- MỤC TIÊU: o Tìm được ứng suất, chuyển vị, biến dạng của cơ cấu cần phân tích o Xét sự ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu, độ lớn về lực, phương đặt lực, chia lưới cơ cấucần phân tích o
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
***
BÀI BÁO CÁO HỌC TẬP MÔN ĐỘNG LỰC HỌC MÁY VÀ
KẾT CẤU CƠ KHÍ CHỦ ĐỀ: PHÂN TÍCH CAE VỀ CHI TIẾT ĐẦU BÚA
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: HUỲNH LÊ HỒNG THÁI
SINH VIÊN: NGUYỄN THANH TÍN
MSSV: 62132233
Trang 2Ụ Ụ
I Gi i thi u chung ớ ệ 3
1 Gi i thi u CAE ớ ệ 3
2 Gi i thi u vềề chi tiềết đầều búa ớ ệ 3
3 Công d ng ụ 3
II Các b ướ c phần tích CAE 3
III Phần tích CAE chi tiềết đầều búa 4
1 B ướ c 1: Xầy d ng mô hình 3D bằềng SolidWorks ự 4
2 B ướ c 2: Ch n kiềếu phần tích ọ 5
3 B ướ c 3: Nh p các thông sôế đầều vào cho chi tiềết ậ 5
4 B ướ c 4: Thiềết l p điềều ki n biền ậ ệ 5
5 B ướ c 5: Ch n đ l n l c và m t ph ng đ t l c ọ ộ ớ ự ặ ẳ ặ ự 6
6 B ướ c 6: Chia l ướ 6 i 7 B ướ c 7: Phần tích kềết qu ả 7
IV Tìm hi u vềề nh h ể ả ưở ng c a v t li u, đ l n l c, h ủ ậ ệ ộ ớ ự ướ ng đ t l c, chia l ặ ự ướ i đềến kềết quả 10
1 Bài toán 1: Xét s nh h ự ả ưở ng c a v t li u ủ ậ ệ 10
2 Bài toán 2: Xét s nh h ự ả ưở ng c a đ l n l c ủ ộ ớ ự 12
3 Bài toán 3: Xét s nh h ự ả ưở ng c a h ủ ướ ng đ t l c ặ ự 16
4 Bài toán 4: Xét s nh h ự ả ưở ng c a chia l ủ ướ i đềến 18
5 Kềết lu n ậ 23
V Phần tích tầền sôế dao đ ng t nhiền ộ ự 23
1 Các b ướ c phần tích bài toán tầền sôế dao đ ng t nhiền ộ ự 23
2 Kềết qu phần tích ả 24
3 Kềết lu n ậ 26
Trang 3I GIỚI THIỆU CHUNG:
1 Giới thiệu về CAE:
- CAE là khái niệm để chỉ việc sử dụng phần mềm máy tính để mô phỏng hoạt động của chi tiết,
sản phẩm, từ đó phân tích thiết kế của sản phẩm Việc xây dựng quá trình mô phỏng và phân tíchđòi hỏi người sử dụng có một nền tảng kiến thức về cơ khí, vật lý (ví dụ: lực, ứng lực, ứng suất,biến dạng,…) nhất định
- MỤC TIÊU:
o Tìm được ứng suất, chuyển vị, biến dạng của cơ cấu cần phân tích
o Xét sự ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu, độ lớn về lực, phương đặt lực, chia lưới cơ cấucần phân tích
o Phân tích tần số dao động tự nhiên của chi tiết
- MỤC ĐÍCH:
o Để kiểm tra tính bền của chi tiết đầu búa
o Để mô phỏng hình dáng kết cấu trước khi chế tạo
o Để kiểm tra các tần số riêng của chi tiết
2 Giới thiệu về chi tiết đầu búa :
o Búa là dụng cụ để tạo sức va chạm cho vật khác Búa thường được xài nhiều nhất vào vấn
đề đóng đinh, rèn vũ khí và đập vật dụng khác Búa thường được thiết kế với những mục đích riêng biệt và kích thước,công năng
