Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tích hợp ansys

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tíchhợp ANSYS/ADAMS nhằm bổ sung những công cụ tiện lợi, khoa học để giải quyếtbài toán độ

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh.Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Thọ

Người phản biê ̣n 1: TS Nguyễn Vũ Anh Duy

Người phản biê ̣n 2: TS Đào Thanh Phong

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hô ̣i đồng chấm bảo vê ̣ Luâ ̣n văn tha ̣c s ̃ TrườngĐại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 09 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Châu Minh Quang Chủ tịch Hội đồng

2.TS Nguyễn Vũ Anh Duy Phản biện 1

3 TS Đào Thanh Phong Phản biện 2

4 TS Lê Tuấn Phương Nam Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Châu Minh Quang

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS Châu Minh Quang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hồ Thúc Nin MSHV: 16083641

Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1990 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành:Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 6052103

I TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tích

hợp ANSYS/ADAMS

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng tíchhợp ANSYS/ADAMS nhằm bổ sung những công cụ tiện lợi, khoa học để giải quyếtbài toán động lực học hệ nhiều vật, vốn dĩ là bài toán khó và đầy thử thách nếu xemxét sự tồn tại của khâu mềm (khâu có khả năng biến dạng đàn hồi), là tài liệu hướngdẫn kỹ thuật mô phỏng ảo trong thiết kế kỹ thuật tối ưu nhằm giảm chi phí sản xuất,rút ngắn thời gian chế tạo thử nghiệm Nội dung chính bao gồm:

-Giải bài toán động lực học vật mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng phươngpháp giải tích

-Đề xuất quy trình phân tích động lực học vật mềm dựa trên tích hợp ANSYS/ADAMS

-Kiểm tra, đánh giá và đề xuất hình dạng hợp lý của khâu mềm

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 04/QĐ-ĐHCN ngày 03/01/2018III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Hữu Thọ

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS.Nguyễn Hữu Thọ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

LỜI CẢM ƠN

Sau hai năm học tập tại trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, với

sự chỉ dẫn tận tình của Thầy, Cô giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè và sự nỗ lựccủa bản thân, em đã hoàn thành Luận văn thạc sĩ và đạt được những kết quả mongmuốn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Thọ, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp

đỡ em thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo phản biện đã đọc luận văn và đónggóp cho emnhững ý kiến quý báu và bổ ích

Em cảm ơn Thầy TS Châu Minh Quang, Trưởng Khoa Cơ khí và Thầy TS ĐặngHoàng Minh, phụ trách sau đại học đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận vănnày

Cảm ơn gia đình, ba mẹ, vợ đã động viên, tạo điều kiện để hoàn thành Luận văn.Xin chúc quý Thầy/Cô sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong cuộc sống

Học viên

Hồ Thúc Nin

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, đại đa số các chương trình mô phỏng động lực cơ cấu đều giả định rằngcác khâu đều là những vật rắn không biến dạng trong quá trình chuyển động nênviệc phân tích động học và động lực học kém chính xác

Với đề tài: “Phân tích và mô phỏng động lực học mềm của cơ cấu tay quay contrượt bằng tích hợp ANSYS/ADAMS” Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn của phần mềm ANSYS và khả năng mô phỏng động lực học củaADAMS, Cho phép chúng ta có công cụ giải bài toán động học và động lực học cơcấu có tính đến biến dạng của khâu một cách hiệu quả Phương pháp này sẽ làm rútngắn thời gian thử nghiệm và chi phí chế tạo nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy Khung thích hợp giữa ANSYS/ADAMS đã được đề xuất một cách chi tiết, rõ ràng nhằmgiúp người kỹ sư dễ dàng ứng dụng trong tính toán, mô phỏng cơ khí Hơn nữa,việc giải bài toán động học và động lực học sử dụng khâu mềm cho kết quả chínhxác và thực tế hơn

Currently, the most of dynamics simulation tools for the mechanical mechanisms assume that the links are non-deformable or rigid solids in the process of motion, so the analysis of the kinematics and dynamics analysis become inappropriate

