Giáo trình ANSYS phân tích ứng suất và biến dạng

TS ĐỖ THÀNH TRUNG GIÁO TRÌNH ANSYS - PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* TS ĐỖ THÀNH TRUNG GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI NĨI ĐẦU Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, vấn đề đặt cho kỹ sư thiết kế phải làm để công việc thiết kế trở nên xác chi phí thấp Hay sau thiết kế, phải kiểm tra, thử nghiệm chế tạo để mang lại hiệu kinh tế cao thỏa mãn điều kiện kỹ thuật Tất vấn đề dẫn người đến việc nghiên cứu tạo số công cụ để giải hữu hiệu toán mà thiết kế kiểm nghiệm đặt Trong đó, phần mềm ANSYS 12 cho phép giải cách nhanh chóng xác vấn đề phức tạp Tuy nhiên, ANSYS 12 chưa sử dụng phổ biến cần tìm hiểu khả ứng dụng để giải tốn học, tìm ứng suất biến dạng chi tiết máy hệ thống máy Ngoài ra, môn học Thiết kế mô máy mơn học sở ngành Cơ khí Chế tạo máy chương trình đào tạo Thạc sĩ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Muc tiêu môn học nhằm giúp cho học viên có khả thiết kế, mơ chi tiết, cụm, phận máy máy, quản lý sở liệu thiết kế, phân tích đánh giá kết thiết kế mô Để thực cơng việc trên, địi hỏi học viên phải vận dụng kiến thức sở ngành, kết hợp với phương pháp tính sử dụng thành thạo phần mềm mô : AutoCAD, ANSYS, CATIA, … Với mục đích trên, tác giả biên soạn sách với giúp đỡ nhiệt tình KS Nguyễn Tuấn Anh, ThS Đinh Hữu Hạnh đồng nghiệp – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, nhằm dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Đại học học viên Cao học thuộc nhóm ngành Kỹ thuật nói chung ngành Cơ khí Chế tạo máy nói riêng Tuy nhiên, sách chủ yếu dành cho đối tượng làm quen với ANSYS nên dừng mức giải tốn khơng q phức tạp Trong q trình biên soạn, sách khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý người đọc để phiên sau hồn thiện Mọi góp ý xin vui lòng gửi địa mail: trungdt@hcmute.edu.vn Tác giả, TS Đỗ Thành Trung Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Cách cài đặt ANSYS 12 1.1.3 Khởi động ANSYS 12 1.1.4 Giao diện ANSYS 12 1.2 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN CƠ HỌC 7 10 10 11 Chương 2: TRÌNH TỰ PHÂN TÍCH 2.1 BÀI TỐN TỔNG QT 2.2 BÀI TỐN TĨNH 2.3 PHÂN TÍCH BÀI TỐN DAO ĐỘNG RIÊNG 2.4 PHÂN TÍCH BÀI TỐN DAO ĐỘNG RIÊNG KẾT HỢP 15 15 16 28 31 Chương 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN DẦM - LINE BODIES 3.1 BÀI TOÁN 3.1 3.2 BÀI TOÁN 3.2 – LINE BODIES 3.3 BÀI TOÁN 3.3 – DẦM CHỮ I (LINE BODIES) 37 37 42 59 Chương 4: PHÂN TÍCH BÀI TỐN HỆ THANH GIÀN – LINE BODIES 4.1 BÀI TOÁN 4.1 4.2 BÀI TOÁN 4.2 69 69 78 Chương 5: PHÂN TÍCH BÀI TỐN DẦM 2D – SURFACE BODIES 89 Chương 6: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN DẠNG ĐĨA, TẤM 2D – SURFACE BODIES 99 6.1 BÀI TOÁN 6.1: CHI TIẾT DẠNG ĐĨA (SURFACE BODIES) 6.2 BÀI TOÁN 6.2: CHI TIẾT DẠNG TẤM (SURFACE BODIES) 99 110 Chương 7: PHÂN TÍCH BÀI TỐN DẠNG KHỐI 3D – SOLID 117 Chương 8: PHÂN TÍCH BÀI TỐN COMPOSITE 3D – SOLID 8.1 BÀI TOÁN 8.1 8.2 BÀI TỐN 8.2 123 123 131 Chương 9: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN DAO ĐỘNG 9.1 BÀI TOÁN 9.1 9.2 BÀI TOÁN 9.2 139 139 146 Chương 10: PHÂN TÍCH BÀI TỐN DAO ĐỘNG MỞ RỘNG 10.1 BÀI TOÁN 