o Búa thường cầm vừa khít với tay, đầu búa là phần nặng nhất Búa cơ bản được thiết kế để dùng linh hoạt với tay, nhưng cũng có những máy móc hiện đại có chức năng dùng cho vật nặng hơn
o Búa có thế là dụng cụ lâu tuổi nhất được phát hiện Búa đá được biết xuất hiện đầu tiên vào năm 26.000 trước công nguyên
o Kích thước đầu búa được biểu thị bằng các số nguyên tương ứng với kích thước tính bằng milimet
3 Công dụng
- Búa nhổ đinh là sản phẩm chất lượng cao được sử dụng để nhổ đinh, tán đinh trên mọi bề mặt chất liệu đặc trưng trong các góc nhỏ hay phạm vi hẹp cũng mang thể nhổ đinh một phương pháp tiện lợi, tiết kiệm thời kì và công sức ứng dụng phổ biến cho những thợ làm cho lĩnh vực công nghiệp, xây dựng, chế tạo, sang sửa, lắp ráp, sử dụng được cả trong gia đình, giúp bạn hoàn tất công việc một bí quyết nhanh chóng và hiệu quả hơn
II CÁC BƯỚC PHÂN TÍCH CAE:
Để phân tích CAE chi tiết đầu búa ta thực hiện các bước sau:
o Bước 1: Xây dựng lại mô hình 3D bằng Solidworks
o Bước 2: Chọn kiểu phân tích
o Bước 3: Nhập các thông số đầu vào của chi tiết
o Bước 4: Thiết lập các điều kiện biên
o Bước 5: Chọn mặt phẳng đặt lực
Trang 4III PHÂN TÍCH CAE CHI TIẾT ĐẦU BÚA:
1 Bước 1: Xây dựng mô hình 3D bằng Solidworks.
o Bản vẽ 2D của chi tiết đầu búa (như hình 1)
Hình 1: Thông số kích thước 2d của chi tiết đầu búa
- Từ hình 1 ta xây dựng mô hình 3D bằng Solidworks (như hình 2)
Trang 5Hình 2: Mô hình 3d chi tiết đầu búa trên solidworks
2 Bước 2: Chọn kiểu phân tích
- Để phân tích về ứng suất, chuyển vị, biến dạng dưới tác dụng của lực tĩnh ta chọn kiểu phân tích static (tĩnh)
3 Bước 3: Nhập các thông số đầu vào cho chi tiết
- Trên thực tế các chi tiết búa tùy vào mục đích và điều kiện sử dụng khác nhau mà chúng
cũng được chế tạo từ các vật liệu khác nhau
- Trong bài toán này ta chọn chi tiết được chế tạo từ vật liệu Thép C45
(Thép cacbon) có thông số như bảng 1
Bcng 1: Thông số vật liệu C45(1.0503) Din Steel Unalloyed
Elastic Modulus 2.100000031e+11 N/m^2
4 Bước 4: Thiết lập điều kiện biên:
- Chọn các mặt phẳng cố định trong khi làm việc: theo điều kiện làm việc của chi tiết ta chọn phần lỗ để lắp cán búa là điều kiện biên khi làm việc (như hình 3)
Trang 6Hình 3: Thiết lập điều kiện biên
6 Bước 6: Chia lưới
- Chọn kiểu chia lưới tự động của Solidworks (như hình 5) và thông số chia lưới (như bảng 2)
- Tăng mức độ chính xác của phân tích với những chi tiết mà không làm chậm quá trình tính toán
đi nhiều
Trang 7- Khắc phục một số lỗi khi một số part thành phần yêu cầu cỡ phần tử lớn hơn cỡ phần tử trung bình cần thiết của lưới.
