THỰC tập PHẦN tử hữu hạn hướng dẫn sử dụng CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS,Multiphysics

Chú ý: ấn vào OK để kết thúc việc nhập keypoints, còn nếu chọn Apply rồi tiếp theo là OK nghĩa là bạn đã nhập 2 lần điểm đó *Nếu có sai sót, tìm lệnh Delete ở trong mục tương ứng để xóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Bộ môn Cơ học vật liệu và Kết cấu

BÀI I: HỆ THANH PHẲNG

Phần I: Thực hành Ansys

I Yêu cầu tính toán:

Xác định các chuyển vị nút, phản lực liên kết và ứng suất trong các thanh của cầu trong Hình 1, cho

E = 200GPa, =0.3, A = 3250mm2

Hình 1 Cầu 3 nhịp

II Trình tự tiến hành:

1) Bước 1 Đặt tên cho bài toán (ví dụ 'Bridge Truss Tutorial')

*Trong menu Utility chọn File > Change Title:

*Gõ tên bài toán và chọn 'OK'

2) Bước 2 Nhập các điểm (Keypoints)

Cây cầu được xác định bởi 7 điểm với các tọa độ sau:

*Gõ 1 vào mục Keypoint number, tiếp theo nhập 0 và 0 vào các tọa độ x,y Chọn Apply

*Nhập các keypoints còn lại bằng cách tương tự Chú ý: ấn vào OK để kết thúc việc nhập keypoints, còn nếu chọn Apply rồi tiếp theo là OK nghĩa là bạn đã nhập 2 lần điểm đó

*Nếu có sai sót, tìm lệnh Delete ở trong mục tương ứng để xóa đi và vẽ lại

3) Bước 3 Tạo các đường thẳng

*Chọn: Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord

*Dùng chuột ấn vào keypoint 1, sau đó ấn tiếp vào keypoint 2, đường thẳng nối hai điểm xuất hiện

*Vẽ các đường còn lại bằng cách tương tự Ấn OK để đóng cửa sổ lại

*Nếu khi đang vẽ các thanh biến mất thì chọn từ Utility menu chọn Plot > Lines

4) Bước 4 Chọn kiểu phần tử

*Chọn Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

*Ấn chuột vào nút 'Add ' Cửa sổ sau xuất hiện:

*Đối với bài toán này, ta chọn phần tử thanh 2D: chọn Link rồi 2D spar trong cửa sổ hiện ra rồi OK

5) Bước 5 Xác định các thông số hình học

Đối với phần tử thanh, ta cần nhập diện tích của mặt cắt ngang

*Chọn Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete

*Chọn Add rồi 'Type 1 LINK1' Chọn 'OK' Cửa sổ sau xuất hiện:

*Gõ 3250 vào mục Cross-sectional area rồi OK Chọn Close

6) Bước 6 Vào các thông số vật liệu

*Chọn Preprocessor>Material Props > Material Models

*Ấn chuột vào Structural > Linear > Elastic > Isotropic

*Nhập mô đun đàn hồi của thép bằng cách gõ 200000 vào mục EX Nhập hệ số Poisson bằng cách gõ

0.3 vào mục PRXY *Đóng cửa sổ "Define Material Model Behavior" bằng cách ấn vào nút ‘X' ở

góc trên bên phải của cửa sổ

7) Bước 7 Chia lưới Gồm 2 giai đoạn

+ Giai đoạn 1: Đặt kích thước lưới cần chia

Trong mục này cần chỉ ra cách chia lưới theo số phần tử hay theo kích thước phần tử Việc thực hiện chia lưới sẽ được tiến hành ở giai đoạn sau

*Chọn Preprocessor >Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines

*Gõ số phần tử cần chia trong một thanh vào mục NDIV (ở đây là 1) rồi OK Ta cũng có thể chọn

kiểu chia theo chiều dài phần tử bằng cách gõ chiều dài phần tử cần chia vào mục SIZE