10.1 10.2 BÀI TỐN 10.2 153 153 160 Chương 11: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH 11.1 BÀI TOÁN 11.1 11.2 BÀI TOÁN 11.2 11.3 BÀI TOÁN 11.3 169 169 177 186 11.4 BÀI TỐN 11.4 192 Chương 12: PHÂN TÍCH CHI TIẾT ĐÒN TREO TRÊN TÀI LIỆU THAM KHẢO 199 Chương TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS 1.1.1 Giới thiệu chung ANSYS lập từ năm 1970, nhóm nghiên cứu Dr John Swanson, hệ thống tính tốn Swanson (Swanson Analysis System) Mỹ, gói phần mềm dựa phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tốn vật lý học, chuyển phương trình vi phân phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa gần để giải mô ứng xử hệ vật lý chịu tác động loại tải trọng khác Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, toán kỹ thuật cơ, nhiệt thủy khí, điện từ sau mơ hình hóa xây dựng mơ hình tốn học cho phép giải chúng với điều kiện biên cụ thể với số bậc tự lớn Trong toán kết cấu (structural), phần mềm ANSYS nói chung dùng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất phản lực Phân tích kết cấu gồm phân tích tĩnh, phân tích động số phân tích kết cấu khác phân tích phổ, phân tích dao động riêng, ổn định,… Như tác dụng ANSYS để tính toán kiểm tra độ bền, ứng suất, biến dạng, dao động, nhiệt, tối ưu hóa kết cấu Nếu có kết cấu, sử dụng ANSYS để kiểm tra kết cấu có bền hay khơng, chưa đủ bền ngun nhân đâu từ tìm cách khắc phục kịp thời, có sai hỏng biết lý Nếu chưa có kết cấu dùng ANSYS để nghiên cứu tìm phương án tối ưu cho kết cấu, tránh đươc sai sót gây thiệt hại Vì ý nghĩa lớn nên ANSYS dùng nhiều quan nghiên cứu, thiết kế khí học ANSYS phần mềm mạnh để giải toán với số phần tử lớn địi hỏi cấu hình máy cao Để sử dụng phần ANSYS 12 cấu hình máy tính nên sử dụng xử lý Pentium hay Itanium với 512 MB of RAM (1 GB với xử lý Itanium) 950 MB trống ổ cứng, ổ CD ROM, hệ điều hành Window XP 64 bit, Window XP 32 bit hay Window 2000 hình 17” trở lên với độ phân giải sử dụng 1024x768 Medium color (16 bit) ANSYS có tính bật sau: + Khả đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc nhanh xác, truyền dẫn mơ hình CAD + Giải nhiều loại tốn như: tính tốn chi tiết máy, cấu trúc cơng trình, điện, điện tử, điện từ, nhiệt, lưu chất… + Thư viện phần tử lớn, thêm phần tử, loại bỏ thay đổi độ cứng phần tử mơ hình tính tốn + Đa dạng tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc… + Phần xử lý kết cao cấp cho phép vẽ đồ thị, tính tốn tối ưu… + Có khả nghiên cứu đáp ứng vật lý như: trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng trường điện từ + Giảm chi phí sản xuất tính tốn thử nghiệm + Tạo mẫu kiểm tra cho mơi trường có điều kiện làm việc khó khăn + Hệ thống Menu có tính trực giác giúp người sử dụng định hướng xuyên suốt chương trình ANSYS 1.1.2 Cách cài đặt ANSYS 12 Tiến hành chạy file setup.exe, xuất cửa sổ sau: Thực bước: – Cài đặt môi trường hỗ trợ cho ANSYS – Cài đặt ANSYS – Cài đặt giấy phép sử dụng ( license server) Để cài đặt giấy phép sử dụng, chọn dẫn sau: Sau chọn file ghi thơng số cho phép sử dụng chương trình 1.1.3 Khởi động ANSYS 12 Chọn Start  Programe  ANSYS12.0  Workbench để vào môi trường Workbench ANSYS 1.1.4 Giao