Nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý cho hệ thống cánh ngầm tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20m

Giới thiệu chủ đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu Chủ đề nghiên cứu: Đề tài dựa vào kết quả tính các lực thủy động tác dụng lên hệ thống cánh ngầm để tính toán độ bền và cứng vững củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Người hướng dẫn khoa học:

TS QUÁCH HOÀI NAM

Chủ tịch hội đồng:

PGS.TS TRẦN GIA THÁI

Khoa sau đại học:

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện Các đoạn trích dẫn và

số liệu sử dụng đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi Các số liệu, bảng biểu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Minh Nhật

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý cho hệ thống cánh ngầm tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20 m”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban lãnh đạo, các cán bộ, chuyên viên của của Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy và Tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật giao thông, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Nha Trang Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Quách Hoài Nam – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

Nguyễn Minh Nhật

MỤC LỤC

Chương 2 - XÁC ĐỊNH LỰC NÂNG VÀ LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN

HỆ THỐNG CÁNH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT

28

2.1.1 Các thông số cơ bản của tàu CN-01 phục vụ tính toán 28

3.6.2 Kiểm tra theo thuyết bền biến dạng lớn nhất 50

DANH MỤC KÍ HIỆU

[γ]12 Biến dạng giới hạn khi cắt

E3 Mô đun đàn hồi phương vuông góc tấm

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.6: Lưới chia theo góc nhìn 3D 33

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

1 Giới thiệu chủ đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu

Chủ đề nghiên cứu: Đề tài dựa vào kết quả tính các lực thủy động tác dụng lên

hệ thống cánh ngầm để tính toán độ bền và cứng vững của hệ thống cánh ngầm vật liệu composite bằng phần mềm Ansys

Mục tiêu nghiên cứu: Xác định được kết cấu hợp lý cho hệ thống cánh ngầm

tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20m, đảm bảo đủ độ bền và cứng vững

2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu: Tài liệu về tàu cánh ngầm; Phần mềm Ansys; Vật liệu

composite; Phần tử hữu hạn; Động lực học chất lưu

Mô phỏng: Dùng phần mềm Ansys để mô phỏng đưa ra các kết quả tính

3 Kết quả nghiên cứu

Kết cấu cánh ngầm: Cánh có chiều dày từ 6 mm đến 22 mm thỏa mãn theo các

thuyết bền composite Tuy nhiên, với chiều dày nhỏ, cánh có biến dạng khá lớn, có thể làm giảm lực nâng của cánh Do đó, cánh có chiều dày 16 mm với biến dạng 12,90

mm tại mút cánh và biến dạng nhỏ 1,95 mm tại giữa cánh, được chọn để chế tạo cánh

Kết cấu thanh giằng: Thanh giằng có chiều dày từ 8 mm đến 17 mm thỏa mãn

theo các thuyết bền composite, nhưng thanh giằng sẽ bị mất ổn định ở chiều dày 8

mm, do đó thanh giằng có chiều dày 15 mm, với hệ số nhân lực tới hạn bằng 4,30 sẽ được chọn, để đảm bảo thanh giằng làm việc trong điều kiện có sóng gió và tải trọng động

4 Kết luận và khuyến nghị

Kết luận: Đề tài đã khảo sát các mẫu tàu cánh ngầm trong nước và đưa ra mô

hình tàu cánh ngầm CN-01; Sau đó sử dụng phần mềm Ansys tính được lực thủy động, ứng suất và biến dạng của hệ thống cánh; Cuối cùng kiểm tra hệ thống cánh theo các thuyết bền vật liệu composite, và lựa chọn được kết cấu hệ thống cánh phù hợp cho tàu CN-01

Khuyến nghị: Các đơn vị sử dụng kết quả tính này hay các đề tài nghiên cứu

tiếp theo cần: Khảo sát thêm các mẫu tàu cánh ngầm mới hiện nay; Nghiên cứu sâu hơn về CFD; Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của biến dạng hệ thống cánh đến lực nâng; Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của rung động và mỏi của hệ thống cánh