Hình 5: Chia lưới mặc định của solidworks
Bcng 2: Thông số chia lưới mặc định của solidworks
7 Bước 7: Phân tích kết quc:
- Bài toán này ta phân tích ứng suất, chuyển vị, biến dạng
a Ứng suất:
Trang 8Hình 6: Kết quc phân tích ứng suất trên solidworks
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được các điểm có ứng suất lớn nhất là tại cổ đầu búa tròn
có độ lớn là 4.363e+07( N/m ) Ứng suất Max cho phép = 5.800e+08 ( N/m ) Hệ số an toàn 2 2 n=13 ( Factory of safety distribution Min FOS)
-b Chuyển vị:
Trang 9Hình 7: Kết quc phân tích chuyển vị
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được các điểm có chuyển vị lớn nhất là khoảng nửa trên mép đầu búa là 9.566e-03(mm)
c Biến dạng:
Trang 10Hình 8: Kết quc phân tích kết quc biến dạng
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được các điểm có biến dạng lớn nhất là trên 2 góc trước của rãnh để lắp cán dao là 1.606e-04
IV TÌM HIỂU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU, ĐỘ LỚN LỰC, HƯỚNG ĐẶT LỰC, CHIA LƯỚI ĐẾN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH:
1 BÀI TOÁN 1: XÉT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU ĐẾN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH:
- Ở bài toán này ta giữ nguyên chi tiết, kiểu phân tích, chia lưới như ở phần III nhưng thay đổi vật liệu chi tiết: 2014 alloy có bảng thông số như bảng 3
Bcng 3: So sánh vật liệu ban đầu và vật liệu thay thế
Property C45 steel 2014 alloy UnitsElastic Modulus 2.100000031e+11 7.3e+10 N/mm^2
Shear Modulus 7.9e+10 2.8e+10 N/mm^2
Tensile Strength 750000000 165445000 N/mm^2
Trang 11Compressive Strength N/mm^2Yield Strength 580000000 96509800 N/mm^2Thermal Expansion Coefficient 1.1e-05 2.3e-05 /K
Thermal Conductivity 14 160 W/(m·K)
Material Damping Ratio 2.100000031e+11 N/A
Ta được kết quc phân tích về ứng suất, chuyển vị, biến dạng:
a Ứng suất:
Hình 9: Kết quc phân tích ứng suất của solidworks
Ứng suất lớn nhất tại cổ đầu búa tròn có độ lớn bằng 4.269e+07 (N/m ) Ứng suất lớn nhất 2cho phép bằng 96509800 (N/m ) Hệ số an toàn n=2.2612
b .Chuyển vị:
Trang 12- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được chuyển vị lớn nhất có độ lớn 2.811e-02 mm tại
vị trí khoảng nửa trên mép đầu búa
c.Biến dạng:
Hình 11: Kết quc phân tích biến dạng trên solidworks
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được các điểm có biến dạng lớn nhất là trên 2 góc trước của rãnh để lắp cán dao có độ lớn là 4.701e-04
Bcng 4: So sánh cnh hưởng của vật liệu đên kết quc phân tích
Kết luận: Khi thay đổi vật liệu từ C45 steel sang vật liệu 2014 alloy thì thay đổi về ứng suất Max
cho phép từ 5.800e+08N/m^2 thành 1.723e+008 N/m^2 Ứng suất thay đổi rất nhỏ gần như khôngđáng kể Các thông số như chuyển vị, biến dạng có thay đổi đáng kể lớn hơn so với thép cacbonC45 do độ dẻo của nhôm cao hơn so với thép cacbon C45
2 BÀI TOÁN 2: XÉT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ LỚN LỰC ĐẾN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH:
Thông số C45 steel
(Thép cacbon) 2014 alloyỨng suất 4.363e+07 4.269e+07
Chuyển vị 9.566e-03 2.811e-02
Biến dạng 1.606e-04 4.701e-04
Ứng suất Max cho phép 5.800e+08 9.651e+07
Trang 13Ở bài toán này ta giữ nguyên chi tiết, kiểu phân tích, chia lưới như ở phần III nhưng thay đổi độlớn lực F.