With the thesis entitled "Analysis and simulation of the flexible dynamics of crank mechanism based on the ANSYS/ADAMS interface” By using the ANSYS-based finite element analysis method and ADAMS dynamic simulation capabilities,

slider-It allows us to have a tool for solving dynamic problems and structural dynamics, taking into account the linkage deformation effects This method will shorten thetesting time and manufacturing cost, but still ensure reliability The integrated framework of ANSYS/ADAMS was proposed clearly in the detail in order that the engineer can apply for calculating and simulating the mechanical problems Moreover, the consideration of flexible mechanism for solving the kinematics and dynamics is more accurate and practical than the rigid body of links

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Hồ Thúc Nin, học viên lớp CHCK6B, Trường Đại học Công nghiệp Thànhphố Hồ Chí Minh Sau hai năm học tập, được sự giúp đỡ của Thầy/Cô, đặc biệt là

sự hướng dẫn của Thầy TS.Nguyễn Hữu Thọ, tôi đã hoàn thành luận văn này.Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiêncứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Hồ Thúc Nin

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 4

1.1 Giới thiệu tổng quan 4

1.1.1Cơ cấu cứng 4

1.1.2Cơ cấu mềm 4

1.2 Các nghiên cứu đã có 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Động học cơ cấu tay quay con trượt (khâu cứng tuyệt đối) 11

2.2 Phương pháp giải tích (động lực học khâu mềm) 13

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 18

2.4 Khả năng tích hợp ANSYS/ADAMS 23

2.4.1Giới thiệu phần mềm ANSYS: 23

2.4.2Giới thiệu phần mềm ADAMS 24

2.4.3Quy trình giải quyết bài toán động lực học khâu mềm: 26

2.4.4Quy trình xuất file MNF từ môi trường ANSYS sang MSC.ADAMS:26 2.4.5Xây dựng mô hình 27

2.4.5.4 Các phần tử dùng cho sự tương tác giữa ANSYS/ADAMS: 31

2.4.5.5 Nhập file MNF vào ADAMS 32

2.4.5.6 Chuyển tải, tính toán ứng suất và biến dạng trong ANSYS: 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34

3.1 Tương tác ANSYS và ADAMS mô phỏng cơ cấu tay quay con trượt 34

3.1.1Dữ liệu ban đầu 34

3.1.2Kết quả phân tích trong ADAMS của khâu cứng tuyệt dối .36

3.1.3Kết quả phân tích trong ADAMS khâu mềm và khâu cứng như sau 39

3.1.4Phân tích lực cơ cấu mềm trong ADAMS 42

3.1.5 Kết quả chuyển tải từ ADAMS chuyển vào trong ANSYS tính toán biến dạng và ứng suất 45

3.1.5.1 Biến dạng 45

3.1.5.2 Ứng suất 47

3.2 Kết quả mô phỏng trong ANSYS/Workbench/Shape Optimization 49

3.2.1Dữ liệu ban đầu: 49

3.2.2Kết quả 50

3.2.3Nhận xét: 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

1 Những đóng góp, của luận văn 52

2 Giới hạn mà luận văn chưa giải quyết được 52

3 Đề xuất và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo từ kết quả của luận văn 53

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 58

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các quy trình mô phỏng hệ thống nhiều vật 6

Hình 1.2 Quá trình phát triển khâu mềm trong MWorks 8

Hình 2.1 Cơ cấu tay quay con trượt (Khâu cứng tuyệt đối) 11

Hình 2.2 Cơ cấu tay quay con trượt (Có xét khâu mềm) 13

Hình 2.3 Biểu diễn hình học của phần tử tự do nhỏ của thanh truyền Áp dụng lý thuyết chuyển động của khối tâm .14

Hình 2.4 Cấu trúc con (substructure) và điểm tương tác 19

Hình 2.5 Các nút tương tác và nút bên trong thanh kết nối và các nút tương tác được kết hợp với các nút bên trong 20