+ Giai đoạn 2 : Thực hiện chia lưới

Sau khi đã xác định cách chia lưới từ Giai đoạn 1, ở đây ta tiến hành việc chia lưới để giải bài toán

theo phương pháp PTHH

*Chọn Preprocessor>Meshing > Mesh > Lines và ấn vào Pick All trong cửa sổ Mesh Lines

Kiểm tra kết quả:

Để kiểm tra kết quả, ta có thể hiện ra số hiệu của các đường, số thứ tự của các nút và các điểm như sau :

*Từ Utility Menu chọn PlotCtrls > Numbering

Thực hiện các lựa chọn trong cửa sổ hiện ra rồi ấn OK Bạn cũng có thể chọn để tắt đi các số hiệu

đường, điểm và nút

8) Bước 8 Lưu lại công việc vừa hoàn thành

*Từ Utility Menu chọn File > Save as gõ vào tên và chọn đường dẫn để lưu file

Việc lưu file rất có ích, nhất là đối với các kết cấu phức tạp vì nếu sau này có thao tác sai ta chỉ việc

mở lại file đã lưu

9) Bước 9 Giải bài toán (gồm đặt các điều kiện biên, lực và giải)

Bạn đã mô phỏng được bài toán, bước tiếp theo sẽ là đặt các điều kiện biên, lực và giải bài toán để tìm các ứng suất và chuyển vị Đầu tiên, bạn phải chỉ cho ANSYS phương pháp nào bạn dùng để giải bài toán

a) Chọn Solution > Analysis Type > New Analysis

Ấn chuột vào mục Static rồi OK, ở đây ta giải bài toán tĩnh

b) Đặt các điều kiện biên:

* Chọn Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoints

*Chọn điểm ở cực trái của cầu (Keypoint 1) rồi ấn OK trong cửa sổ Apply U,ROT on KPs

*Cầu bị ngàm ở đầu trái nên tất cả bậc tự do ‘DOF’ đều bằng 0 Do đó, chọn All DOF, gõ 0 vào mục

VALUE rồi OK

*Tương tự, ta áp dụng điều kiện biên UY=0 cho đầu phải của cầu Lưu ý là trong cửa sổ Apply

U,ROT on KPs có thể áp dụng một hay nhiều điều kiện biên.Vì vậy, cần bỏ chọn All DOF rồi mới

chọn UY

c Đặt các lực tác dụng:

Theo đầu bài, có 4 lực 280kN, 210kN, 280kN, và 360kN tại các điểm tương ứng 1, 3, 5, và 7

* Chọn Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > on Keypoints

* Chọn Keypoint thứ nhất rồi OK trong cửa sổ Apply F/M on KPs

* Chọn FY trong mục Direction of force/mom

* Nhập giá trị -280000 trong mục Force/moment value rồi OK

* Tương tự, nhập giá trị cho các lực khác

d) Giải bài toán:

* Chọn Solution > Solve > Current LS Ấn OK trong cửa sổ hiện ra Khi tính toán xong, thông báo

Solution done hiện ra, ấn Close để đóng cửa sổ này

10) Bước 10 Hiển thị và xử lý kết quả

a Các phản lực liên kết

* Chọn General Postproc > List Results > Reaction Solu

* Tiếp theo, chọn All struc forc F rồi OK

b Biến dạng:

* Chọn General Postproc > Plot Results > Deformed Shape

* Ấn vào Def + undef edge rồi OK để quan sát kết cấu cả trước và sau biến dạng

c Chuyển vị:

* Chọn General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solution

* Ấn vào DOF solution và USUM rồi OK

* Để thay đổi đơn vị của thanh đo màu bên dưới, ta làm như sau: Utility Menu rồi Plot Controls >

Style > Contours > Uniform Contours

* Điền các thông tin như hình vẽ rồi OK

* Có thể xem giá trị các chuyển vị dưới dạng text, để thực hiện điều này, chọn General Postproc >