Kết quc phân tích ứng suất, chuyển vị, biến dạng:
a Ứng suất:
Hình 12: Kết quc phân tích ứng suất
- Ứng suất lớn nhất xuất hiện tại mặt phẳng giao nhau giữa cổ dưới của đầu búa
- Ứng suất lớn nhất có độ lớn 5.236e+07 (N/m2) Ứng suất cho phép lớn nhất =5.800e+08( N/m2) Hệ số an toàn n=11
b Chuyển vị:
Trang 14Hình 13: Kết quc phân tích chuyển vị
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được chuyển vị lớn nhất có độ lớn 1.148e-0.2 mm tại
vị trí nửa mép trên đầu búa
c Biến dạng:
Hình 14: Kết quc phân tích biến dạng
- Dựa vào kết quả phân tích ta xác định được các điểm có biến dạng lớn nhất là trên hai góc trước của rãnh lắp cán dao có độ lớn là 1.972e-04
Kết luận: Khi thay đổi độ lớn lực tác dụng từ F= 5000 (N) thành F= 6000(N) thì thay đổi các thông
số về ứng suất, chuyển vị, biến dạng
- Ta có bảng kết quả phân tích ứng suất, chuyển vị, biến dạng của các lực F=4000N, F= 4500N, F= 5000N, F= 5500N, F= 6000N như bảng 5
Trang 15Bcng 5: Bcng tổng hợp lực khi thay đổi lực
(mm) 7.65E-03 8.61E-03 9.57E-03 1.05E-02 1.15E-02
Biến dạng 1.29E-04 1.45E-04 1.61E-04 1.77E-04 1.93E-04
Ứng suất
Max cho
phép
5.80E+08 5.80E+08 5.80E+08 5.80E+08 5.80E+08
- Từ bảng ta có biểu đồ về mối quan hệ giữa độ lớn lực và ứng suất sinh ra trên đầu búa (như hình 15)
Hình 15 : Biểu đồ quan hệ nội lực và ứng suất
Hình 16: Biểu đồ quan hệ
về độ lớn lực và chuyển vị
Chuy n v (mm) ể ị
Trang 16Hình 17: Biểu đồ quan hệ về độ lớn lực và biến dạng
Kết luận: mối quan hệ của lực với các thông số trên là tuyến tính
3 BÀI TOÁN 3: XÉT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HƯỚNG ĐẶT LỰC ĐẾN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
- Ở bài toán này ta giữ nguyên chi tiết, kiểu phân tích, chia lưới như ở phần III nhưng thay đổi hướng đặt lực
Hình 18: Chọn hướng đặt lực
Trang 18Hình 21: Kết quc phân tích biến dạng
Kết luận: Khi thay đổi hướng đặt lực thì thay đổi hướng ứng suất, chuyển vị, biến dạng còn các thông số độ lớn không thay đổi
4 BÀI TOÁN 4: XÉT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIA LƯỚI ĐẾN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH:
- Ở bài toán này ta giữ nguyên chi tiết, kiểu phân tích, hướng đặt lực, các điều kiện biên như ở phần III nhưng thay đổi cách chia lưới
4.1 Chia kích thước lưới lớn nhất (lưới thô) trên phần mềm Solidworks
Bcng 7: Thông số chia lưới thô
Trang 19Hình 22: Lưới chia lớn nhất của solidworks
Kết quc: Phân tích về ứng suất, chuyển vị, biến dạng:
a Ứng suất:
Trang 20Hình 23: Kết quc phân tích ứng suất khi lưới chia lớn nhất
b Chuyển vị:
Hình 24: Kết quc phân tích chuyển vị
Trang 21c Biến dạng:
Hình 25: Kết quc phân tích biến dạng
4.2 Chia kích thước lưới nhỏ nhất (lưới tinh) trên phần mềm Solidworks:
Hình 26: Lưới chia nhỏ nhất của solidworks KẾT QUẢ: Phân tích ứng suất, chuyển vị, biến dạng:
a Ứng suất :
Bcng 5: THÔNG SỐ CHIA LƯỚI TINH
Trang 22Hình 27: Kết quc phân tích ứng suất
Ứng suất (N/m2) 4.37E+07 3.811e+07 5.506e+07
Trang 23Chuyển vị(mm) 9.57E-03 9.491e-03 9.636e-03
Biến dạng 1.61E-04 1.336e-04 2.295e-04
Ứng suất Max cho phép 5.800e+08 5.800e+08 5.800e+08
5 KẾT LUẬN:
a Độ bền