Hình 2.6 Mô hình cấu trúc con của phần tử hữu hạn 23

Hình 2.7 Các môđun trong ANSYS 23

Hình 2.8 Các mô đun của MSC ADAMS 25

Hình 2.9 Quy trình giải bài toán 26

Hình 2.10 Quy trình xuất file của ANSYS và ADAMS 27

Hình 2.11 Mô hình trong PTC Creo 27

Hình 2.12 Mô hình điểm tương tác 28

Hình 2.13 Xuất File MNF 29

Hình 2.14 cấu trúc Phần tử Beam 188 31

Hình 2.15 cấu trúc phần tử Solid 185 32

Hình 3.1 Kích thước cơ cấu tay quay con trượt được mô phỏng 34

Hình 3.2 Mô hình hóa khâu phức hợp trong ANSYS 35

Hình 3.3 Nhập File MNF vào ADAMS với ADAMS/Flex 35

Hình 3.4 Mô hình cơ cấu tay quay con trượt trong ADAMS 36

Hình 3.5 Đồ thị vận tốc góc của piston 37

Hình 3.6 Đồ thị gia tốc góc của piston 37

Hình 3.7 Đồ thị vận tốc góc của thanh truyền 37

Hình 3.11 Mô phỏng trong ADAMS với thanh truyền cho là khâu mềm 40

Hình 3.12 Đồ thị Vận tốc khối tâm của khâu cứng so với khâu mềm 40

Hình 3.13 Đồ thị Gia tốc khối tâm của khâu cứng so với khâu mềm 41

Hình 3.14 Mô hình phân tích lực cơ cấu mềm trong ADAMS 42

Hình 3.15 Đồ thị mô phỏng lực cơ cấu mềm trong ADAMS 43

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa mômen đặt vào tay quay và thời gian 43

Hình 3.17 Lực tác dụng lên piston khi không gán lực nén 44

Hình 3.18 Giá trị lực tác dụng lên đầu piston với lực nén được gán 1000N 44

Hình 3.19 Biến dạng dẻo đàn hồi Load step 10 45

Hình 3.20 Ứng suất Load step 1 47

Hình 3.21 Ứng suất Load step 10 47

Hình 3.22 Bảng vẽ quy cách kích thước thanh truyền 49

Hình 3.23 Gán lực và ràn buộc 50

Hình 3.24 Sau khi phân tích ANSYS trong môi trường Shape Optimization 50

Hình 3.25 Kết quả phân tích ANSYS/Shape Optimization phần hình dạng cần bỏ.50 Hình 3.26 Kết quả phân tích ANSYS/Shape Optimization phần hình dạng tối ưu 51

Hình 3.27 Thiết kế lại mô hình 51

Hình 3.28 Khối lượng sau bỏ biên dạng 51

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ thống đơn vị 30

Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu của các khâu trong cơ cấu tay quay con trượt 39

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng biến dạng dẻo đàn hồi max qua 36 Step 46

Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng ứng suất max qua 36 Step 48

Bảng 3.4 Quy cách thanh truyền cần mô phỏng 49

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADAMS Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System

ANSYS Analysis Systems

APDL Ansys Parameter Design Language

CAD Computer Aided Design

CAE Computer Aided Engineering

DMX Maximum deformation

DOF Degree of Freedom

EPELQV Equivalent elastic strains

FEA Finite Element Analysis

MNF Modal neutral file

PTHH Phần tử hữu hạn

SEQV Surface equivalent stress

SMN Minimum stress (strain)

SMX Maximum stress (strain)

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

ANYS là một chương trình phân tích phần tử hữu hạn rất mạnh, được sử dụng choviệc giải các bài toán cơ học vật rắn biến dạng như xác định ứng suất, chuyển vị,biến dạng của thanh khi chịu tải, quá trình tạo hình kim loại khi dập, rèn…ADAMS

là phần mềm chuyên dụng dùng trong mô phỏng động học, động lực học hệ nhiềuvật, hiện nay có thể nói đây là phần mềm mạnh nhất về lĩnh vực này trên thế giới vìkhả năng ứng dụng rộng rãi của nó trong nhiều lĩnh vực như: động lực học ô tô,động lực học bay, dao động phi tuyến… Tuy nhiên, điều đáng lưu ý nhất hiện nay,đại đa số các chương trình mô phỏng động lực cơ cấu đều giả định rằng các khâuđều là những vật rắn không biến dạng trong quá trình chuyển động nên việc phântích động học và động lực học kém chính xác Trong ADAMS/Flex, việc phân tích

hệ nhiều vật biến dạng còn chưa mạnh vì khả năng phân tích phần tử hữu hạn khôngchuyên dụng Với sự tương tác giữa ưu điểm của hai phần mềm ANSYS vàADAMS cho phép việc giải bài toán động học và động lực học cơ cấu có tính đếnbiến dạng của khâu trở nên thực tế Chính vì vậy, đây là mục tiêu chính yếu của tên

