trình bày giới thiệu chương trình ANSYS
GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 17 Luận văn tốt nghiệp C C H H Ư Ư Ơ Ơ N N G G 3 3 : : G G I I Ơ Ơ Ù Ù I I T T H H I I E E Ä Ä U U C C H H Ư Ư Ơ Ơ N N G G T T R R Ì Ì N N H H A A N N S S Y Y S S * * * * * * 3.1 Tổng quan về phần mềm ANSYS: Công ty ANSYS thành lập vào năm 1970 tại Canonsburg – ban Pennsylvania – Hoa Kỳ, phát triển và thương mại hóa toàn cầu các phần mềm mô phỏng kỹ thuật và công nghệ. Gói phần mềm này được các kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng rộng rãi trong lónh vực công nghiệp. Công ty tập trung phát triển các giải pháp linh hoạt cho phép người dùng tiến hành phân tích các bản thiết kế trực tiếp trên máy tính, cung cấp môi trường nền chung cho việc phát triển sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả với chi phí hợp lý từ giai đoạn thiết kế ý tưởng đến giai đoạn thử nghiệm cuối cùng và kiểm nghiệm bằng thực tế. Công ty và mạng lưới đối tác (Channel Partners) toàn cầu với hơn 20 điểm bán hàng chiến lược và các chi nhánh trên khoảng 40 quốc gia, có khoảng 1600 nhân viên thực hiện việc phân phối sản phẩm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo nhân lực. 3.2 Các module của ANSYS: 3.2.1 ANSYS/ Structural: Tính toán cấu trúc tónh (Structural Static Analysis) Tính toán dạng dao động (Modal Analysis) Tính toán đáp ứng điều hòa (Harmonic Response Analysis) Tính toán động lực học quá độ (Transient Dynamic Analysis) Tính toán bất ổn đònh (Buckling Analysis) Tính toán cấu trúc phi tuyến (Nonlinear Structural Analysis) 3.2.2 ANSYS/ Linear Plus: Giải quyết các bài toán tónh, bài toán động dạng tuyến tính Plus sẽ bổ sung phần tính toán phi tuyến như độ võng, độ cứng, phần tử tiếp xúc 3.2.3 ANSYS/ Flotran: Giải quyết các vấn đề về động lực học lưu chất (CFD- Computational fluid dynamics), các bài toán về dòng lưu chất, và nhiệt Phân tích dòng chảy tầng hay rối (Laminar or Turbulent Flows) Phân tích nhiệt của lưu chất (Thermal Fluid Analysis) Các điều kiện đoạn nhiệt (Adiabatic Conditions) Dòng chảy trên bề mặt không ràng buộc (Free surface Flow) Dòng lưu chất nén, không nén được (Compressible or incompressible Flows) Lưu chất Newtonian, Non-Newtonian (Newtonian or Non-Newtonian Flows) Sự lưu chuyển của nhiều loại chất (Multiple species transport) GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 18 Luận văn tốt nghiệp 3.2.4 ANSYS/ Emag 2-D, 3-D: Giải quyết các bài toán về trường điện từ và sóng điện từ. Trường cặp đôi từ - nhiệt (coupled magnetic thermal analyses), ví dụ lò cảm ứng Trường cặp đôi từ – cấu trúc (magnetic structural analyses). 3.2.5 ANSYS/ Mechanical: Tính toán cả tuyến tính và phi tuyến, cấu trúc và nhiệt, tónh và động. Giải quyết các bài toán về chế tạo máy và xây dựng. Có khả năng tính toán các bài toán động lực học, truyền nhiệt, âm học, điện áp. Không tính được các bài toán về trường điện từ, động lực học dạng tường minh (explicit dynamic analyses), động lực học lưu chất (CFD) 3.2.6 ANSYS/ ED: Phục vụ cho việc giáo dục và đạo tạo trong trường học, viện và tự học. Có khả năng như một ANSYS/ Multiphysics, bao gồm cả trường điện từ và động lực học lưu chất. Tuy nhiên, còn hạn chế về kích cỡ mô hình tónh. Không giải được các bài toán về vật liệu Composite. 