DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP VIRTUAL CRACK CLOSURE TECHNIQUE (VCCT) THÔNG QUA PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG PHÁ HỦY CỦA MỘT KẾT CẤU HAI VẬT LIỆU

Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VÂN TẢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KĨ THUẬT MÁY  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỂ TÀI DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP VIRTUAL CRACK CLOSURE TECHNIQUE (VCCT) THÔNG QUA PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG PHÁ HỦY CỦA MỘT KẾT CẤU HAI VẬT LIỆU Giáo viên hướng dẫn : Th.s Trần Thanh Hải Sinh viên thực Lớp : : Phạm Xuân Hiếu Cơ điện tử K46 HÀ NỘI - 2010 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI …………………………………… ……… Đặt vấn đề Nội dung đề tài CHƯƠNG I: CƠ HỌC PHÁ HỦY…………………………………… I Giới thiệu học phá hủy (Fracture Mechanics) II Biểu đồ ứng suất – chuyển vị 10 III Fracture modes (các chế độ phá hủy) .12 IV Năng lượng cân vết nứt 12 V Lý thuyết Griffith .13 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN………………15 I Khái niệm chung nội dung phương pháp 15 Khái niệm chung 15 Nội dung phương pháp 16 Một số khái niệm sử dụng toán phần tử hữu hạn 17 Trình tự phân tích toán theo phương pháp PTHH 25 Giải toán hệ phương pháp phần tử hữu hạn .27 II Các phần tử 34 Giới thiệu chung 34 Một số phần tử tính chất chúng 36 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP VIRTUAL CRACK CLOSURE TECHNIQUE………………………………………………………… 42 GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I Phương pháp VCCT bước .42 II Virtual Crack Closure Technique………………………………… 44 CHƯƠNG IV: PHẦN MỀM ANSYS…………………………………47 I Giới thiệu chung .47 II Ứng dụng Ansys 49 Phân tích kết cấu : .50 Động lực học biến dạng lớn: 51 Phân tích nhiệt 51 Phân tích điện từ 52 Tính tốn động lực học dịng chảy .54 Phân tích tương tác trường vật lí 55 III Các bước thực giải toán Ansys 55 Preprocessing 56 Solution .59 Postprocessing 60 CHƯƠNG V: TÍNH TỐN KHẢ NĂNG PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU HAI VẬT LIỆU (CU-EPOXY MOLDING COMPOUND)………….68 I Nội dung toán xác định phương hướng triển khai 69 Nội dung .69 Hướng triển khai toán 70 II Giải toán Ansys 71 KẾT LUẬN…………………………………………………………….81 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… 82 GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Đặt vấn đề Sự tiến khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực đề án ngày phức tạp, đắt tiền địi hỏi độ xác, an toàn cao Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp tổng quát hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp toán kỹ thuật khác Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng kết cấu khí, chi tiết ô tô, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng, dầm cầu v.v , toán lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường v.v Với giúp đỡ nghành Công nghệ thông tin hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp tính tốn thiết kế chi tiết cách dễ dàng Trên giới có nhiều phần mềm PTHH tiếng như: NASTRAN, ANSYS, MODULLEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v Phần mềm ANSYS nhiều chương trình phần mềm cơng nghiệp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) để phân tích tốn vật lý học, chuyển phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa dạng gần để giải Đề tài : “Dùng phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp Virtual Crack Closure Technique (VCCT) thông qua phần mềm Ansys để tính tốn khả phá huỷ kết cấu hai vật liệu (bi-material structure)” lựa chọn để đáp ứng mục đích kiểm nghiệm, xác định tỷ lệ lượng giải phóng (hay độ cứng chống phá hủy) kết cấu vết nứt hình thành, từ so sánh với cấu trúc thực tế nhằm đưa phương pháp sử dụng cấu trúc vật liệu cách phù hợp GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sau trình tìm hiểu, nghiên cứu với nỗ lực thân với hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo Th.s Trần Thanh Hải_ BM KTM đề tài hoàn thành Tuy vậy, thời gian vốn kiến thức hạn chế nên đề tài cịn nhiều thiếu sót Rất mong nhận bảo góp ý sâu sắc Thầy, Cơ bạn để đề tài hồn thiện Hà nội, ngày 30 tháng năm 2010 Sinh viên thực Phạm Xuân Hiếu Lớp điện tử K46 _ ĐHGTVT GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nội dung đề tài Đề tài chia thành chương sau: Chương 1: Tìm hiểu học phá hủy (Fracture Mechanics) Xác định nguyên lý việc dùng Cơ học phá hủy (Fracture Mechanics) việc đánh giá độ bền phá hủy kết Chương 2: Nghiên cứu phương pháp PTHH Trong chương tìm hiểu khái niệm, nội dung ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) việc giải toán cụ thể Đồng thời giới thiệu số phần tử thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) Chương 3: Giới thiệu phương pháp Virtual Crack Closure Technique (VCCT), phương pháp PTHH dùng để xác định tỷ lệ lượng giải phóng (hay độ cứng chống