Sử dụng ansys phân tích cấu trúc cơ cấu tay quay con trượt trong động cơ đốt trong,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… …………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ………… Ngày 01 tháng 05 năm 2012 GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LỜI CẢM ƠN Trước vào thuyết trình chi tiết, nhóm Nghiên Cứu Khoa Học chúng em gồm thành viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhà trường trước hết, tạo điều kiện cho chúng em có hội học tập nghiên cứu Tạo sân chơi bổ ích cho sinh viên chúng em rèn luyện, qua chúng em trau dồi thêm kiến thức, tầm hiểu biết kỹ tự nghiên cứu, thuyết trình…Thơng qua nghiên cứu nhỏ này, chúng em thêm tự tin thêm chững chạc để trở thành kỹ sư tương lai Chúng em xin cảm ơn thầy giáo : Thạc Sĩ Đỗ Thọ Trường giáo viên hướng dẫn chúng em suốt trình làm bài, sát bảo tận tình giúp đỡ để chúng em hồn thành tốt nghiên cứu Qua đây, chúng em gửi lời cảm ơn tới kỹ sư, anh chị trước diễn đàn khí Việt Nam trao đổi cho chúng em kinh nghiệm phần mềm kĩ học tập Bài Nghiên Cứu Khoa Học chúng em lần đầu tiếp cận với phần mềm tương đối khó nên cịn nhiều thiếu sót cịn sai số vấn đề chưa hiểu hết chất nó.Nhưng thành công sức mà chúng em bỏ tìm tịi, học hỏi nghiên cứu Mong qua Nghiên Cứu Khoa Học này, giúp cho bạn sinh viên ngành kỹ thuật có thêm nhìn Ansys học tập phần mềm hữu ích này, đưa Ansys thành cơng cụ khơng thể thiếu kỹ sư tương lai GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây, nhờ phát triển cơng cụ tốn với phát triển máy tính điện tử, thiết lập hồn thiện phần mềm cơng nghiệp, sử dụng để giải toán học vật rắn, học thuỷ khí, tốn động, tốn tường minh khơng tường minh, tốn tuyến tính phi tuyến, tốn trường điện từ, toán tương tác đa trường vật lý ANSYS phần mềm mạnh phát triển ứng dụng rộng rãi giới, đáp ứng yêu cầu nói học Qua tính ưu việt phần mềm Ansys, Chúng ta nhận thấy việc tìm hiểu rõ phần mềm mạnh cho người kỹ sư để làm cho cơng việc giảm nhẹ hiệu cao Vì mơi trường đại học, việc nghiên cứu phần mềm nhiệm vụ cần thiết có ý nghĩa, nhằm trang bị thêm kiến thức cho công việc sau Mục đích Nghiên Cứu Khoa Học mà chúng em làm phân tích lực cấu tay quay- trượt phần mềm Ansys, qua thấy sức bền cấu bên ngồi thực tế mà khơng phải qua trải nghiệm thực tế, điều có ý nghĩa ngành khí nói riêng ngành kỹ thuật nói chung Trong phạm vi Nghiên Cứu Khoa Học này, chúng em đề cập đến ứng dụng cấu tay quay – trượt, cấu trục khuỷu – truyền – piston động đốt Dựa kiến thức học trường quan sát thực tế, thông qua trợ giúp phần mềm Ansys Chúng em mơ hình hóa cấu đưa vào mơi trường Ansys để phân tích lực, tính bền cho cấu Thơng qua đó, có nhìn tổng quan sức chịu đựng làm việc cấu thực tế đưa phương chế tạo sản xuất hợp lí GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phân tích động học cấu Hình 1.2 Phân tích động lực học cấu Hình 2.1 Giao Ansys Worbench Interface Hình 2.2 Các mơ đun phân tích mà Ansys Worbench hỗ trợ Hình 2.3 Giao diện phần Project Schematic Hình 2.4 Giao diện Ansys Worbench Design Modeler Hình 2.5 Nhóm lệnh tạo hình Hình 2.6 số lệnh nhóm lệnh tạo khối Hình 2.7 Giao diện Ansys Worbench Mechanical Hình 2.8 Nhóm lệnh chia lưới Hình 2.9 Nhóm lệnh xử lí Hình 2.10 Nhóm lệnh phân tích Hình 3.1 Mơ hình 3D trục khuỷu Hình 3.2 Kích thước trục khuỷu Hình 3.3 ; 3.4 Hình 3D kích thước Thanh Truyền Hình 3.5; 3.6 