3.2.7 ANSYS/ PrepPost: Có khả năng tính toán như ANSYS/ Multiphysics. Hai khả năng Preprocessing và Postprocessing được thiết kế rất mạnh mẽ để tính các bài toán có mô hình lớn. 3.2.8 ANSYS/ Thermal: Tính toán phân bố nhiệt, truyền nhiệt. Tính toán trường cặp đôi nhiệt – điện. Có thể tính toán ở cả hai trạng thái ổn đònh (steady) và tới hạn (transient) của bất kỳ chất rắn nào với điều kiện biên nhiệt độ. 3.2.9 ANSYS/ LS-DYNA: Giải quyết các bài toán biến dạng lớn (ép, nén…) Giải các bài toán động lực học. 3.2.10 ANSYS/Multiphysics: đây là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lónh vực kỹ thuật. 3.2.11 ANSYS/ Thermal U/ Flotran, ANSYS/ Thermal/Structural: giải quyết các bài toán hai trường (cặp đôi). 3.2.12 ANSYS/ ProFEA: cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD Pro/ ENGINEER. GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 19 Luận văn tốt nghiệp 3.3 Ứng dụng của phần mềm ANSYS trong lónh vực công nghiệp: 3.3.1 Ngành công nghiệp hàng không: Ngành công nghiệp hàng không là lónh vực sản xuất phức tạp nhất, sản phẩm phải đạt độ chính xác cao để đạt hiệu quả và độ an toàn. Để chia sẻ chi phí và rủi ro phát triển sản phẩm, các nhà sản xuất sẽ liên kết với nhau, mỗi nơi sẽ thực hiện sản xuất một linh kiện nhất đònh, sau đó sẽ được vận chuyển đến xưởng để lắp ráp lại thành sản phẩm (máy bay) hoàn chỉnh. Việc thử nghiệm vật lý của hệ thống này là đắt tiền và nguy hiểm. Do đó, nhiều công ty dựa vào sự hỗ trợ thiết kế của máy tính (computer-aided engineering, CAE) với phần mềm ANSYS để mô phỏng khí động lực học chính xác, hiệu suất động cơ và ứng xử tới hạn của các thử nghiệm. Với sự tích hợp giữa động lực học chất lỏng (computational fluid dynamics, CFD) và phương pháp phần tử hữu hạn (finite element analysis, FEA) làm cho kết quả mô phỏng đạt độ chính xác và trung thực cao. Các dạng bài toán trong ngành công nghiệp hàng không: Quá trình làm mát của linh kiện điện tử. Ứng suất động trên các bộ phần dàn hồi và chuyển động như bánh đỡ. Sự tương tác của cấu trúc lưu chất (Fluid structure interactions, FSI ) của dòng chảy tốc độ cao với cấu trúc nhẹ. Tối ưu hóa các bộ tác động điện tử trong toàn bộ hệ thống điện của máy bay. Phân tích hiệu suất của dòng chảy qua khoang nhiều cạnh. Phân tích ứng suất nhiệt trong buồng đốt, tuốc bin, vách ngăn nhiệt, hệ thống chống đóng băng. Hình 3.1. Phân tích áp lực không khí lên mô hình máy bay Hình 3.2. Phân tích áp lực không khí lên mô hình máy bay GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 20 Luận văn tốt nghiệp 3.3.2 Ngành công nghiệp ô tô: Phần mềm ANSYS đã giúp các kỹ sư có thể tối ưu hóa kết cấu xe nhằm tạo ra các mẫu xe có dạng hình học mang tính chất khí động lực học, tăng hiệu suất xe, giảm hao phí nhiên liệu. Các vấn đề ANSYS có thể giải quyết: Khí động lực học Tối ưu khung xe Hệ thống điều hòa không khí Phân bố nhiệt trong động cơ Hình 3.3. Dòng khí chuyển động qua hệ thống làm mát động cơ Hình 3.4. Dòng không khí chuyển động trong xe GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 21 Luận văn tốt nghiệp 3.3.3 Ngành công nghiệp đóng tàu: Phân tích dòng chảy không ổn đònh phía sau cánh quạt để: giảm tiếng ồn, giảm dao động, dự đoán ứng suất. Tối ưu hóa các thiết bò lớn như cánh quạt, máy nén… Phân tích độ hòa trộn nhiện liệu / nước để giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình tiếp nhiên liệu. Hình 3.5. nh hưởng của dòng chảy lên thành tàu 3.3.4 Thiết kế thiết bò