CHƯƠNG 5. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀO MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT KHI MÁY HOẠT ĐỘNG
5.2 Ứng dụng phần mềm ANSYS vào giải bài toán mô phỏng ứng suất đĩa quay khi đo ma sát
5.2.1 Các bước giải bài toán trong ANSYS Workbench
Trong phần này ta sẽ tiến hành giải bài toán kiểm tra ứng suất trên bề mặt đĩa quay khi máy tiến hành đo lực ma sát giữa bi vật liệu và đĩa quay. Đồng thời kiểm tra sự phụ thuộc của ứng suất với tốc độ góc ω của đĩa quay.
Để giải bài toán này, ta thực hiện các bước như sau:
Bước 1: Thiết lập mô hình của đĩa.
Bước 2: Chia lưới mô hình.
Bước 3: Cài đặt các điều kiện biên.
Bước 4: Giải và phân tích kết quả.
Bước 1: Thiết lập mô hình của bài toán:
Trong bài toán ta cần giải, do đĩa quay có có dạng đối xứng tròng xoay, do đó ta chỉ cần chích xuất 1 lát cắt của đĩa để kiểm tra ứng suất tại vị trí tiếp xúc với đầu dò và sau đó khai thác kết quả trực tiếp trên mô hình 3D.
Với điều kiện biên đã biết của bài toán là: vật liệu làm bi đo, vật liệu làm đĩa quay, tốc độ quay của đĩa, hệ số ma sát giữa đầu đo và đĩa quay.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 64
Mở ứng dụng ANSYS Workbench, chọn modul Static Structural:
Hình 5.3. Giao diện phần mềm ANSYS Workbench.
Vào Geometry> File > Import để vẽ mặt cắt mô hình đĩa. (Hình )
Hình 5.4. Môi trường Geometry.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 65
Trên mặt phẳng Oxy vẽ hình chữ nhật có chiều dài là 100mm và chiều rộng là 20mm - Ứng với bán kính của đĩa là 100mm và bề dày của đĩa là 20mm.
Hình 5.5 Vẽ và thiết lập chiều dài bề mặt cắt.
Hình 5.6 Vẽ và thiết lập chiều rộng của bề mặt cắt.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 66
Tiếp tục, thiết lập vị trí tiếp xúc của đĩa và đầu dò. Trong bài toán khảo sát này ta lựa chọn vị trí tiếp xúc cách tâm đĩa 50mm.
Chọn create->point. Bảng thiết lập sẽ hiện ra. Ta lựa chọn thông số nhƣ sau:
Hình 5.7 Thiết lập điểm đặt đầu dò.
Hình 5.8 Bảng thiết lập thông số.
Tiếp tục thiết lập cho mặt cắt trong môi trường 2D bằng cách sau: Tại giao diện chính của Workbench -> chuột phải vào Geometry-> Chọn Properties. Một
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 67
bảng thiết lập thông số mô hình sẽ hiện ra, ta lựa chọn thông số cho mô hình trong môi trường 2D bằng cách: Chọn Analysis type -> Chọn 2D.
Hình 5.8 Thiết lập cho mặt việc khảo sát mặt cắt trên môi trường 2D.
Hoàn thành bước vẽ mặt cắt của đĩa và thiết lập vị trí đặt đầu dò.
Bước 2. Chia lưới cho mặt cắt:
Trên giao diện chính của ANSYS Workbench, chọn Model, màn hình sẽ hiển thị môi trường model.
Sử dụng phương thức chia lưới tự động Mesh -> Generate Mesh để chia lưới cho mô hình:
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 68
Hình 5.9 Chia lưới cho mặt cắt khảo sát.
Bước 3: Cài đặt các điều kiện biên cho việc khảo sát.
Trong giao diện chính của ANSYS Workbench, chọn Setup để vào môi trường cài đặt điều kiện biên.
Để thiết lập mặt cắt đƣợc khảo sát trong điều kiện đối xứng tròn xoay khi xuất kết quả ra mô hình 3D, ta tiến hành chọn Geometry -> Ở mục 2D Behavior -
> Chọn Axisymemtric.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 69
Hình 5.10 Thiết lập đối xứng tròn xoay cho mặt cắt.
Tiếp tục thiết lập lực tác dụng lên bề mặt đĩa (lực do tải trọng đặt lên đầu tay dò để tạo thành phản lực ở đầu dò tác dụng lên mặt đĩa) bằng cách chọn: Static Structural(A5) -> Insert -> Force.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 70
Hình 5.11 Thiết lập lực tác dụng lên bề mặt đĩa.