diện ANSYS 12 Giao diện ANSYS Workbench có ba phần chính: - Phía cơng cụ hỗ trợ - Phía bên tay trái hộp thoại Toolbox nơi chứa mơ đun mà sử dụng thao tác với phần mềm - Phần hình Project Schematic Trong hộp thoại Toolbox\Analysis system gồm 17 mô đun tương ứng với 17 kiểu tốn phân tích với ANSYS 12 Electric - Điện Explicit Dynamic – Động lực học Fluid flow ( CFX) – Dòng chất lỏng (CFX) Fluid flow ( FLUENT) – Dòng chất lỏng (FLUENT) Harmonic response – Tính tốn đáp ứng điều hịa 10 Và đặt tên vật liệu cần tạo Nylon66+G/F50% Nhấp chuột vào vật liệu vừa tạo chọn Properties để hiệu chỉnh thông số vật liệu hộp thoại sau đây: Tiếp theo xổ Tab Linear Elastic kéo thả “Isotropic Elasticity” vào hộp thoại “Property of Outline Row 4” 202 Thực tương tự trên, kéo thả yếu tố khác vật liệu vào hộp thoại “Property of Outline Row 4” điền thơng số cịn lại vật liệu 203 Sau thiết lập xong thông số, ta quay lại môi trường Project Schematic cách nhấp chuột vào biểu tượng Như ta thiết lập xong thông số cho vật liệu thư viện vật liệu phần mềm phù hợp với yêu cầu tốn Bước 3: Xây dựng mơ hình hình học cho tốn + Chọn phần tử phân tích: Line Bodies Trước xây dựng mơ hình cho tốn ta phải xác định phần tử mà phần mềm để giải toán cách: nhấp chuột phải vào Geometry  chọn Properties Sau hộp thoại xuất hiện, vào Basic Geometry Options  chọn phần tử Line Bodies cách đánh dấu vào ô vng bên phải đóng hộp thoại + Tạo mơ hình khối (Solid) phần mềm ProE 2001 204 Tiến hành xuất file sang ANSYS dạng *.igs Chọn dạng xuất file Solid Chi tiết phân tích dạng khối (Solid Bodies) giống mặc định phần tử tốn phần mềm nên ta khơng phải chọn lại phần tử (Bodies) cho tốn Ngồi ra, ta tạo mơ hình khối phần mềm ANSYS phần mềm khác: AutoCAD, CATIA,… Sau xuất file dạng *.x_t, *.sat 205 + Nhập mơ hình hình học vào phần mềm ANSYS Vào Workbench  nhấp chuột phải lên Geometry  chọn Browse  tìm đến file tạo Sau nhấp đúp chuột vào Model 206 Kết thu sau: Bước 4: Gán vật liệu chia lưới Trong Project  chọn Model  Geometry  Part1: chọn Part Trong Details of Part  Material  chọn vật liệu Nylon66+G/F50% 207 Vào môi trường Mechanical, môi trường ta thấy hộp thoại Outline có chứa bước phải thực để phân tích tốn Các bước trình bày dạng thư mục Chọn Unit  thiết lập đơn vị Metric (mm, kg, N, s, mV, mA) Tiến hành chia lưới phần tử cách: nhấp chuột phải vào Mesh  chọn Generate Mesh Ta vào Details of Mesh để xem điều chỉnh lại thông số chia lưới Bước 5: Đặt ràng buộc tải lên chi tiết + Đặt ràng buộc Nhấp chuột phải vào Static Structural  chọn Insert  Fixed Support  chọn mặt lỗ cần giữ cố định A A’ (sử dụng biểu tượng 208 để chọn mặt)  chọn Apply Details of Fixed Support + Đặt tải trọng Nhấp chuột phải lên Static Structural  chọn Insert  Bearing Load 209 Trong Details of Bearing: o Scope\Geometry: chọn mặt trụ (vị trí B)  chọn Apply o Definition\Define By: Components o X component: 19600 N o Y component = -9800 N Nhấp chuột vào dòng Static Structural để xem kết bước đặt ràng buộc tải trọng: Như ta tiến hành thiết lập xong điều kiện biên cho toán Tiếp theo xử lý xem kết tính tốn phần mềm Bước 6: Xử lý xem kết toán Nhấp chuột phải vào dòng Solution (A6)  