5 Từ khóa: Cánh ngầm; Thanh giằng; Bền; Lực thủy động; Composite; Ansys

MỞ ĐẦU

Tại Việt Nam, tàu cao tốc cánh ngầm hoạt động chính thức từ năm 1995, hiện

Móng Cái, Phan Thiết - Đảo Phú Quý và Rạch Giá - Đảo Phú Quốc Dù nhiều tuyến đường Quốc lộ đã nâng cấp nhưng do lưu lượng xe cộ lưu thông khá đông, tai nạn xảy

ra nhiều nên hành khách dè dặt khi chọn phương tiện giao thông đường bộ Lúc này tàu cánh ngầm là một lựa chọn tối ưu, tuy chi phí đắt nhưng rút ngắn thời gian đi lại và

an toàn hơn

Nhưng hiện nay, tàu cánh ngầm cũng đang bị hành khách quay lưng bởi vấn đề thiếu an toàn, tai nạn thường xuyên xảy ra Điển hình như tuyến giao thông đường thủy quan trọng thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu, tuyến này có 3 công ty thực hiện việc chuyên chở hành khách gồm: Vina Express, Greenlines và Petro Express Có hơn

20 chiếc tàu của 3 hãng này hoạt động nhưng đa phần là tàu cũ nhập về từ Nga và các nước Đông Âu Có những tàu đã từng hoạt động chuyên chở 20 năm, sau đó các công

ty Việt Nam nhập về để tân trang lại phần thân vỏ, máy móc rồi đưa vào khai thác, sử dụng

Việc nhập khẩu tàu mới, hiện đại sẽ sẽ thay thế cho những con tàu cánh ngầm

đã quá cũ, không đảm bảo an toàn, đang hoạt động trên tuyến đường thủy nội địa, nhưng giá vé sẽ không thể cạnh tranh với đường bộ Do đó, việc chế tạo tàu cánh ngầm trong nước sẽ giảm chi phí đầu tư ban đầu cho các công ty vận tải thủy, hạ giá

thành vận chuyển, thu hút nhiều hành khách, là hướng đi đúng đắn

Từ thực trạng trên, Đề tài sẽ nghiên cứu tính toán, định hướng cho việc chế tạo

hệ thống cánh của tàu cánh ngầm vỏ composite, góp phần cho việc thiết kế chế tạo thử nghiệm tàu cánh ngầm vỏ composite phục vụ du lịch và vận chuyển hành khách, giảm

tải cho giao thông đường bộ, giúp giải quyết nhu cầu cấp thiết của việc vận chuyển

hành khách bằng phương tiện thủy nội địa đang rất cao ở nước ta hiện nay

Luận văn bao gồm các nội dung như sau:

- Chương 1: Lịch sử phát triển tàu cánh ngầm; Phân tích, đánh giá các công trình

nước, chỉ ra những vấn đề còn tồn tại mà luận văn sẽ tập trung giải quyết; Giới thiệu các mẫu tàu đã khảo sát; Xác định mục tiêu của đề tài, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Chương 2: Giới thiệu tàu cánh ngầm CN-01

- Chương 3: Tổng quan về phần mềm Ansys, bao gồm Ansys Fluent và Ansys Static Structural Tổng quan về chia lưới trong Ansys Meshing và các yêu cầu tiêu chuẩn của lưới chia

- Chương 4: Xác định các lực thủy động tác dụng lên hệ thống cánh ngầm

- Chương 5: Xác định được kết quả tính ứng suất, biến dạng tác dụng lên hệ thống cánh bằng phần mềm Ansys Static Structural và kiểm tra bền hệ thống cánh theo thuyết bền vật liệu composite

- Chương 6: Kết luận và khuyến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lịch sử phát triển tàu cánh ngầm (Liang Yun and Alan Bliault, 2012)

Cách tốt nhất để tăng tốc độ tàu là nâng nó lên khỏi mặt nước, khi đó sức cản tàu do nước, sóng sẽ giảm xuống và khả năng đi biển của tàu sẽ tăng lên Một chiếc tàu với những cái cánh chìm trong nước gắn với thân tàu bằng các thanh giằng tương

tự như cánh máy bay, và nâng tàu lên khỏi mặt nước thể hiện trên hình 1.1 Vì mật độ nước cao hơn không khí nên kích thước cánh ngầm nhỏ hơn nhiều so với cánh máy bay

