BÁO CÁO MÔN CAE Static Structural Analysis of the Wire Bending Operation using Ansys

Dùng những phương pháp cũ trước đây như cơ lý thuyết, sức bền vật liệu để tính toán thì chưa gần với điều kiện thực tế vì thế cần có công cụ khác đáp ứng được vấn đề này đó là: ANSYS có thể nói là công cụ phân tích các phần tử hữu hạn tốt có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất biến dạng có thể xác định độ bền mỏi và độ phá hủy của chi tiết một cách chính xác và có độ tin cậy cao.

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN ỨNG DỤNG CAE TRONG CƠ KHÍ

BÁO CÁO

 PHÂN TÍCH CƠ CẤU UỐN DÂY KIM

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1.1 Tổng quan về hoạt động uốn dây

Trong xu thế Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa hiện nay, Khoa học - Kỹ thuậtphát triển ngày càng nhanh chóng, đang góp phần nâng cao năng suất lao động,thay thế dần sức lao động của con người Sự phát triển này đã dẫn đến rất nhiềuchủng loại máy ra đời nhằm phục vụ cho nhu cầu thiết yếu của con người Trong

đó, máy uốn đã và đang được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là tronglĩnh vực xây dựng

Trong ngành xây dựng trước đây, việc uốn các chi tiết sản phẩm thép chủyếu làm bằng tay, vừa tốn thời gian, vừa tốn nhiều sức lao động của người côngnhân nhưng năng suất, hiệu quả mang lại là không cao Ngày nay với sự hỗ trợ củamáy móc, công việc trở nên nhẹ nhàng hơn và năng suất cũng tăng lên gấp bội Do

đó giảm được chi phí sản xuất trong ngành xây dựng

Trên thị trường đã có nhiều loại máy uốn khác nhau, từ thủ công, bán tựđộng cho đến tự động Ở Việt Nam cũng đã xuất hiện nhiều loại máy uốn khácnhau, nhưng hầu hết là sản phẩm được nhập khẩu từ bên ngoài nên đôi lúc nhu cầucủa khách hàng còn nhiều hạn chế và đặc biệt là giá thành còn rất cao

Dùng những phương pháp cũ trước đây như cơ lý thuyết, sức bền vật liệu đểtính toán thì chưa gần với điều kiện thực tế vì thế cần có công cụ khác đáp ứngđược vấn đề này đó là: ANSYS có thể nói là công cụ phân tích các phần tử hữu hạntốt có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình học 2D và 3D để phân tíchtrường ứng suất biến dạng có thể xác định độ bền mỏi và độ phá hủy của chi tiếtmột cách chính xác và có độ tin cậy cao

Hình 1 1 Giới thiệu cơ cấu Geometry

1.2 Giới thiệu về ANSYS

ANSYS là một công cụ thiết kế và mô phỏng kỹ thuật mạnh mẽ, vượt trộitrong việc mô phỏng các tương tác cơ học thực tế bằng cách kết hợp sử dụng phântích phần tử hữu hạn (FEA) Do đó, nó có thể được sử dụng trong mỗi bước củachu trình sản xuất của sản phẩm; từ giai đoạn thiết kế sơ bộ đến những bước cuốicùng của tối ưu hóa ANSYS cung cấp một công cụ để sản phẩm được kiểm soáttrong mọi bước của chu kỳ sản xuất

1.3 Ứng dụng công cụ ANSYS vào phân tích chi tiết

- Chủ đề phân tích: hoạt động uốn dây

- Máy uốn ống sắt thép chuyên được dùng để uốn các thanh sắt, thép và inox theoyêu cầu của người dùng, nhờ có máy mà công việc đẩy nhanh tiến độ hơn nhiều, và

thông qua việc qua tính toán vật liệu, chia lưới, …, sẽ giúp người ta hiểu hơn vềnhững đặc tính của hoạt động uốn dây và dựa vào đó để đưa ra giải pháp tối ưu hóacải thiện và nâng cao quá trình sản xuất.