đề tài luận văn

2. Mục tiêu nghiên cứu

Giải bài toán động lực học vật mềm của cơ cấu tay quay con trượt bằng phươngpháp giải tích

Đề xuất quy trình phân tích động lực học vật mềm dựa trên tích hợp ANSYS/ADAMS

Kiểm tra, đánh giá và đề xuất hình dạng hợp lý của khâu mềm

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài không đi sâu nghiên cứu, xây dựng cơ sở lý thuyết mới, chỉ ứng dụng các kếtquả của lý thuyết động lực học, sức bền vật liệu và phần tử hữu hạn để phân tíchđộng lực học của cơ cấu tay quay con trượt có tính đến biên dạng đàn hồi của khâu.Giải quyết bài toán động lực học cơ cấu khâu mềm, không xem xét bài toán ứngsuất, biến dạng của từng khâu chịu tải trọng trong môi trường ANSYS

Các kết quả nghiên cứu được triển khai trên các cơ cấu tay quay con trượt, chỉ xemxét về mặt lý thuyết mô phỏng, chưa được so sánh với kết quả thực nghiệm

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Phân tích lý thuyết

Phân tích phương pháp luận từ các công trình khoa học liên quan được công bốtrong thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, bài báo các kỷ yếu hội nghị khoahọc trong nước và quốc tế, trên các luận văn thạc sĩ và các tài liệu chuyên khảo liênquan Chọn lựa và phát triển các công cụ hiện đại phù hợp với vấn đề cần giải quyết

để xây dựng cơ sở lý thuyết và đề xuất phương pháp thực hiện đề tài

4.2 Phương pháp mô phỏng

Phân tích số liệu từ kết quả mô phỏng để đưa ra kết quả, thông số chúng ta quan tâmnhằm rút ngắn thời gian thử nghiệm, chế tạo mà có độ tin cậy khả quan

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Luận văn là tài liệu nghiên cứu, hướng dẫn ứng dụng công nghệ thông tin trong lĩnhvực cơ khí, cơ điện tử Đây là một cái nhìn mới về phương pháp phân tích, môphỏng tiên tiến, nhằm bổ sung những công cụ tiện lợi, khoa học để giải quyết bàitoán động lực học hệ nhiều vật, vốn dĩ là bài toán khó và đầy thử thách nếu xem xét

sự tồn tại của khâu mềm (khâu có khả năng biến dạng đàn hồi trong quá trình môphỏng)

Công cụ tương tác ANSYS/ADAMS đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiết kếtối ưu hệ thống cơ khí, cơ điện tử và đề ra các giải pháp để điều khiển các đáp ứngđộng học, động lực học một các chính xác và hiệu quả.

Ngoài ra, luận văn còn là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật mô phỏng ảo trong thiết kế kỹthuật tối ưu nhằm giảm chi phí sản xuất, rút ngắn thời gian chế tạo thử nghiệm

1.1 Giới thiệu tổng quan

Nghiêncứu động học và động lực học cơ cấu là một trong những nội dung cơ bảncủa cơ học máy, là cơ sở ban đầu cho việc tính toán thiết kế chi tiết máy, giúp tanhận biết được quy luật chuyển động và các thành phần (lực, moment) cần thiết đểgây ra chuyển động cho các hệ thống kỹ thuật Trong những năm trước, việc nghiêncứu tính toán động học và động lực học vô cùng khó khăn, tốn rất nhiều thời gian