Hình 1.1: Nguyên lý tàu cánh ngầm

Ý tưởng ban đầu để nâng thân tàu lên khỏi mặt nước xuất hiện vào thế kỷ mười chín với các thử nghiệm của Thomas Moy Ông đã kéo một chiếc tàu với ba cánh dọc theo một con kênh gần London vào năm 1861 đến khi đủ lực nâng tàu lên khỏi mặt nước Năm 1894, anh em nhà Meacham thiết kế một chiếc tàu với hệ thống cánh chìm hoàn toàn dưới mặt nước và một tay lái điều khiển các cánh hình cung, nhưng không

đi xa hơn được các thiết kế khác trong giai đoạn này

Năm 1898, Enrico Forlanini bắt đầu nghiên cứu hệ thống cánh ngầm nhằm cải tiến tàu cao tốc Forlanini đã thành công với tàu cao tốc có hệ thống cánh ở trước và sau tàu được đẩy bằng cánh quạt máy bay vào năm 1906 (Hình 1.2)

Hình 1.2: Tàu cánh ngầm Forlanini năm 1906 trên hồ Maggiore

Jonh Thornycroft người Anh cũng thử nghiệm tàu cánh ngầm Năm 1909 ông chế tạo chiếc tàu Miranda III dài 22 ft, động cơ 60 hp Tốc độ tàu đạt 27 hải lý/giờ

Alexander Graham Bell cũng bắt dầu thử nghiệm cánh ngầm cho thủy phi cơ,

và sau đó trở về Mỹ để thiết kế tàu cao tốc HD-4 (Hình 1.3), chạy với hai động cơ Renault đạt tốc độ 86,4 km/h Năm 1919, anh ta gắn hai động cơ máy bay 260 kw, tàu đạt tốc độ 113,38 km/h

Sau khi chiến tranh kết thúc, von Schertel và Sachsenburg tìm đến Supramar A.G để tiếp tục phát triển tàu cánh ngầm Năm 1953, tàu cánh ngầm chở khách đầu tiên, chiếc PT-10 (Hình 1.4) đã hoạt động trên hồ Maggiore Cũng trong năm 1953, chiếc tàu cao tốc PT-20 lớn hơn được chế tạo tại xưởng đóng tàu Lursen Bắt đầu một giai đoạn thiết kế thành công, gồm nhiều sản phẩm được chế tạo tại xưởng đóng tàu Rodriguez tại Italy, Hitachi Zosen tại Japan, Westermoen tại Norway, và Vosper Thornycroft tại Anh

Hình 1.3: Tàu cánh ngầm HD-4 của Bell

Hình 1.4: Tàu cánh ngầm Supramar PT-10 của Freccia d’Orro

Tại Nga, chiếc tàu cao tốc thương mại đầu tiên 64 chỗ ngồi Raketa (Hình 1.5), dài 28 m, bắt đầu hoạt động từ Gorky tới Kagan năm 1957 đạt tốc độ 32 hải lý/giờ Tàu cao tốc giá rẻ hơn phà, rút ngắn thời gian di chuyển và đem lại sự thoải mái cho hành khách, vì vậy nó trở nên phổ biến, và một loạt tàu cánh ngầm đã được phát triển bởi nhóm Sormovo Mẫu Raketa có khoảng 400 tàu được đóng tại các nhà máy khác nhau tại Liên bang Xô Viết

Hình 1.5: Tàu cánh ngầm Raketa

Kết cấu các tàu cánh ngầm ở ngoài nước Nga đã được cải tiến qua nhiều năm Trong thực tế, có nhiều tàu hoạt động ở Nga và Châu âu khoảng 25 năm, sau đó thay máy, chỉnh sửa lại, ví dụ như các đội tàu tại Budapest, Vienna

Tại Mỹ, tàu cánh ngầm AGEH-1 (Hình 1.6) đã được bàn giao cho hải quân Mỹ vào tháng mười năm 1961 Nó đạt tốc độ 50 hải lý/giờ, hỗ trợ bởi hai động cơ 1500

hp

Từ năm 2004, Rodriquez tại Ý, đã phát triển tàu cao tốc cánh ngầm chở khách với cánh ngập hoàn toàn dưới nước là FSH-38 (Hình 1.7) Hai tàu cao tốc đã được chế tạo bởi Liên minh châu Âu và Bộ Giáo dục Đào tạo Ý Chiếc thứ nhất có vị trí máy

chính, trục truyền động nghiêng về phía sau chân vịt Chiếc thứ hai sử dung cụm lái đẩy chữ Z