- Khi thay đổi vật liệu C45 steel (thép cacbon) thành 2014 alloy (hợp kim nhôm) ta thấy ứng suất thay đổi từ 4.363e+006 thành 4.269e+006( ít thay đổi) , chuyển vị , biến dạng thay đổi đáng kể khi đổi vật liệu khác từ thép sang nhôm nhưng vẫn đủ bền
- Độ lớn lực khi thay đổi từ 5000 (N) thành 6000 (N) cho thấy chi tiết đầu búa có độ bền giảm dần khi lực tăng cụ thể hệ số an toàn ở lực 5000 (N) n=13 , hệ số an toàn khi thay đổi lực ở 6000 (N) n= 11 Điều này dễ hiểu vì khi tăng lực lên ứng suất tác dụng lên vật sẽ tăng lên nên độ bền sẽ giảm đi.Từ biểu đồ cho thấy khi thay đổi lực các thông số ứng suất, chuyển vị, biến dạng thay đổi tuyến tính(tỉ lệ thuận)
- Ảnh hưởng của hướng đặt lực khi thay đổi lực kéo tại đầu búa cho thấy ứng suất, chuyển vị
và biến dạng của chi tiết không thay đổi Khi thay đổi hướng đặt lực cho thấy hướng ứng suất, chuyển vị, biến dạng thay đổi
- Qua phân tích ta thấy việc chia lưới có ảnh hưởng lớn đến ứng suất, chuyển vị, biến dạng Khi lưới càng tinh thì ứng suất, chuyển vị, biến dạng sẽ tăng lên Vì vậy khi lưới càng tinh
sẽ cho kết quả đáng tin cậy hơn nhưng sẽ tốn thời gian xử lý nhiều hơn nên để tối ưu tốt hơnchúng ta sử dụng lưới mặc định của solidworks để sai số ít hơn lưới thôi và xử lý nhanh hơnlưới tinh
b Kiến nghị
- Để chi tiết có các thông số tốt hơn về hệ số an toàn, ứng suất, biến dạng, chuyển vị thì ta có thể áp dụng các cách sau:
o Tăng kích thước chi tiết lên
o Thay đổi các vật liệu có các thông số kỹ thuật tốt hơn
o Tăng đường kính cổ để giảm ứng suất cho cổ búa
V PHÂN TÍCH TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN
1 Các bước phân tích bài toán tần số dao động tự nhiên
o Bước 1: Sử dụng lại mô hình 3d bên trên
o Bước 2: Chọn kiểu phân tích frequency( phân tích tần số)
o Bước 3: Nhập các thông số đầu vào của chi tiết
o Bước 4: Thiết lập các điều kiện biên
o Bước 5: Chia lưới
o Bước 6: Phân tích kết quả
Lưu ý: Vì là phân tích tần số dao động riêng của chi tiết nên không có bước đặt lực vào chi tiết
Trang 242 Kết quả phân tích
a Mode shape 1
Hình 30: Kết quc phân tích tần số dao động tự nhiên
- Dựa trên kết quả phân tích ta thấy được Ở tần số 3691.4Hz thì biên độ dao động lớn nhất của đầu búa là 8.278e+00mm
2 Mode shape 2
Trang 25Hình 31: Kết quc phân tích tần số dao động tự nhiên
- Dựa trên kết quả phân tích ta thấy được Ở tần số 4014.1 Hz thì biên độ dao động lớn nhất của đầu búa là 9.097e+00mm
3 Mode shape 3
Hình 32: Kết quc phân tích tần số dao động tự nhiên
- Dựa trên kết quả phân tích ta thấy được Ở tần số 4449.7 Hz thì biên độ dao động lớn nhất của đầu búa là 4.831e+00mm
4 Mode shape 4
Trang 26Hình 33: Kết quc phân tích tần số dao động tự nhiên
- Dựa trên kết quả phân tích ta thấy được Ở tần số 5669.7Hz thì biên độ dao động lớn nhất của đầu búa là 5.216e+00mm
5 Mode shape 5
Hình 34: Kết quc phân tích tần số dao dộng tự nhiên
- Dựa trên kết quả phân tích ta thấy được Ở tần số 8821.5 Hz thì biên độ dao động lớn nhất của đầu búa là 1.416e+01mm
Mode No Freq (Hertz) X direction Y direction Z direction
Trang 27KẾT LUẬN :
- Các tần số riêng của chi tiết : 3691.4;4014.1;4449.7;5669.7;8821.5 Chúng ta cần tránh các ngoại lực cưỡng bức có tần số gần bằng các tần số trên để hạn chế xảy ra các hiện tượng cộng hưởng gây phá hủy chi tiết
- Mode 5 có biên độ dao động lớn nhất 1.416e+01mm khi tần số 8821.5Hz