HVAC: Bằng cách xây dựng các mô hình các thiết bò HAVC (heating, ventilation, air conditioning) và tiến hành phân tích hiệu suất của chúng trong giai đoạn thiết kế, phát triển sản phẩm, sau đó tính toán vò trí lắp đặt tối ưu tại các công trình xây dựng. Các vấn đề ANSYS có thể giải quyết: Hệ thống làm sạch không khí, điều hòa không khí, xử lý không khí. Thiết kế lò đốt, lò hơi. Bộ trao đổi nhiệt. Hình 3.6. Dòng không khí trong buồng đốt GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 22 Luận văn tốt nghiệp 3.3.5 Lónh vực hóa dầu: Với khả năng vừa mô phỏng lưu chất (CFD) và mô phỏng cấu trúc (FEA) nên phần mềm ANSYS được các kỹ sư lựa chọn kết hợp với quá trình thực nghiệm và các phép phân tích nhằm nắm rõ quy trình sản suất, vận hành. ANSYS góp phần giải quyết các bài toán về thiết kế lò phản ứng, kiểm soát chất ô nhiễm…. 3.3.6 Lónh vực điện tử: Bộ phần mềm ANSYS có khả năng mô phỏng các vấn đề về điện tử. Gói ANSYS Workbench tạo môi trường thuận lợi để người dùng liên kết với các phần mềm chuyên biệt trong lónh vực điện như MCAD, ECAD. Hình 3.7. Phân tích nhiệt trên bảng mạch bằng phần mềm ANSYS Icepak Hình 3.8. Phân tích nhiệt trên mainboard GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 23 Luận văn tốt nghiệp 3.3.7 Lónh vực thể thao: Trong thể thao, người ta dùng ANSYS để mô phỏng nhằm tối ưu hóa các dụng cụ thể thao để tạo sự thoải mái và hiệu năng cao, đưa ra lời khuyên kỹ thuật hữu ích cho các vận động viên. Hình 3.9. p lực dòng khí trên quả bóng golf Hình 3.10. Dòng chuyển động nước quanh vận động viên bơi GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 24 Luận văn tốt nghiệp 3.4 Các bước giải bài toán trong ANSYS: 3.4.1 Chuẩn bò: Xác đònh kiểu phân tích thuộc loại kết cấu, nhiệt, điện từ, dòng chảy hay là kiểu kết hợp hai hay nhiều dạng trên. Trong luận văn này chỉ thực hiện giải bài toán kiểu dòng chảy. Chọn mô hình dạng đối xứng trục, đối xứng quay hay là dạng mô hình 3 chiều đầy đủ để giải bài toán chính xác và nhanh nhất. Chọn kiểu phần tử dùng trong bài toán. Trong phân tích Flotran, gồm có 2 loại phần tử FLUID141 và FLUID 142. 3.4.2 Xử lý ban đầu: Tạo mô hình hình học như: điểm (keypoint), đường (line), diện tích (area), thể tích (volume). Tạo mô hình phần tử hữu hạn (FEA). Quá trình này tiến hành "điền đầy" mô hình hình học bằng nút và phần tử (hay còn gọi là chia lưới phần tử hữu hạn). Để giải bài toán phần tử hữu hạn thì ta cần các nút và các phần tử chứ không chỉ là mô hình hình học. Chia lưới phần tử hữu hạn có 2 loại: có cấu trúc (structured mesh) và không có cấu trúc (Unstructured mesh). Trong bài toán lưu chất, ta cần chú ý đến việc chia lưới trong bài toán chảy rối hay các khu vực có độ dốc cao, gần vách biên. Khai báo thuộc tính vật liệu bằng cách lấy các thông số trong thư viện hoặc do người dùng tự khai báo. Hình 3.11a. Lưới có cấu trúc Hình 3.11b. Lưới không cấu trúc Chuẩn bò Xử lý ban đầu Giải Xử lý kết quả GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 25 Luận văn tốt nghiệp 3.4.3 Quá trình giải: Đònh nghóa loại bài toán, đặt tải và điều kiện biên. Đối với mỗi dạng bài toán, có quá trình giải khác nhau. Trong bài toán lưu chất, ta tiến hành đặt các thông số môi trường và của lưu chất (nhiệt độ, vận tốc, áp suất, độ nhám bề mặt…). Trong quá trình giải, cần quan sát độ hội tụ, tính ổn đònh của phép giải tích bằng cách quan sát mức thay đổi tại mỗi bước giải và ứng xử của các biến phụ thuộc như: vận tốc, áp suất, nhiệt độ và (nếu cần) các đại lượng chảy rối như động năng (ENKE), sự tiêu tán năng lượng (ENDS), độ nhớt (EVIS). 