1.4 Cách trình bày và mục tiêu báo cáo

- Bài báo cáo được viết dựa trên quá trình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 2021R2 Do đó bài viết sẽ được trình bày cụ thể và chi tiết bằng các hình ảnh trích xuất

từ phần mềm nên độ chính xác cao

- Trong phân tích mô phỏng chi tiết này, mục tiêu nghiên cứu chính là các đầu rasau: Total Deformation, Directional Deformation, Equivalent Stress, EquivalentElastic Strain, Equivalent Plastic Strain

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ DỮ LIỆU

Chương này sẽ trình bày một số khái niệm, cơ sở lý thuyết những dữ liệu đầuvào và dữ liệu đầu ra, giúp người đọc có thể hiểu được những cơ sở dữ liệu trướckhi tới phần phân tích

2.1. Dữ liệu đầu vào

Xây dựng dữ liệu đầu vào và giải thích về cách xây dựng này bao gồm: Loạiphân tích (Analysis Type), Hình học chi tiết (Geometry), Vật liệu (Material), Điềukiện biên (Boundary Condition), Chia lưới (Mesh), Cài đặt cách phân tích(Analysis Setting)

2.1.1 Loại phân tích (Analysis Type):

- Hệ thống phân tích dùng trong Ansys: Static Structural

- Loại phân tích: Chọn loại phân tích 3D do dụng cụ có nhiều chi tiết nhỏ nênchúng ta không thể sử dụng phân tích 2D được

2.1.2 Hình học chi tiết (Geometry):

Cơ cấu cần phân tích có hình dạng như bên dưới:

Hình 2 1 Geometry của chi tiết

Hình 2 3 Vật liệu cho wheel và lever

 Riêng wire sẽ có ba trường hợp

- Copper Alloy (Non Linear) : Hợp kim đồng

+ Density : 8300 kg/m3

+ Tensile yield strength: 250 MPa

+ Young ‘s modulus :110000 MPa

+ Poisson ‘s ratio:0.34

Hình 2 4 Vật liệu hợp kim đồng cho dây (wire)

- Aluminium Alloy (Non Linear) : Hợp kim nhôm

+ Density :2770 kg/m3

+ Young ‘s modulus :71000 MPa

+ Poisson ‘s ratio:0.33

Hình 2 5 Vật liệu hợp kim nhôm cho dây (wire)

- Magnesium Alloy ( Non Linear) Hợp kim Magie

+ Density :1800 kg/m3

+ Young ‘s modulus :45000 MPa

+ Poisson ‘s ratio:0.35

Hình 2 6 Vật liệu hợp kim magie cho dây (wire)

2.1.4 Điều kiện biên.

2.1.4.1 Ma sát

- Hệ số ma sát giữa chi tiết wire lên lever là 0.2

- Formulation được đặt là Augmented Lagrange

- Normal stiffness factor (độ cứng ) được đặt là 0.1

- Update stiffness (cập nhật độ cứng) cho mỗi lần lặp (Each Iteration)

- Interface Treatment (xử lý giao diện) được đặt Add Offset, Ramped effect

Hình 2 7 Hệ số ma sát

- Tiếp xúc ma sát – Dây ( wire) với đòn bẩy (lever) :

- Tiếp xúc ma sát – Dây ( wire) với bánh xe (wheel) :

Hình 2 9 Tiếp xúc ma sát dây (wire) với bánh xe (wheel)

- Revolute Joint (Khớp quay) được tạo cho đòn bẩy (lever) quay quanh trục z (Rz)

Hình 2 10 Revolute Joint -Khớp quay

2.1.4.2 Fixed Support

- Bánh xe (wheel) được giữ cố định để hạn chế chuyển động của bánh xe (wheel).

Hình 2 11 Fixed Support wheel

- Cố định mặt dây (wire) trong để ngăn nó di chuyển ra khỏi bánh xe (wheel)

2.1.4.3 Joint – Rotation

- Cần gạt đòn bẩy (lever) được cung cấp với một góc quay 140 độ

Hình 2 13 Joint – Rotation

2.1.5 Chia lưới

2.1.5.1 Chia lưới tự động toàn cục

- Chúng ta sử dụng lưới tetrahedrons để chia cho toàn bộ mô hình

2.1.5.2 Chia lưới Face Sizing

- Sử dụng để chia lưới bề mặt bên ngoài của trụ đòn bẩy (lever cylinder ) và dây (wire) với Element size là 2.2 mm, tức là các mắc lưới ở bề mặt chọn có khoảng cách các mắc lưới (Nodes) là 2.2 mm