Hiện nay, tàu cánh ngầm được sử dụng khá rộng rãi trên khắp thế giới, chủ yếu phục vụ nhu cầu đi lại, tập trung nhiều nhất ở các nước: Nga, Australia, Singapore Các tàu cánh ngầm chủ yếu hoạt động ở khu vực ven biển và các tuyến đường sông

Hình 1.6: Tàu cánh ngầm AGEH-1

Từ lịch sử phát triển tàu cánh ngầm, cho thấy việc chế tạo và đưa vào sử dụng tàu cánh ngầm đều trải qua quá trình thực nghiệm trên nhiều mô hình khác nhau Vấn

đề thiết kế và chế tạo tàu cánh ngầm vẫn chưa được phổ biến, các công ty luôn giữ bí mật thiết kế và công nghệ

Về tài liệu tính toán tàu cánh ngầm và động lực học hệ thống cánh của tàu có khá nhiều như tài liệu động lực học tàu cao tốc (Faltins Odd M et al., 2005); Thiết kế tàu cánh ngầm (Vellinga Ray, 2009); Nhưng tài liệu về tính toán độ bền hệ thống cánh

là rất ít, và chỉ tính toán sơ bộ Có thể kể ra như tài liệu nghiên cứu thiết kế kết cấu tàu cánh ngầm (Martin, 1965), và bài báo khoa học trình bày cách tính áp lực nước lên hệ từng vị trí cụ thể trên bề mặt cánh (Sakir Bal, 1997)

Tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu về tàu cánh ngầm như đề tài Nghiên cứu thiết kế các loại tàu đặc biệt (Hồ Văn Bính, 1990) thuộc chương trình Nâng cao năng lực sửa chữa và chế tạo các phương tiện, trang thiết bị của ngành giao thông vận tải, đề tài chỉ nêu ra một số vấn đề chọn lọc về cơ học như diện tích cánh, kiểu cánh, profil cánh và một số vấn đề về vật liệu, công nghệ chế tạo, đề tài chưa có một tính toán cụ thể nào đối với hệ thống cánh Gần đây vào năm 2014, tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy – Trường đại học Nha Trang đã có cuộc Hội thảo khoa học về thiết kế, chế tạo tàu cánh ngầm, Hội thảo đã giới thiệu phương pháp tính toán thủy động lực cánh bằng phương pháp giải tích và kết quả tính, nhưng vấn đề sức bền

hệ thống cánh vẫn còn bỏ ngỏ

Ngoài ra theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quy phạm phân cấp và đóng phương tiện thủy nội địa, kí hiệu QCVN 72: 2013/BGTVT (Bộ Giao thông Vận tải, 2013) có phần hướng dẫn tính độ bền cơ cấu cánh

Độ bền cơ cấu cánh phải được kiểm tra dưới tác động tải trọng do lực thẳng đứng có trị số xác định như sau:

Đối với cánh mũi:

Pf = kFtf

Đối với cánh lái:

Pa = 0,75kFta

Với chiều cao sóng trung gian trị số k được xác định theo phép nội suy bậc nhất;

Ftf, Fta - lực nâng ở cánh phía mũi và lái;

Độ bền cơ cấu cánh phải được kiểm tra khi chịu tác động đồng thời của lực nâng Ftf, Fta và tải trọng ngang do lực tập trung ngang, kN, có điểm đặt ở vị trí nối giữa thanh chống và cánh có trị số được xác định theo công thức:

Pc = 20,59.10-3∆v2/l0

trong đó: l0 - khoảng cách giữa các điểm đặt lực nâng ở cánh phía mũi và lái, m;

diện tích ngập nước của chúng trên mặt phẳng dọc tâm

Các lực Ftf, Fta, Pf và Pa phân bố đều theo dây cung của cánh và có hướng vuông góc với mặt phẳng phía dưới của chúng, (Hình 1.8)