chọn Insert  Defomation  Total để xem kết biến dạng tổng 210 Nhấp chuột phải vào dòng Solution (A6)  chọn Insert  Stress  Equivalent (von-Mises) để xem ứng suất 211 Sau chọn lệnh để phần mềm xử lý với kết sau: Kết tính chuyển vị lớn nhất: 2.7073 mm 212 Kết ứng suất lớn nhất: 200.77 MPa * Thảo luận kết mô + Chuyển vị: Với điều kiện biên xác định kết mơ rõ ràng cho thấy rằng: o Chuyển vị lớn gần vị trí lực tác dụng (vị trí B) o Chuyển vị giảm dần từ vị trí lực tác dụng đến vị trí cố định (chuyển vị 0) + Ứng suất: Ứng suất tập trung lớn gần cổ đòn treo, chỗ cong thành mỏng gần lỗ + Kết luận: Với kết mô phần mềm ANSYS, ta xác định kết biến dạng ứng suất, kiểm tra kết cấu chi tiết thiết kế trước tiến hành gia công sản xuất thực tế Từ đó, giảm đáng kể chi phí thời gian chế tạo thử 213 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long Nguyễn Định Giang, Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Đinh Bá Trụ Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử dụng ANSYS, Học viện Kỹ thuật Quân - Bộ môn Gia công áp lực khoa Cơ khí, 2003 [3] Chu Quốc Thắng, Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [4 Vũ Quốc Anh Phạm Thanh Hoan, Tính kết cấu phần mềm ANSYS version 10.0, Nhà xuất Xây dựng, 2006 [5] Fereydoon Dadkhah and Jack Zecher P E, ANSYS Workbench Software Tutorial, Delphi Electronics & Safety - Indiana University - Purdue University Indianapolis [6] T A Stolarski, Y Nakasone and S Yoshimoto, Engineering Analysis with Ansys Software, Tokyo University of Science Brunel University [7] http://www.ansys.com [8] http://courses.cit.cornell.edu/ansys/ [9] http://www.scribd.com/search?query=ansys [10] http//vi.wikipedia.org 215 Giáo trình ANSYS – PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TS Đỗ Thành Trung NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM Số Công trường Quốc tế, Quận 3, TP HCM ĐT: 38 239 172 - 38 239 170 Fax: 38 239 172 E-mail: vnuhp@vnuhcm.edu.vn  Chịu trách nhiệm xuất TS HUỲNH BÁ LÂN Tổ chức thảo chịu trách nhiệm tác quyền TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM Biên tập NGUYỄN ĐỨC MAI LÂM Sửa in THUỲ DƯƠNG Thiết kế bìa TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM GT.01.KT(V) ĐHQG.HCM-13 126-2013/CXB/177-07/ĐHQGTPHCM KT.GT.417 – 13 (T) In 300 khổ 16 x 24cm, Công ty TNHH In Bao bì Hưng Phú Số đăng ký kế hoạch xuất bản: 126-2013/CXB/17707/ĐHQGTPHCM Quyết định xuất số: 126/QĐ-ĐHQGTPHCM cấp ngày 21/6/2013 Nhà xuất ĐHQGTPHCM In xong nộp lưu chiểu Quí II, 2013 ISBN: 978-604-73-1702-8 786047 317028 ... phần mềm ANSYS nói chung dùng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất phản lực Phân tích kết cấu gồm phân tích tĩnh, phân tích động số phân tích kết cấu khác phân tích phổ, phân tích dao... ? ?ứng yên tác động tải trọng, lực hay mơmen lực ANSYS phân tích tốn cho thấy trạng thái ứng suất, biến dạng chi tiết Cũng ứng dụng để kiểm tra độ bền kết cấu, tìm ứng suất vị trí, vị trí chịu ứng. .. xuất kết phân tích sau: + Stress tool – Ứng suất + Deformation – Biến dạng + Strain – Độ giãn dài + Linearized Stress – Ứng suất tuyến tính Trong tốn phân tích tĩnh thường ý tới biến dạng (Deformation)