Mơ hình 3D Piston Hình 3.7 Kích thước Piston Hình 3.8 Cơ cấu tách rời chi tiết Hình 3.9 Mơ hình hồn chỉnh sau lắp ráp Hình 3.10 Chọn vật liệu cho toàn cấu Hinh 3.11 Cơ cấu sau nhập vào Ansys Worbench Hình 3.12 Chia lưới cho cấu Hình 3.13.Vị trí độ lớn lực Hình 3.14 Vị trí hóa cứng Hình 3.15; 3.16 Kết phân tích biến dạng theo hướng Hình 3.17 Kết phân tích theo biến dạng tổng thể Hình 3.18 ; 3.19 Kết phân tích theo ứng suất nén Hình 3.20 Kết phân tích toán GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH MỤC LỤC CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.1 Bài Toán Động Học Và Động Lực Học Cơ Cấu 1.1.1 Bài toán động học 1.1.2 Bài Toán Động Lực Học 10 1.2 Khái Niệm Cơ Bản Và Các Bước Thực Hiện Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn 12 1.2.1 Khái niệm 12 1.2.2 Mơ Hình Bài Tốn 12 1.2.3 Ưu Nhược Điểm Của Phương Pháp 12 1.2.4 Các Bước Thực Hiện 13 1.3 Ứng Dụng Của Phương Pháp 14 CHƯƠNG II : TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM ANSYS 15 2.1 Giới Thiệu Chung Công Ty ANSYS Sản Phẩm Phần Mềm Ansys 15 2.1.1 Giới Thiệu Về Công Ty ANSYS 15 2.1.2.Giới Thiệu Về Phần Mềm Ansys 15 2.2 Kết Cấu Chương Trình Và Các Nhóm Lệnh Của Ansys Worbench 19 2.2.1.Ansys Worbench Interface 20 2.2.2 Ansys Worbench Design Modeler 23 2.2.3 Ansys Worbench Mechanical 25 2.3 Ứng Dụng Của Ansys 27 GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CHƯƠNG III : SỬ DỤNG ANSYS WORBENCH ĐỂ PHÂN TÍCH CƠ CẤU 28 TAY QUAY – CON TRƯỢT 28 3.1 Xây Dựng Mơ Hình Cơ Cấu 28 3.1.1 Tổng Quan Về Phần Mềm Unigraphic NX 29 3.1.2 y Dựng Mơ Hình 3D Cơ Cấu Tay Quay - Con Trượt 30 3.2 Đặt Lực Và Phân Tích Lực 37 3.2.1 Chọn Vật Liệu 37 3.2.2 Nhập Cơ Cấu 38 3.2.3 Chia Lưới 39 3.2.4 Đặt Lực Và Chọn Chi Tiết Hóa Cứng 40 3.2.5 Giải Toán Theo Các Điều Kiện Cho Trước 41 3.3.Kết Quả 42 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 48 GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CƠ CẤU TAY QUAY CON TRƯỢT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.1 Bài Toán Động Học Và Động Lực Học Cơ Cấu 1.1.1 Bài tốn động học a) Chuyển vị: Hình 1.1 Phân tích động học cấu - x = ĐCTO – AO = L + R – (Lcosβ + Rcosα) Đặt λ = R/L tham số kết cấu, thay λ vào ta được:   1  x = R   1   cos   cos  1       GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII - ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đây cơng thức tính chuyển vị pittong Xét tam giác AOC, ta có: L R R   sin   sin    sin  sin  sin  L  cos    sin    2 sin  - Khai triển nhị thức Newton, ta có:  cos    2 sin   1/ 1    1. sin   sin  2   1    Bỏ qua thành phần bậc 4, ta được: cos    2 sin  thay vào (1)     x = R 1  cos    1  cos 2   x1  x2   Trong đó: x1 = R(1-cosα) x2 = R  1  cos 2  b) Vận tốc: - Lấy đạo hàm x theo thời gian, ta được: dx dx d dx d 1  v     .R sin   sin   dt d dt d d   - Ta lại có: sinβ = λsinα, đạo hàm vế : d d cos  cos    cos    d d cos  sin(   )  v =  R(sinα + tgβ.cosα) = R cos  - Công thức gần đúng: v =  R(sinα + λ/2.sin2α) = v1 + v2 Trong đó: v1 =  Rsinα v2 =  R.λ/2.sin2α c) Gia tốc: - Đạo hàm v theo thời gian, ta được: GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII j - ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC  d sin(   )  cos   sin(   ).d cos   dv dv d dv        R dt d dt d cos      d  d   1  d  cos(   ) cos   sin(   ) sin  d      R   cos        d cos  Thay vào phương trình  d cos   cos(   ) cos     j   R   cos    cos  - Công thức gần đúng: j =  R(cosα + λcos2α) = j1 + j2 Trong đó: j1 =  R.cosα j2 =  R.