List Results > Nodal Solution, chọn DOF Solution và ALL DOFs ở cửa sổ List Nodal Solution

Theo Table 1.2 trong file trợ giúp, SAXL chính là ứng suất kéo/nén, có thể lấy ra qua mục ETABLE

và sử dụng tham số LS,1 Cách làm như sau:

*Chọn General Postprocessor>Element Table > Define Table

* Ấn chuột vào Add

* Gõ SAXLvào mục Lab Ta đang tạo Element Table cho biến SAXL Sau đó chọn By sequence

number trong mục Item,Comp rồi ấn vào LS, Cuối cùng, gõ số 1 vào đằng sau chữ LS

* Ấn OK và đóng cửa sổ Element Table Data

* Chọn Element Table > Plot Elem Table để hiện ra các ứng suất

* Trong cửa sổ hiện ra, chọn SAXL rồi OK

* Vì trong phần chuyển vị, ta đã thay thang đo thànhUser Specified nên lúc này cần trở lại Auto

calculated để lấy ra các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của ứng suất VMIN/VMAX

Utility Menu > PlotCtrls > Style > Contours > Uniform Contours

* Để hiện bảng các giá trị ứng suất, trong menu Element Table chọn List Elem Table

* Trong cửa sổ List Element Table Data, chọn SAXL

* Ấn OK

e Mô phỏng biến dạng của cả hệ:

Để kiểm tra kết quả tính toán, ta có thể mô phỏng quá trình biến dạng của toàn bộ kết cấu

Từ Utility Menu chọn Plot Ctrls>Animate>Deforme Shape, sau đó chọn các thông số rồi OK

f Hiện giá trị ứng suất/chuyển vị tại từng điểm:

*Chọn General Postproc > Query Results > Subgrid Solu

Cửa sổ Query Subgrid Solution Data xuất hiện Chọn DOF (chuyển vị) hay Stress (ứng suất) từ danh sách bên trái, sau đó chọn các giá trị chuyển vị cần tính từ danh sách bên phải và click OK

Cửa sổ chọn xuất hiện Ta có thế click và bất kì vị trí nào của kết cấu và ANSYS sẽ hiện ra giá trị

quan tâm tại vị trí đó Ghi lại các giá trị chuyển vị theo yêu cầu tính toán Riêng với bài toán này,

các giá trị ứng suất đã được tính từ mục d)

Phần II: Bình luận kết quả, ý nghĩa cơ học

I Kết quả tính toán:

Tiến hành tính toán theo hướng dẫn, kết quả được ghi lại trong bảng sau :

Kết quả tính toán sử dụng ANSYS

II Câu hỏi :

Câu 1 : Chia lưới mỗi thanh thành 6

Phần tử, giải bài toán So sánh kết quả, vẽ và so sánh hình vẽ biến dạng của hệ thanh và rút ra kết luận

Câu 2 : Kết luận về ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn qua bài toán này

Câu 3 : Tính tần số dao động riêng của hệ

 Mở menu : Preprocessor -> Material Props -> Materials Models

 Chọn Structural -> Linear Chọn tiếp Density Gõ 7800 vào mục DENS (khối lượng riêng

của thép)

 Mở menu Solution -> Analysis Type -> New Analysis, chọn Modal rồi OK

 Chọn Solution ->Analysis Type -> Analysis Option Gõ số tần số dao động cần tính (ví dụ: 15) vào 2 ô : No of modes to extract và No of modes to expand, OK

 Chọn Solution -> Solve -> Current LS

 Để hiện ra các tần số cần tìm :

Vào menu : General Posproc -> Result Summary

Ghi lại các tần số này vào kết quả thu được

Mode dao động Giá trị tần số riêng (Hz)

BÀI II: TẤM CÓ LỖ RỖNG

Phần I: Thực hành Ansys

I Yêu cầu tính toán:

Một tấm phẳng hình vuông với một rãnh rỗng ở giữa như Hình 2 chịu lực phân bố đều 50 kN/m tại hai cạnh đối diện Biết mô đun đàn hồi E = 200 GPa và hệ số Poisson  = 0.3

1) Xác định vị trí và giá trị của nơi có chuyển vị lớn nhất và nhỏ nhất

2) Xác định vị trí và giá trị của nơi có ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất

3) Nếu cho ứng suất kéo cho phép của vật liệu là 500 x 106 N /m2, tấm có bị phá hủy hay không ?