Hình 1.8: Phân bố lực trên cánh

Từ đó có thể thấy Quy chuẩn đã hướng dẫn cách xác định lực nâng và lực cản tác động lên cánh nhưng các lực này chỉ là lực tập trung chứ không phải là áp lực phân

bố trên bề mặt cánh Và Quy chuẩn cũng chưa hướng dẫn cụ thể cách tính bền hệ thống cánh

1.3 Tàu cánh ngầm đang hoạt động tại Việt Nam

1.3.1.Tàu hoạt động tuyến Hải Phòng - Cát Bà

Tàu được khảo sát tại Công ty cổ phần vận tải và du lịch Hải Phòng, thành phố Hải Phòng Đội tàu cánh ngầm của công ty có bốn chiếc gồm: Hoàng Yến Victory, Mê kông - Hoàng Yến, Tân Hải - Hoàng Yến, và Cat Ba Island

Hình 1.9: Tàu Hoàng Yến Victory

Trong đó tàu Hoàng Yến Victory được thiết kế và đóng tại Nhật Bản đạt tiêu chuẩn kỹ thuật tiên tiến của thế giới và được Đăng kiểm Nhật Bản giám sát và cấp giấy chứng nhận phục vụ nhu cầu đi lại của du khách trong nước và quốc tế, ba chiếc còn lại mua của Nga là loại tàu đã qua sử dụng (Hình 1.9 và 1.10)

Cánh sau được chế tạo từ hộp kim nhôm, biên dạng cánh phẳng lồi, vuốt nhọn hai đầu, vị trí dày nhất bằng 44 mm, cánh chia thành 02 đoạn Hai thanh giằng hai bên được bắt vào vỏ tàu bằng các bu lông thép

Hình 1.10: Tàu Cat Ba Island

Cánh trước được chế tạo từ hộp kim nhôm, biên dạng cánh phẳng lồi, vuốt nhọn hai đầu, vị trí dày nhất bằng 42 mm, cánh chia thành 02 đoạn Hệ thống cánh gồm ba thanh giằng được bắt vào vỏ tàu bằng các bu lông thép

Hình ảnh khảo sát hệ thống cánh tàu Cat Ba Island xem hình 1.11 và 1.12

Hình 1.12: Hệ thống cánh trước tàu Cat Ba Island 1.3.2 Tuyến Thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu

Theo số liệu của Chi cục Đăng kiểm 6 - Cục Đăng kiểm Việt Nam, hiện đơn vị này đang quản lý 22 tàu cánh ngầm hoạt động tuyến Thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu, thuộc sở hữu của ba công ty gồm: Greenlines (09 tàu), Công ty tàu cao tốc Vina (04 tàu), Công ty Quang Hưng (4 tàu) và Công ty Sài Gòn Cao Tốc (05 tàu)

Hình 1.13: Mẫu tàu Meteor

Hình 1.14: Mẫu tàu Voskhod

Toàn bộ các tàu cánh ngầm tại Thành phố Hồ Chí Minh là loại tàu mua từ nước ngoài đã qua sử dụng, bao gồm hai mẫu chính là Meteor và Voskhod Mẫu Meteor có kích thước lớn, lắp 2 máy chính, được sản xuất từ khoảng năm 1960 đến năm 1994 (Hình 1.13) Mẫu Voskhod có kích thước trung bình, lắp 1 máy chính, vùng hoạt động

là sông hoặc pha sông biển, được sản xuất từ khoảng năm 1973 đến năm 1992 (Hình 1.14)

Tàu Mekong Hydrofoil đã được khảo sát, hình chụp tổng thể tàu và hệ thống cánh ngầm được thể hiện trên hình 1.15, 1.16 và 1.17

Hình 1.16: Hệ thống cánh sau tàu Mekong Hydrofoil

Hình 1.17: Hệ thống cánh trước tàu Mekong Hydrofoil 1.4 Tổng quan phần mềm Ansys

1.4.1 Giới thiệu chung

Ansys là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các

phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải

Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thuỷ khí, điện từ, sau khi mô hình hoá và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn

Trong bài toán kết cấu, phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán trường ứng suất - biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu Giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với các vật liệu đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt

Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt Nhưng việc chia nhỏ phần tử phụ thuộc năng lực từng phần mềm

Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ quan hệ các bước lặp và độ hội tụ Các kết quả tính toán được ghi lưu vào các tệp dữ liệu Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, Ansys có hệ hậu xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số

Việc Ansys có hệ hậu xử lý mạnh, đã đem lại một thế mạnh, để các phần mềm khác phải sử dụng Ansys là một phần mềm liên kết xử lý phân tích trường ứng suất - biến dạng và các thông số vật lý khác

1.4.2 Ansys Fluent

Ansys Fluent là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng

rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng

một lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ, khí động học sự truyền âm và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế giới đã thu được lợi nhuận lớn từ việc sử dụng Ansys Fluent để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát triển sản phẩm Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD (Tính toán động lực học lưu chất) nhanh và chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song song Các chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại Những khả năng thiết lập bộ giải tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của Ansys Fluent làm cho dễ dàng có thể tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu

xử lý đã được phân tích, thay đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng Các tệp dữ liệu và các trường hợp tính có thể được đọc vào Ansys CFD-Post với mục đích phân tích kĩ hơn bằng các công cụ xử lý kết quả tiên tiến Ta

có thể xem xét đánh giá song song các trường hợp khác nhau

Sự sát nhập của Ansys Fluent vào Ansys Workbench sẽ cung cấp cho người sử dụng với hai hướng kết nối tới toàn bộ hệ thống CAD (thiết kế dưới sự hỗ trợ từ máy tính), xây dựng và thay đổi về hình học một cách hữu hiệu với Ansys DesignModeler ,

và những công nghệ chia lưới tiên tiến trong Ansys Meshing Những chức năng cơ bản này cũng cho phép dữ liệu và kết quả được chia sẻ giữa các ứng dụng bằng cách kéo

và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng một phép giải dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí

Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt các khả năng mô hình hóa mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, phần mềm Ansys Fluent cung cấp các kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay

Ansys Fluent cung cấp một loạt các mô hình rối chưa từng có, bao gồm một số phiên bản của mô hình k-epsilon và k-omega cũng như các mô hình ứng suất Reynolds

cho các dòng xoáy cao hoặc đẳng hướng Gần đây việc tăng khả năng của máy tính và giảm giá thành đang khiến mô hình LES và mô hình tách xoáy DES kinh tế hơn và trở nên rất hấp dẫn, nó như là một lựa chọn cho những ứng dụng mô phỏng công nghiệp

Ansys Fluent đưa ra khả năng xử lý lưới một cách linh hoạt, bao gồm khả năng giải quyết các bài toán dòng chảy sử dụng lưới phi cấu trúc, loại lưới có thể được tạo

ra do sự phức tạp của hình học cùng với lựa chọn chia lưới đơn giản Các kiểu lưới được hỗ trợ bao gồm lưới tam giác, tứ giác, tứ diện, lục diện, kim tự tháp, lăng trụ và

đa diện Trong trường hợp đặc biệt, phương pháp này sẽ được sử dụng để tự động tạo

ra các lưới đa diện vì lưới đa diện có chứa nhiều phần tử hơn lưới lục diện tương ứng

và sự hội tụ sẽ nhanh hơn

Những công cụ hậu xử lý cho Ansys Fluent có thể được sử dụng để tạo ra những hình ảnh, phim và báo cáo để truyền tải những kết quả của phân tích động lực học dòng chảy Những bề mặt định hình trong suốt, đường dẫn, trường vận tốc, trường hình ảnh, hay các trường mà người dùng định nghĩa, các lớp kết cấu chỉ là một vài tính năng có sẵn của quá trình hậu xử lý Những dữ liệu giải có thể được xuất sang Ansys CFD-Post, gói đồ họa của bên thứ ba phục vụ cho những phân tích tiếp theo Với môi trường Ansys Workbench , những dữ liệu giải của Ansys Fluent có thể được ánh xạ đến những bề mặt mô phỏng trong Ansys để sử dụng như tải nhiệt hay tải áp suất Ở chế độ độc lập, Ansys Fluent có thể ánh xạ tải kết cấu hay tải nhiệt lên các bề mặt và nhiệt độ trong các thể tích từ Ansys Fluent sang lưới của các hãng thứ ba

