần biên giới giữa hai kiểu l-ới

Hình 3.4 Chia l-ới theo khối trong ANSYS

ANSYS có khả năng điều khiển l-ới thích ứng Điều này cho phép tối -u kích th-ớc l-ới và tự động chia lại l-ới nếu trong quá trình giải xảy ra chập l-ới Ví dụ nh- trong bài toán biến dạng lớn th-ờng xảy ra chập l-ới do phần

tử bị biến dạng quá lớn và trở thành phần tử có hình dạng kỳ dị (có một cạnh lớn hơn rất nhiều so với cạnh còn lại)

Hình 3.5 Chia lại l-ới với phần tử tứ giác

36

Hình 3.6 Chia lại l-ới với phần tử tam giác

Theo ph-ơng pháp này các phần tử ban đầu sẽ đ-ợc chia thành các phần tử nhỏ hơn khi xảy ra chập l-ới và do đó có thể cải thiện độ chính xác của quá trình (hình 3.4, 3.5, 3.6)

Quá trình thích ứng l-ới trong ANSYS gồm nhiều cấp phân chia

Hình 3.7 Phân chia cấp 4 đối với phần tử tứ giác

Số cấp phân chia đối với bài toán thích ứng l-ới không phải là vô hạn

mà bị hạn chế bởi một số điều kiện sau đây:

• Số cấp bị hạn chế bởi số lần thích ứng lớn nhất cho phép của l-ới, th-ờng là 3 hoặc 4