do sự phức tạp của toán học, giới hạn tính toán của con người Ngày nay, sự ra đờicủa máy tính đánh dấu một bước ngoặc phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực côngnghệ thông tin, việc tính toán phức tạp hoàn toàn có thể được giải quyết Nhiềucông cụ toán học đã ra đời và sự phát triển của các hệ thống CAD/CAE thúc đẩyquá trình tự động hóa tính toán và kiểm tra một cách nhanh chóng, mang lại hiệu quả cao Trong kỹ thuật, công cụ CAD/CAE như ANSYS và ADAMS vẫn thườngđược sử dụng cho việc tính toán ứng suất, biến dạng, mô phỏng động học, động lựchọc hệ nhiều vật, và đó cũng là mục đích chính của luận văn, nhằm sử dụng tốt sựtương tác của ANSYS/ADAMS để giải quyết bài toán động học và động lực học cơcấu, đồng thời kiểm chứng kết quả so với phương pháp toán học giải tích

1.1.1 Cơ cấu cứng

Trong vật lý, khâu cứng được xem là lý tưởng của vật thể khối rắn (Solid) khôngbiến dạng Mặt khác, khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ đã cho trên khâu cứng tuyệtđối giữ nguyên không đổi theo khoảng thời gian dưới tác động của tải trọng

1.1.2 Cơ cấu mềm

Khâu có khả năng biến dạng đàn hồi trong quá trình mô phỏng Mỗi khâu được đặctrưng bởi ma trận độ cứng và khối lượng Trong đó các đặc tính vật liệu của khâuđóng vai trò quan trọng khi phân tích động lực học cơ cấu

1.2 Các nghiên cứu đã có:

Baumjohann và các cộng sự [1] đã áp dụng phương pháp mô phỏng 3 chiều để tìmhiểu ứng xử động lực học của hệ thống phát điện sử dụng cánh tuabin Trong đó, họxem xét hệ thống phát điện như là hệ nhiều vật có nhiều khâu mềm, khâu có khảnăng biến dạng đàn hồi, như rotor và thân tháp Phương pháp giải tích mang lại đầythử thách trong tìm kiếm lời giải cho bài toán Nhóm tác giả đã thực thi mô hình môphỏng 3D dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Các phần tử tạo chuyển động,lực, phản lực và momen được đặt tại các điểm nút Hiệu quả quán tính của các phần

tử cấu trúc như rotor, bộ phận dẫn động, hộp số và bộ phận phát điện cũng đượcthực thi để tính toán tốc độ, sự tương tác của dòng không khí và dao động của cánhtuabin vàphần thân tháp

Nhóm nghiên cứu Eberhard [2] nêu ra vấn đề quan trọng của hệ thống nhiều vậtmềm là giảm số bậc tự do của vật mềm có khả năng biến dạng Dữ liệu phần tử hữuhạn và các thông số đầu vào của người sử dụng là cần thiết Họ đã phát triểnchương trình cho hệ thống nhiều vật đàn hồi, có tên là MOREMBS, có khả năngtương tác dễ dàng với dữ liệu đạt được từ phần mềm ANSYS hoặc ABAQUS (tênmới hiện nay là SIMULIA) Các kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong môphỏng quá trình phun dầu Tác giả đã tập trung vào tương tác giữa bộ phân van vàphần ứng điện, xem xét các khâu chịu nén như là khâu mềm Lực tiếp xúc được gáncho mô hình tác động để kiểm tra ảnh hưởng của mô hình giảm bậc tự do trong tínhtoán lực tác động của hệ nhiều vật mềm Nhóm nghiên cứu Nowakowski [3] (hình 1.1) cũng theo hướng này để mô hình hóa trục khuỷu như là hệ nhiều vật có khảnăng đàn hồi Họ phân tích và tối ưu hệ thống các thành phần động cơ đốt trong vàchỉ ra rằng biến dạng của trục khuỷu có ảnh hướng rất lớn trong quá trình vận hành.Điều này được bỏ qua trong mô phỏng động lực vật cứng tuyệt đối