Preprocessor > Element Type > Add

Trong cửa sổ hiện ra, chọn Add > Solid > Quad 4 node 42 (PLANE 42) rồi Apply

Sau đó chọn tiếp Options Keyopt 3 = Plane stress

( /PREP7

ET, 1, PLANE42,,,0)

BƯỚC 3: Nhập các thông số vật liệu

Preprocessor > Material Models > Structural > Linear > Elastic> Isotropic

Sau đó nhập các số liệu : EX = 200e9 và PRXY = 0.3

(MP, EX, 1, 200e9

MP, PRXY,1, 0.3)

BƯỚC 4: Vẽ tấm

Tạo ra tất cả các điểm dùng lệnh: Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

Danh sách các điểm như sau :

Số hiệu đường thẳng Điểm đầu Điểm cuối

(Ex: K, 1, 0.02, 0 K, 2, 0.06, 0 etc L, 1, 2 etc.)

Để tạo ra cung tròn từ điểm 5 đến điểm 6, chọn Preprocessor> Modeling > Create > Lines >Arcs >

By End KP’s & Rad

Chọn điểm 5 và điểm 6 rồi OK Tiếp theo ấn chuột vào tâm của cung tròn (điểm 7) và OK

Trong cửa sổ hiện ra, nhập bán kính của cung tròn RAD = 0.02 và OK

(LARC, 5, 6, 7, 0.02)

Tạo ra hình phẳng từ các đường đã vẽ:

Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitraly > By lines

Chọn Pick all, OK

(AL, 1, 2, 3, 4, 6, 5)

BƯỚC 5: Chia lưới

1) Đặt kích thước của lưới:

Preprocessor > Meshing > Mesh Tool > Size controls: Areas > Set

Ấn chuột vào tấm rồi OK, trong cửa sổ hiện ra nhập giá trị 0.002

(AESIZE, 0.002)

2) Thực hiện việc chia lưới:

Vào Mesh Tool, trong cửa sổ Mesh section chọn Shape: Quad và Free meshing Ấn chuột vào nút Mesh

Chọn Pick All rồi OK

(AMESH)

BƯỚC 6: Đặt các điều kiện biên và ngoại lực

Đặt áp suất vào đường số 2

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Lines

Ấn chuột vào cạnh phải tấm và click OK Cửa sổ Apply Pressure on Lines xuất hiện, nhập -50000

cho mục Value (ô phía trên) và click OK

(SFL, 2, PRES, -50000)

và đặt điều kiện biên đối xứng vào các đường 1 và 4

Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > Symmetry B.C > On Lines

Chọn các đường 1 và 4 Click OK trong cửa sổ chọn

Main Menu > Solution > Solve > Current LS

Click OK.Sau khi tính toán, ANSYS sẽ thông báo "Solution is done!"