λcos2α GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 10 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 1.1.2 Bài Toán Động Lực Học Trong trình làm việc, cấu truyền chịu tác dụng lực như: lực quán tính chi tiết chuyển động, lực mơi chất cháy giãn nở nén sinh (lực khí thể), lực masat trọng lực Các lực thay đổi độ lớn lẫn phương chiều trừ trọng lực thân Hình 1.2 Phân tích động lực học cấu a) Lực quán tính: - Pj = -m.j = -mR  (cosα + λcos2α) = Pj1 + Pj2 Trong Pj1 = -mR  cosα lực quán tinh cấp Pj2 = -mR  λcos2α lực quán tính cấp - Chu kỳ lực qn tính cấp sau vịng quay trục khuỷu, lực qn tính cấp la sau ½ vòng quay trục khuỷu GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 34 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 3.7 Kích thước Piston GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 35 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC d) Lắp Ráp Các Chi Tiết Để Được Cơ Cấu Hồn Chình Cơng đoạn lắp ghép chi tiết cấu phần quan trọng để tạo nên cấu hồn chỉnh Cơng việc thực môi trường làm việc phần mềm Unigraphic NX Hình 3.8 Cơ cấu tách rời chi tiết GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 36 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 3.9 Mơ hình hồn chỉnh sau lắp ráp GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 37 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2 Đặt Lực Và Phân Tích Lực Trong q trình giải tốn này, cấu động, chúng em đưa cấu tĩnh cho việc giải toán dễ dàng, vậy, với cách đặt lực cách chọn kiểu phân tích kết toán thu sát với cấu động Mơ đun mà chúng em chọn để phân tích cấu toán Static Structral Đây mơ đun dùng để chun phân tích cấu tĩnh thực tế với kết thu xác 3.2.1 Chọn Vật Liệu Việc chọn vật liệu cho cấu khâu quan trọng , ảnh hưởng nhiều đến kết tính tốn Cơng đoạn chọn vật liệu cho cấu tiến hành tùy chọn Engineering Data mô đun Static Structral Ở ta chọn vật liệu đồng cho toàn cấu thép ( Structural steel) Hình 3.10 Chọn vật liệu cho tồn cấu GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 38 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2.2 Nhập Cơ Cấu Trong Ansys Worbench Interface, phần Project Schematic, nơi ta nhập cấu tùy chọn Geometry Trong modul Static Structral, ta chọn cấu cấu tay quay- trượt vừa vẽ với định dạng file : *.igs Hinh 3.11 Cơ cấu sau nhập vào Ansys Worbench GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 39 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2.3 Chia Lưới Chúng ta sử dụng công cụ chia lưới tự động Ansys Worbench Việc chia lưới tự động dựa tính tốn tự động phần mềm thông qua phương pháp phần tử hữu hạn lập trình sẵn Hình 3.12 Chia lưới cho cấu GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 40 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.2.4 Đặt Lực Và Chọn Chi Tiết Hóa Cứng Ta chọn vị trí đặt lực đỉnh piston q trình hoạt động đỉnh piston nơi chịu lực nhiều Ở ta chọn độ lớn lực đặt vào đỉnh piston 1000N chiều lực hướng xuống hình vẽ Để đặt lực ta chọn tùy chọn Force phần Load, chọn mặt cần đặt lực , chọn hướng tác dụng độ lớn lực Hình 3.13.Vị trí độ lớn lực GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 41 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chi