Moghadasi [4] đã tối ưu hóa hình dạng của miền chịu tải ổ lăn trong hệ nhiều vật

Hình 1.1Các quy trình mô phỏng hệ thống nhiều vậtTrong đó, biến dạng tuyến tính của các khâu đàn hồi trong hệ nhiều vật được mô tảcho các khung cấu trúc liên quan Các chuyển động của khâu được xem là lớn, được

mô tả bởi chuyển động phi tuyến của cấu trúc Tác giả cũng khẳng định rằng việctích hợp của các khâu mềm của hệ nhiều vật là cần thiết và quan trọng để mô hìnhhóa các khâu, khớp liên quan Mô hình hóa chính xác các khớp không những quantrọng để biết thiết kế tối ưu của diện tích khớp mà còn tăng cường độ chính xác cấutrúc tối ưu Trong nghiên cứu của Moghadasi, sự so sánh khác biệt hình dáng tối ưugiữa ảnh hưởng của khâu cứng tuyệt đối và khâu mềm đối với miền chịu tải của ổlăn

Zhu và cộng sự [5] đã trình bày phương pháp phân tích động lực học của robot songsong với khâu mềm Họ lấy một loại robot song song dạng 3-TPT làm ví dụ cho môhình hệ nhiều vật mềm của máy công cụ Mô phỏng động lực học sử dụng ADAMS

và ANSYS để đề xuất các giải pháp về đặc tính động lực Kết quả so sánh giữa vậtcứng tuyệt đối và vật mềm cũng được rút ra để thấy được việc xem xét khâu mềmmang lại ứng xử của robot song song thực tế hơn, chính xác và hiệu quả

Wasfy và Noor [6] đã thực hiện một khảo sát các chiến lược tính toán và nhữngphát triển gần đây cho hệ nhiều vật mềm trên 877 công trình nghiên cứu Các thảoluận về khái niệm của động lực học hệ nhiều vật mềm bao gồm: mô hình hóa khâumềm, mô hình hóa ràng buộc, phương pháp giải quyết, chiến lược điều khiển, vấn

đề khớp, thiết kế và nghiên cứu thực nghiệm Họ cũng đưa ra nhiều ứng dụng mớitrong lĩnh vực phân tích hệ thống cơ khí micro và nano; các chiến lược tăng cườnghiệu quả tính toán; các công cụ để cải tiến quá trình thiết kế hệ nhiều vật mềm.Hać và Łazęcki [7] đã phân tích động lực học của cơ cấu tay quay con trượt Hai môhình được xem xét: mô hình thanh được xây dựng dựa trên phần tử hữu hạn 2 chiềukiểu dầm và mô hình khối (solid) Trong mô hình solid, họ sử dụng môi trường tíchhợp ANSYS/ADAMS để nghiên cứu ứng xử động lực học của cơ cấu về đáp ứnglực, moment và dao động

Gang và cộng sự [8] đã mô hình hóa và mô phỏng hệ nhiều vật (cứng và mềm liênkết bằng các khớp) trong môi trường Mworks (Hình 1.2) để thiết kế sản phẩm cơđiện tử hiện đại Đầu tiên, họ xây dựng các phần tử khâu mềm dựa trên tổng hợpcác mode của khâu và phương pháp Craig-Bampton Các khâu mềm được phát triểndựa trên thư viện hệ nhiều vật chuẩn trong Modelica, mô tả ứng xử biến dạng tuyếntính, nhỏ của khâu mềm, vốn dĩ xem xét trong chuyển động toàn cục phi tuyến cóbiến dạng lớn Trong mô hình của Gang, file dữ liệu MNF (modal neutral file) đượcgiới thiệu trung gian để mô tả các mode ràng buộc cho phân tích động lực học hiệuquả trong hệ thống kỹ thuật nhiều vật mềm

Häußler và các cộng sự [9] trình bày phương pháp tối hưu hóa hình dạng tự độngcủa khâu mềm trong hệ thống nhiều vật phần tử hữu hạn lai (hybrid) sử dụngADAMS/Flex và MSC Construct Trong quá khứ, phân tích phần tử hữu hạn và môphỏng hệ nhiều vật là hai định hướng cách ly nhau (rời rạc), không liên quan nhautrong lĩnh vực mô phỏng hệ thống cơ khí Trong khi phân tích động lực học tập

hồi, biến dạng dẻo của các thành phần (khâu) mềm Trong những năm gần đây,ADAMS/Fex được trang bị khả năng này kết hợp ưu điểm của các phân tích phần tửhữu hạn và mô phỏng hệ nhiều vật

Hình 1.2 Quá trình phát triển khâu mềm trong MWorksDựa vào đó, nhóm nghiên cứu của Häußler [9] đã mô tả tối ưu hình dạng của cáckhâu mềm chịu tải trọng động bằng phương pháp phần tử hữu hạn, tích hợp trong

hệ thống nhiều vật bằng các liên kết khớp qua ADAMS Điều này mang lại một lợi

ích lớn, tạo ra cơ hội mới trong thiết kế tối ưu kết cấu hệ thống cơ khí, cơ điện tửcho người kỹ sư.