phá hủy) có vết nứt hình thành kết cấu Chương 4: Tìm hiểu phần mềm Ansys Nội dung chương sâu tìm hiểu phần mềm Ansys, ứng dụng phần mềm lĩnh vực cơng nghiệp Thực phân tích, tính tốn cấu trúc, cấu kiện, chi tiết máy phần mềm Ansys Chương 5: Nghiên cứu triển khai phương pháp VCCT Ansys để tính độ bền phá hủy kết cấu GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I CƠ HỌC PHÁ HỦY I Giới thiệu học phá hủy (Fracture Mechanics) Cơ học phá hủy (Fracture Mechanics) môn khoa học chuyên nghiên cứu độ bền tuổi thọ vật liệu, chi tiết máy cấu kiện có vết nứt Cho phép định lượng mối quan hệ tính chất vật liệu, ứng suất, diện vết nứt gây phá hủy kết cấu chế lan truyền vết nứt Nó sử dụng phương pháp phân tích học vật rắn để tính tốn động lực vết nứt thử nghiệm học vật rắn để mô tả đặc điểm chống lại phá hủy kết cấu (theo [1]) Hầu hết thành phần kỹ thuật cấu trúc chứa khuyết tật hình học Kích thước hình dạng chúng quan trọng chúng xác định độ bền cấu trúc vật liệu Thông thường, độ bền thành phần cấu trúc có chứa khuyết tật bị ảnh hưởng hai yếu tố ứng suất độ bền uốn Tuy nhiên, cách tiếp cận thường cho kết khơng xác khuyết tật có đặc trưng hình học lớn Để giải thích điểm này, xem xét trường hợp sau (hình 1): Hình Các mẫu thử có khơng có vết nứt GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tất mẫu có độ dày Các lực cần thiết để phá vỡ bốn mẫu xếp theo thứ tự sau: F4 < F3 < F1 < F2 Rõ ràng, kích thước khuyết tật mẫu C D ảnh hưởng lớn đến độ bền mẫu, làm giảm độ bền mẫu So với phương pháp thơng thường có tên tiếp cận sức bền vật liệu có hai yếu tố ảnh hưởng, phương pháp học phá hủy (Fracture mechanics) bị ảnh hưởng ba yếu tố áp dụng ứng suất, kích thước phá hủy độ bền phá hủy Trong phương pháp tiếp cận này, độ bền phá hủy thay độ bền uốn phù hợp tính chất vật liệu Fracture Mechanics xác định giới hạn ba yếu tố Hình cho thấy khác biệt cách tiếp cận Fracture Mechanics với cách tiếp cận sức bền vật liệu Hình So sánh phương pháp Fracture Mechanics với phương pháp tiếp cận Sức bền vật liệu Đối với vật liệu không thay đổi theo thời gian, Fracture Mechanics chia thành Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) Elasto Plastic Fracture Mechanics (EPFM) LEFM cho kết vượt trội cho vật liệu giòn thép cường độ đàn hồi cao, thủy tinh, đá, bê tông, vv Tuy nhiên, vật liệu dễ uốn thép carbon thấp, thép khơng gỉ, hợp kim nhơm, polyme, vv, tính dẻo xảy trước phá hủy Tuy nhiên, tải trọng nhỏ, LEFM cho kết gần GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sơ đồ hình Fracture Mechanical nhìn thấy hình 3: Hình Mơ hình cấu trúc hình đơn giản Fracture Mechanics II Biểu đồ ứng suất – chuyển vị Theo thí nghiệm vật liệu dẻo (Thép CT 38) ta có đồ thị chuyển vị – ứng suất hình (theo [2]): Hình Đồ thị chuyển vị - ứng suất Trong trình từ lúc bắt đầu kéo đến bị đứt, mẫu thử qua điểm đặc biệt Dưới ta phân tích q trình GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giai đoạn tỉ lệ: Giai đoạn thể đoạn OA Trong giai đoạn vật liệu tuân theo định luật Hooke, ứng suất lớn gọi giới hạn tỉ lệ σ tl Độ dốc đoạn OA giá trị modul đàn hồi vật liệu Trong giai đoạn này, vật liệu có tính đàn hồi, tức sau bỏ hết tải trọng – lực kéo, mẫu thử hoàn toàn trở lại trạng thái chiều dài ban đầu Tuy nhiên phía giới hạn đàn hồi ít, người ta thấy vật liệu đàn hồi A’.Ứng suất lớn mà vật liệu đàn hồi gọi ứng suất đàn hồi σ dh Khi kéo mẫu đến điểm C, đồ thị có dạng nằm ngang CC’ gọi mặt chảy Trong giai đoạn này, không tăng lực kéo, mẫu bị giãn Ứng suất tương ứng với điểm C gọi giới hạn chảy σ ch Hết mặt chảy độ bền kim loại khơi phục Đó giai đoạn tái bền tương ứng với đoạn C’D Cuối giai đoạn này, mẫu thử hình thành chỗ thót Chính chỗ thót làm cho độ giãn lớn Ứng suất cao (điểm D) gọi giới hạn bền σ b Sau điểm D, đồ thị tụt xuống đến điểm định mấu đứt Sở dĩ có đoạn tụt xuống lúc chỗ thót có diện tích tương đối bé nên lực kéo khơng cần lớn trước Từ sau giới hạn đàn hồi, vật liệu có biến dạng dư hay biến dạng dẻo Thí dụ điểm M ta bỏ lực, đồ thị giảm tải trọng theo đường MP có độ dốc độ dốc giai đoạn đàn hồi OA Khi hết tải trọng, biến dạng dẻo thể đoạn OP, đoạn PQ biến dạng đàn hồi GVHD_THS.TRẦN THANH HẢI Trang 10 ... phương pháp rời rạc hóa dạng gần để giải Đề tài : ? ?Dùng phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp Virtual Crack Closure Technique (VCCT) thông qua phần mềm Ansys để tính tốn khả phá huỷ kết cấu hai vật. .. phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) việc giải toán cụ thể Đồng thời giới thiệu số phần tử thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) Chương 3: Giới thiệu phương pháp Virtual Crack Closure. .. Phương pháp phần tử hữu hạn dùng để giải gần tốn biên tuyến tính, phi tuyến bất phương trình Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Với hỗ trợ máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng rộng