tiết chọn hóa cứng chỗ tiếp xúc trục khuỷu với truyền Hình 3.14 Vị trí hóa cứng 3.2.5 Giải Toán Theo Các Điều Kiện Cho Trước Ở đây, ta giải toán cấu theo điều kiện với kiện xác lập : - Biến dạng theo hướng ( Directional Deformation ) Biến dạng tổng thể ( Total Deformation ) Ứng suất nén ( Normal Stress ) Sau chọn xong điều kiện để giải toán, ta cho Ansys Workbench tự động giải với tùy chọn Solve GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 42 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.3.Kết Quả Sau qua bước trên, ta thu kết phân tích mong muốn Kết giải tốn thu hình : - Kết biến dạng theo hướng : Hình 3.15; 3.16 Kết phân tích biến dạng theo hướng GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII - 43 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Kết biến dạng tổng : Hình 3.17 Kết phân tích theo biến dạng tổng thể GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII - 44 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Kết theo ứng suất nén : Hình 3.18 ; 3.19 Kết phân tích theo ứng suất nén GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII - 45 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Kết tổng hợp Sau giải toán, Ansys workbench cung cấp cho người dùng báo cáo tổng kết hoàn chỉnh, ta tìm thấy liệu liên quan đến cấu toán như: khối lượng, kích thước cấu, đặc tính vật liệu, trình chia lưới, kết tốn… Sau báo cáo cho kết toán trích từ báo cảo tổng kết : Hình 3.20 Kết phân tích tốn GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 46 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KẾT LUẬN Qua việc phân tích tốn cấu tay quay – trượt trên, phần hiểu cách làm việc Ansys Workbench Với liệu đầu vào kết bải toán thu được, dễ dàng nhận thấy lợi ích mà Ansys mang lại cho người dùng, qua vài thao tác đơn giản, cho kết có ý nghĩa cơng việc tính tốn cấu, chế tạo cấu để đem lại hiệu cao Cũng qua toán này, thấy tầm quan trọng việc tính tốn bền trước đưa cấu vào thực tế việc ứng dụng phần mềm Ansys vào việc tính bền ln ln cần thiết Đối với toán khác, : tính tốn dịng chảy, tính tốn thủy lực, kết cấu… Ansys ln cung cấp mơ đun khác để phù hợp với yêu cầu đề Vì để làm việc tốt mơi trường Ansys nhằm đạt kết tối ưu công việc việc tìm hiểu học phần mềm điều quan trọng, để làm điều người kỹ sư phải khơng ngừng học hỏi sách, báo, mạng kinh nghiệm người trước Nhận thấy cấp thiết tầm quan trọng việc tính tốn bền cấu có khí nói riêng cấu, kết cấu khoa học nói chung Sau nghiên cứu này, mong đưa lại cho lựa chọn đắn hợp lí việc đưa phần mềm Ansys vào việc giảng dạy khối ngành kỹ thuật để tương lai Ansys trở thành phần mềm thiếu kỹ sư Sau nghiên cứu này, chúng em có thêm lựa chọn cho công việc sau bắt tay vào tìm hiểu sâu Ansys Chúng em mong rằng, phần mềm phổ biến rộng rãi sinh viên kỹ thuật sử dụng nhiều ngành kỹ thuật Việt Nam GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC 47 TRƯỜNG ĐH GTVT CSII ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Phước Ninh (2000), Nguyên lí máy, NXB Giao Thông Vận Tải Nguyễn Duy Tiến (2006), Ngun lí động đốt trong, NXB Giao Thơng Vận Tải Ansys Workbench, Ansys Inc GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC TRƯỜNG ĐH GTVT CSII 48 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC PHỤ LỤC GVHD:TH.S ĐỖ THỌ TRƯỜNG SVTH: CAO VĂN TUẤN – LÊ THANH TRÚC