- Face Sizing : Chọn loại Sphere of Influence với element size 0,8mm được xácđịnh cho các khu vực nằm trong bán kính 7mm xung quanh trung tâm hình cầu của

hệ tọa độ này

Hình 2 16 Chia lưới Face Sizing

2.1.6 Analysis Setting (Điều chỉnh phân tích):

Mô phỏng sẽ chạy 8 bước vì vậy bước được đặc là 8,solver type làdirect,bước thời gian ban đầu được đặt thành 0,1s, Bước thời gian tối thiểu đượcđặt thành 0.01s và Bước thời gian tối đa được đặt thành 0,2s,biến dạng rất lớn nêncho phép Large Deflection là On

Từ bước thứ hai đến bước thứ tám là loại Direct , Large Deflection là On và xác định theo thời gian Bước thời gian tối thiểu ( Mininum Time step ) được đặt thành 1e-2 giây và Bước thời gian tối đa (Maxinum) được đặt thành 1 giây

Hình 2 18 Analysis Setting

2.2 Dữ liệu đầu ra (OUTPUT)

- Các đầu ra cần nghiên cứu gồm: Equivalent Stress, Equivalent ElasticStrain

2.2.1 Equivalent Stress (Ứng suất tương đương):

- Cho phép tổng hợp các thành phần ứng suất trong 2 hoặc 3 trục tọa độ,

có thể xem là tương đương với ứng suất tối đa có được trong bài tínhthực tế Người ta thường dùng Ứng Suất Von-Mises (EquivalenceStress) cho vật liệu kim loại

2.2.2 Equivalent Elastic Strain (Biến dạng đàn hồi tương đương):

sẽ phục hồi và trở lại hình dạng ban đầu khi loại bỏ tải trọng

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ

Thể hiện quá trình phân tích chọn lọc để đưa ra kết quả của việc phân tích,

để có cái nhìn tổng quan hơn về đề tài, bài báo cáo sẽ mở rộng thêm về việc thayđổi lưới để so sánh các kết quả với nhau

3.1 Kết quả chia lưới (Mesh)

- Kết quả sau khi chia lưới :

Hình 3 1 Lưới sau khi chia

Sau khi chia lưới tự động cho toàn bộ vật thể và sử dụng face sizing ở nhữngmặt tiếp xúc giữa dây kim loại (wire) với vật thể bánh xe (wheel) và giữa wire vớithanh đòn bẫy (lever) có thể chất lượng lưới trung bình là trên 70% một con sốkhông quá cao nhưng chất lượng lưới của dây kim loại (wire) và các chỗ tiếp xúc

cầu đề bài là phân tích hoạt động uốn dây thì với chất lượng lưới như thế này thì ta

có thể tin tưởng dùng để tính toán

Hình 3 2 Chất lượng lưới

3.2 Kết quả đầu ra

- Equivalent Stress Max - 650.02 Mpa

- Equivalent Strain Max - 0.005947 mm/mm

Hình 3 4 Độ biến dạng tối đa của dây đồng

- Equivalent Stress Max – 455.99 Mpa

- Equivalent Strain Max - 0.0064502 mm/mm

Hình 3 6 Độ biến dạng tối đa của dây nhôm

- Equivalent Stress Max - 489.09 Mpa

- Equivalent Strain Max - 0.010894 mm/mm

Hình 3 8 Độ biến dạng tối đa của dây Magie

- Dựa vào dữ liệu đầu vào kết hợp quá trình mô phỏng chi tiết trong ANSYS, chọnphân tích 3 trường hợp vật liệu dây khác nhau bên dưới Trong đó:

+ Equivalent Stress (MPa) : ứng suất tương đương (MPa)

+ Equivalent Strain (mm/mm): biến dạng tương đương (mm/mm)

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Trình bày những kết luận rút ra được từ quá trình mô phỏng dựa theo yêu cầu đề tài:

với dây Hợp kim Nhôm

là dây Hợp kim đồng

• Qua quá trình phân tích ở trên ta thấy được với công cụ hỗ trợ tính toán nhanh và có độ tin cậy giúp ta đưa ra được kết quả chính xác hơn so với những phương pháp cũ trước đây