Dựa trên cơ sở khoa học từ các công trình nghiên cứu trên, khung tích hợp giữaANSYS/ADAMS được xây dựng để giải bài toán động lực học của cơ cấu tay quay con trượt Trong đó, thanh truyền được xem xét như là một khâu mềm, khâu có khảnăng biến dạng đàn hồi trong quá trình mô phỏng động lực học

Lý do chọn thanh truyền mô phỏng:

Cơ cấu trung gian truyền công suất từ piston tới trục khuỷu chị kéo nén nhiềunhất, chịu ngoại lực nội lực, biến đổi chuyển động tịnh tuyết thành chuyển độngquay, khối lượng lực từ động cơ nổ

Sự dịch chuyển của piston đặc trưng phụ thuộc vào thanh truyền

Hình dáng hình học của thanh truyền khá phức tạp

Kết cấu hệ thống cơ cấu cơ khí ngày càng đòi hỏi khả năng vận hành ở tốc độ và độtin cậy cao, hiệu suất lớn, trọng lượng nhẹ và máy móc có độ chính xác cao, và hìnhdạng chi tiết phức tạp Để tìm ra giải pháp phù hợp trong thiết kế kết cấu nêu trên,

hệ thống cơ cấu cứng, nơi mà các khâu được xem như cứng tuyệt đối, không cònphù hợp nữa Do vậy, vấn đề xem xét các khâu mềm có khả năng biến dạng đàn hồiđược đánh giá hiệu quả và có tính thực tế cao Mô hình, phân tích và nghiên cứu các

cơ cấu khâu mềm đã được tiến hành từ đầu những năm 70, chủ yếu tập trung vàoviệc xác định các mô hình toán học chính xác cho cả hệ thống cơ cấu

Cơ cấu cứng (các khâu được xem là cứng tuyệt đối): Các thành phần của cơ cấudạng này có thể mô tả là các vật cứng tuyệt đối liên kết với nhau bằng các khớpđộng học như khớp cầu, khớp trụ, khớp nối trục, v.v… Thông thường, những tọa

độ này về bản chất liên kết với các thiết bị truyền động để thiết kế điều khiển Hệtọa độ Cartesian đã được đề xuất cho phân tích và mô phỏng hệ thống kết cấu cơkhí phức tạp Hai phương pháp có thể được sử dụng để có được các phương trìnhchuyển động: Công thức Newton-Euler và công thức Lagrangian Các phương trìnhNewton-Euler bắt nguồn từ việc áp dụng quy luật chuyển động cho mỗi khâu cứng,bao gồm phản lực và momen xoắn Theo nguyên lý d'Alembert, các phản lực có thểđược loại bỏ bằng cách chiếu lên các không gian phương chuyển động, dẫn đến mộttập hợp các phương trình độc lập nhỏ gọn Đối với cơ cấu song song, các phươngpháp đệ quy vẫn có thể được khai thác bằng cách sử dụng phương pháp cắt khớp đểphá vỡ các vòng lặp, và thêm các ràng buộc động học giữa các khâu Trong côngthức Lagrangian, động lực hệ thống được mô tả trong các điều kiện về công và nănglượng sử dụng các tọa độ suy rộng, ví dụ: tương đối hoặc tọa độ Cartesian Nếu tọa

độ suy rộng là độc lập, phản lực và mô men xoắn được tự động loại bỏ, dẫn đếnphương trình chuyển động nhỏ gọn Mô tả động học của một cơ cấu mềm có biếndạng đòi hỏi một tập hợp vô hạn của bậc tự do (Degree of Freedom - DOF) Để phát