BƯỚC 8: Xử lí kết quả

Main Menu > General Postproc

/POST1

Vẽ hình tấm khi biến dạng

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Deformed Shape

Chọn và Def + undeformed và click OK

Hình dạng vật thể trước và sau biến dạng sẽ cùng được dựng trên cửa sổ đồ họa Biến dạng lớn nhất

maximum deformation DMX là 0.232E-08m trong thông báo xuất hiện trong cửa sổ này

Để có thể quan sát rõ hơn, ta có thể tắt hình nền:

Utility Menu > PlotCtrls > Style > Background > Display Picture Background

Mô phỏng biến dạng thực:

Utility Menu > PlotCtrls > Animate > Deformed Shape

Chọn Def + undeformed và click OK Chọn Forward Only trong Animation Controller

Đóng bảng điều khiển Animation Controller

Hiển thị phân bố ứng suất Von Mises trên tấm

Main Menu > General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solu

Chọn Nodal Solution > Stress > von Mises stress và click OK

Lưu thành file: Utility Menu > PlotCtrls > Hard Copy > To File

Đặt tên file, chọn đường dẫn đến file cần lưu rồi click Save

Hiển thị kết quả ứng suất Von Mises trên từng phần tử

Main Menu > General Postproc > Plot results > Contour Plot > Element Solu

Select Element Solution > Stress > von Mises stressand click OK

Xuất thành file: Utility Menu > PlotCtrls > Hard Copy > To File

Hiện giá trị ứng suất tại từng điểm:

Main Menu > General Postproc > Query Results > Subgrid Solu

Cửa sổ Query Subgrid Solution Data xuất hiện Chọn Stress từ danh sách bên trái, 1st principal S1 từ

danh sách bên phải và click OK

Cửa sổ chọn xuất hiện Ta có thế click và bất kì vị trí nào trong hình và ANSYS sẽ in ra giá trị

sigma1 tại vị trí đó Ghi lại các giá trị ứng suất đề bài yêu cầu Thực hiện tương tự để ghi lại các

biến dạng cần tìm của bài toán

Phần II: Bình luận kết quả, ý nghĩa cơ học

I Kết quả tính toán ANSYS :

Kết quả được ghi lại trong bảng sau :

Vị trí

II Trả lời các câu hỏi sau:

Câu 1 : Với tải trọng như bài toán, tấm có bị phá hủy không ?

Câu 2 : Tại sao không mô phỏng toàn bộ tấm? Lợi ích của việc tính toán ¼ tấm ?

Câu 3 : Thế nào là hiện tượng tập trung ứng suất, hiện tượng này thường thấy ở đâu ? Trong bài này

ta thấy nó thể hiện ở chỗ nào ?

Câu 4 : Giải thích sự biến dạng không đều của thành tấm dù tải trọng bên trong lỗ là phân bố đều Câu 5 : Theo kinh nghiệm thông thường, tập trung ứng suất xảy ra ở nơi nguy hiểm Dùng các lý

thuyết về công và năng lượng giải thích vì sao vị trí tập trung ứng suất không trùng với vị trí các chuyển vị lớn nhât !

BÀI III: TÍNH CẦU HAI NHỊP

Phần I: Thực hành Ansys

I Yêu cầu tính toán:

Hình 3 Cầu hai nhịp chịu tải trọng Khảo sát cầu hai nhịp chịu tải trọng như Hình 3 Tiết diện của cầu có dạng hình vuông rỗng ở giữa,

BE = EC Các thông số vật liệu : E = 200 GPa,  = 0.3 A = 0.016617 m2, J = 2.96 x 10-4 m4 Hãy: 1) Vẽ các biểu đồ lực cắt Qy và mô ment uốn

2) Tìm các chuyển vị tại B và C

3) Tính các phản lực liên kết

II Trình tự tiến hành:

1) Bước 1: Khởi động ANSYS

Main Menu > Preferences> Structural Click OK.

2) Bước 2: Chọn kiểu phần tử : Sử dụng phần tử BEAM3

Main Menu > Preprocessor > Element types > Add/edit/del > Add > Beam > 2d 3

Chọn mặt cắt

Main Menu > Preprocessor > Section > Beam > Common sections

Chọn Sub-type của cầu tương ứng và Offset to: Centroid Click Preview để xem trước

Main Menu > Preprocessor >Real Constants>Add/Edit/Delete…

3) Bước 3: Nhập các thông số vật liệu

Main Menu > Preprocessor >Material Props > Material Models