Chương 5 phương pháp phần tử hữu hạn

Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TS Lê Thanh Long ltlong@hcmut.edu.vn Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM Nội dung 5.1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu 5.2 Các mơ hình phương pháp PTHH 5.3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) – Finite Element Method (FEM) phuơng pháp tổng quát hữu hiệu cho nhiều toán kỹ thuật khác • Phương pháp PTHH giúp phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng kết cấu khí, chi tiết tơ, máy bay, tàu thủy, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến toán truyền nhiệt, học chất lưu, khí lỏng đàn hồi, điện-từ trường Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu • Phương pháp PTHH chia kết cấu cơng trình thành số hữu hạn phần tử Các phần tử nối với điểm định trước, thường đỉnh biên phần tử gọi nút • Việc tính tốn kết cấu cơng trình đưa tính tốn phần tử kết cấu, sau kết nối phần tử lại với ta lời giải kết cấu cơng trình hồn chỉnh • Đặc điểm phương pháp tính tốn nhiều biến khối lượng tính tốn lớn Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu Sử dụng phương pháp PTHH chia kết cấu thành phần tử để phân tích ứng suất biến dạng Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.2 Các mơ hình phương pháp PTHH Tùy theo ý nghĩa vật lý hàm nội suy, ta phân tích tốn theo loại mơ hình sau: • Mơ hình chuyển vị: xem chuyển vị đại lượng cần tìm hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố chuyển vị phần tử • Mơ hình cân bằng: hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố ứng suất hay nội lực phần tử • Mơ hình hỗn hợp: coi đại lượng chuyển vị ứng suất yếu tố độc lập riêng biệt Các hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố chuyển vị lẫn ứng suất Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH Các phần mềm phần tử hữu hạn thị trường khác cách sử dụng giao diện, có phần chính: • Tạo mơ hình tính (Pre-processing) • Tính tốn (Processing) • Xử lý kết (Post-processing) Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH Tạo mô hình tính (Pre-processing):  Chọn kiểu phần tử: Phần tử phẳng, khối, phần tử bậc thấp, bậc cao cho phù hợp với hình dạng, kích thước kiểu chịu tải vật thể Khai báo vật liệu: khai báo tính chất vật liệu chế tạo vật thể module đàn hồi, hệ số Poison, khối lượng riêng, v.v  Chia lưới: Chọn loại lưới cần chia, chọn miền để chia theo kiểu lưới khác  Đặt điều kiện biên: Lựa chọn ràng buộc bậc tự nút đặc biệt mối liên kết phần tử với nhau, phần tử với giá Đặt tải trọng lên vật lực tập trung, lực phân bố, moment, áp suất, v.v Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH Tính tốn (Processing): Các phần mềm phần tử hữu hạn thường có khả phân tích tốn sau:  Tính tốn cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis)  Tính tốn dạng dao động (Modal Analysis)  Tính tốn bất ổn định (Buckling Analysis)  Tính tốn cấu trúc phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis)  v.v Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH Xử lý kết (Post-Processing): Phần xử lý kết cung cấp hình ảnh trực quan kết tính tốn phần mềm Phần cho phép người dùng thực thao tác khác dựa kết mô như:  Hiển thị trường khác (áp suất, vận tốc, ứng suất…) chế độ biên dạng khác thay đổi chế độ cách linh hoạt  Thay đổi chế độ hình học tỉ lệ biến dạng  Đo kết điểm tùy chọn đường biên dạng  Xuất đồ thị theo biến chọn trước (X,Y,Z,t…), liệu số kết mô 10 Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH RDM RDM phần mềm hữu ích việc thiết kế tính tốn bền kết cấu Phần mềm phổ biến Pháp năm 1970 11 Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH Ansys Trong xây dựng, ANSYS giải tốt toán liên quan đến học đất, đàn nhớt, kết cấu xây dựng, tượng nứt sinh nhiệt bê tông, khảo sát vật liệu xây dựng loại kết cấu liên hợp 12 Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH Ansys Trong khí, ANSYS liên kết với phần mềm thiết kế mơ hình hình học 2D 3D để phân tích trường ứng suất biến dạng, nhiệt, tốc độ dịng chảy, xác định độ mòn, mỏi phá hủy chi tiết Nhờ việc xác định tìm thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo 13 Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH Abaqus Hiện ABAQUS phần mềm lớn, cơng trình dùng để mơ làm việc cơng trình phương pháp số Nói cách khác, ABAQUS phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn ứng suất, biến dạng, chuyển vị, giao động,… ứng xử khác cơng trình tác động ngoại nội lực, lực tĩnh động 14 Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 5.4 Giới thiệu số phần mềm PTHH COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics công cụ mô trực quan vượt trội tính ứng dụng mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cơng nghệ âm học, sinh học, hóa học, điện tử, học lượng tử, học kết cấu, địa vật lý, … linh hoạt việc thiết kế áp dụng thuật tốn vào mơ hình 15 Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG-HCM 16 Bộ mơn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí ... ĐHQG-HCM 5. 1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) – Finite Element Method (FEM) phuơng pháp tổng quát hữu hiệu cho nhiều toán kỹ thuật khác • Phương pháp. .. ĐHQG-HCM 5. 1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu • Phương pháp PTHH chia kết cấu cơng trình thành số hữu hạn phần tử Các phần tử nối với điểm định trước, thường đỉnh biên phần tử gọi nút... Bách khoa - ĐHQG-HCM Nội dung 5. 1 Phương pháp PTHH tính tốn thiết kế kết cấu 5. 2 Các mơ hình phương pháp PTHH 5. 3 Cấu trúc chung phần mềm PTHH 5. 4 Giới thiệu số phần mềm PTHH Bộ môn Thiết kế