Ở mục Magnitude chọn giá trị 5N và ở mục Direction lựa chọn chiều tác dụng của lực nhƣ hình.
Tiếp tục thiết lập tốc độ góc của mặt cắt bẳng cách chọn Static
Structural(A5) -> Insert -> Rotational Velocity. Trong mục Magnitude chọn giá trị 10 rad/s và tích vào ô vuông bên cạnh để khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ góc với ứng suất.
Hình 5.12 Thiết lập tốc độ góc mặt cắt và khảo sát ảnh hưởng của tốc độ góc ω
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 71
Tiếp tục thiết lập chuyển vị cho đáy đĩa (vì đĩa đƣợc cố định vào trục công tác của máy bằng bu lông ). Ta chọn Static Structural(A5) -> Insert ->
Displacement -> Chọn cạnh đáy của mặt cắt. Trong mục Y component ta chọn giá trị 0mm nhƣ hình
Hình 5.13 Thiết lập cố định chuyển vị cho đáy mặt cắt Hoàn thành thiết lập các điều kiện biên của bài toán.
Bước 4. Giải bài toán.
Ở mục Solution(A6) -> Chọn Insert -> Stress -> Equivalent Stress để kiêm tra ứng suất trên bề mặt đĩa khi quay.
Chọn Solution(A6) -> Solve để giải.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 72
Hình 5.14 Thiết lập kết quả muốn thu được (ứng suất trên mặt đĩa)
Sau khi phần mềm đã tính toán toán xong, để khảo sát sự ảnh hưởng của vận tốc góc ω tới ứng suất trên bề mặt đĩa, ta quay trở lại giao diện chính của
Workbench, chọn Parameters -> Tại mục Table of Design Points. Ta thiết lập các giá trị của vận tốc góc ω với bước nhảy là 5. Lần lượt ta có các giá trị ω
=10,15,20,25,30. -> Chọn update design points để phần mềm tính toán.
Hình 5.15 Thiết lập vận tốc ω để khảo sát sự phụ thuộc ứng suất vào vận tốc gó.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 73
Để khai thác toàn bộ mô hình 3D, ta nhập dữ liệu vào modul ANSYS Mechanical APDL 15. Mở modul Mechanical APDL-> General Post Proc -> Tại mục read single result file, ta chọn đường dẫn tới file vừa thực hiện của modul ANSYS Workbench.
Chọn Read Result-> Last Set để lấy kết quả cuối cùng nhận đƣợc khi đĩa quay hết 1s. Tiếp tục chọn Plot -> Elements để phần mềm nhận dạng bề mặt cắt.
Hình 5.16 Phần mềm nhân dạng bề mặt cắt.
Chọn PlotCtrls -> Style -> Symmetry Expension -> 2D Axi Symmetric. Một bảng setup hiện lên, ta chọn Full expension để lấy kết quả trên mô hình 3D.
Cuối cùng chọn Plot Result -> Contour Result -> Nodal Solu -> Stess -> von Misses Stress để lấy kết trên mô hình 3D.
Kết quả thu đƣợc:
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 74
Khi đĩa quay với vận tốc góc ω = 10 rad/s, Trên mặt cắt 2D ta thu đƣợc kết quả ứng suất nhƣ sau:
Hình 5.17 Kết quả ứng suất trên mặt cắt với ω = 10 rad/s.
Khi đĩa quay với vận tốc góc ω = 30 rad/s, Trên mặt cắt 2D ta thu đƣợc kết quả ứng suất nhƣ sau:
Hình 5.18 Kết quả ứng suất trên mặt cắt với ω = 30 rad/s
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 75
Biểu đồ khảo sát sự phụ thuộc của ứng suất vào vận tốc góc quay ω của đĩa nhƣ hình sau:
Hình 5.19 Biểu đồ sự phụ thuộc của ứng suất vào vận tốc góc ω.
Khi khai thác kết quả trên mô hình 3D ta có kết quả nhƣ sau:
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 76
Hình 5.20 Ứng suất trên bề mặt đĩa khi ω = 10rad/s.
Hình 5.21 Ứng suất trên bề mặt đĩa khi ω = 30rad/s.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 77
Nhận xét: Qua tính toán trên phần mềm ta nhận thấy:
Ứng suất trên bề mặt đĩa tạp trung chủ yếu vào 2 vị trí: Vị trí tiếp xúc của đĩa với đầu dò và tâm của đĩa.
Ứng suất trên đĩa khi làm việc phụ thuộc vào tốc độ góc ω của đĩa, tốc độ góc ω càng lớn thì ứng suất càng lớn và dần chuyển về tập trung tại tâm của đĩa – vị trí trục quay.
Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 78
CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ, PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.