3.4.4 Quá trình xử lý kết quả: Đây là bước cuối cùng trong bài toán phần tử hữu hạn nhằm hiển thò các kết quả cần thiết. Do đó, ta cần khai thác cẩn thận kết quả đồng thời tiến hành kiểm đònh lại tính đúng đắn của kết quả. ANSYS có hai loại phân tích kết quả POST1 và POST26. POST1 là cách khai thác kết quả thông thường để có một tập hợp kết quả trên toàn bộ mô hình. POST26 là cách khai thác kết quả theo thời gian tại những điểm được chọn trong mô hình. 3.5 Một vài lưu ý khi giải bài toán trong FLOTRAN: 3.5.1 Đặc trưng phần tử: Gồm có các phần tử FLUID141 và FLUID142 được đònh nghóa trong thư viện của FLOTRAN. Hai phần tử này phục vụ cho bài toán lưu chất 2D và 3D. Với mỗi phần tử, chương trình tiến hành tính các thành phần vận tốc, áp suất, nhiệt độ dựa trên sự bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. 3.5.2 Trạng thái dòng chảy: Khi giải bài toán lưu chất, ta cần xác đònh được trạng thái dòng chảy để thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu cho hợp lý. Trong bài toán lưu chất, ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ là đáng kể, nên ta cần xác đònh nơi mà nhiệt độ ảnh hưởng lên mật độ lưu chất, độ nhớt và hệ số dẫn nhiệt. 3.5.3 Tạo lưới phần tử hữu hạn: Khi giải bài toán chảy rối ta cần chia lưới tại các vách (thành) mòn hơn khi giải bài toán chảy tần. Nếu kích thước lưới quá lớn, chương trình sẽ không thu thập được sự biến thiên của các gradient dẫn đến kết quả mất độ chính xác. Với phép phân tích dòng chảy (nhất là dòng chảy rối) ta không nên dùng phần tử hình chóp tại các vách (thành) vì nó có thể gây ra sai số lớn trong bài toán. Để tiến hành giải nhanh, ta dùng phần tử hình nêm tại gần vách. Nếu muốn đạt kết quả chính xác, ta nên dùng phần tử khối 6 mặt (hex element) tại khu vực đó. GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân 26 Luận văn tốt nghiệp 3.6 Khả năng vận dụng ANSYS trong bài toán môi trường: Như đã trình bày ở trên, ANSYS là một gói phần mềm khá thông dụng và được các kỹ sư áp dụng trong thực tế sản xuất công nghiệp. Nhưng vì đây không phải là phần mềm chuyên dụng để giải quyết các bài toán lan truyền chất nên ta cần xem xét khả năng ứng dụng, tính đúng đắn của lời giải so với cơ sở lý thuyết đã được nêu trong các tài liệu chuyên ngành. Ta xét 2 trường hợp: Mô hình tòa nhà hẹp: Hình 3.12a. Mô hình 1a – tòa nhà hẹp Kích thước miền khảo sát là 250m x 50m, xét không khí chuyển động qua tòa nhà đầu hẹp (5m x 10m). Trên mô hình có 2 mốc để đánh giá: mốc 1 cách tòa nhà 70m, cách 2 cách tòa nhà 170m nhằm so sánh với hình 2.4a (trang 9). Ta khảo sát kết quả vận tốc không khí khi đi qua tòa nhà hẹp và tiến hành so sánh vùng bóng rợp khí động. Hình 3.12b. Vận tốc theo phương x qua tòa nhà hẹp [...]... phương x qua tòa nhà rộng Ta thấy rằng, kết quả của hai mô hình trên khá giống với việc mô tả trong các tài liệu chuyên ngành (đã nêu trong chương 2 – Cơ sở tính toán) Kích thước vùng bóng rợp khí động là hợp lý Không những vậy, kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS cho ta sự phân bố các vùng vận tốc một cách cụ thể, cung cấp thông tin cho việc thiết kế và tính toán nguồn vò trí đặt nguồn thải Do đó