1.4.3 Ansys Static Structural

Phần mềm Ansys Structural chỉ yêu cầu duy nhất một mô đun cho lời giải của một kết cấu đơn thuần mà không cần tới các công cụ mở rộng Sản phẩm này cung cấp đầy đủ các tính năng phân tích kết cấu phi tuyến, cũng như tuyến tính, để đưa ra kết quả mô phỏng kết cấu có độ chính xác cao, đáng tin cậy

Mô hình CAD có sẵn có thể được sử dụng một cách trực tiếp với Ansys Mechanical – không chuyển đổi và không sử dụng các định dạng hình học trung gian Ansys cung cấp sự tích hợp hai chiều nguyên gốc với các hệ thống CAD phổ biến trong hơn 10 năm Sự tích hợp trực tiếp trong thanh công cụ của phần mềm CAD tạo

Cơ chế nhập mô hình hình học vào Ansys là thông dụng cho tất cả các hệ thống CAD, người sử dụng có khả năng linh hoạt để làm việc với một môi trường mô phỏng chung duy nhất trong khi sử dụng nhiều gói phần mềm CAD

ANSYS hỗ trợ những hệ thống CAD sau: Autodesk Inventor, Autodesk Mechanical Desktop, Autodesk Inventor Professional Stress, Catia V4 và V5, Pro/Engineer, Solid Edge, SolidWorks, Unigraphics, CoCreate Modeling và SpaceClaim Môi trường Ansys Workbench hỗ trợ các định dạng tệp trung gian IGES, Parasolid, ACIS (SAT) và STEP, Những hỗ trợ này cho phép sử dụng bất kỳ hệ thống CAD nào có khả năng xuất ra những định dạng kể trên

ANSYS cung cấp một phạm vi rộng các công cụ chia lưới tự động mạnh mẽ, từ lưới tứ diện tới lưới chủ yếu là lục diện, thổi phồng các lớp và lưới vỏ chất lượng cao Cài đặt lưới như kích thước của mặt hoặc cạnh, hình cầu thổi phồng, dung sai suy giảm và nhiều tùy chọn có thể được cài đặt bởi người dùng

Các thế hệ của công nghệ phần tử từ Ansys cung cấp các chức năng phong phú với một nền tảng lý thuyết nhất quán và các thuật toán tiên tiến nhất Phần mềm Ansys Structural Mechanics cung cấp một thư viện phần tử rộng lớn bao gồm phần tử dầm, ống, vỏ khối, 2D phẳng đối xứng quay và 3D đối xứng quay , những phần tử này có ứng dụng rộng rãi bao gồm phân tích composite, bất ổn định và phá hủy, các phân tích động lực học, và các ứng dụng phi tuyến Thư viện cũng bao gồm các phần tử mục đích đặc biệt như là phần tử đệm, phần tử liên kết, phần tử chuyển tiếp, phần tử lớp cho kết cấu composite

Những phần tử này cung cấp hiệu suất cao và tính chức năng Những phần tử này cũng hỗ cho các mô hình vật liệu nâng cao và phương thức tiên tiến như chia lại lưới/phân vùng chia lại lưới, cơ học phá hủy và trường tương tác trong khi đó vẫn có khả năng giải phân tán khi cần thiết

Mô hình vật liệu là quan trọng để hiểu và chính xác mô tả ứng xử của vật liệu trong thiết kế hoặc phân tích một ứng dụng kỹ thuật Ansys cung cấp một thư viện rộng lớn các mô hình toán học vật liệu hỗ trợ người dùng trong việc mô phỏng các loại ứng xử của vật liệu, như là đàn hồi, đàn nhớt, đàn dẻo, dẻo nhớt, gang dẻo, chảy dẻo, siêu đàn hồi, đệm và không đẳng hướng Những mô hình này có thể được sử dụng để

mô phỏng các loại khác nhau của vật liệu như là kim loại, cao su, nhựa, kính, bọt, bê tông, mô sinh học và hợp kim đặc biệt Thêm vào đó, để hỗ trợ trong việc tìm kiếm các thông số cho từng mô hình vật liệu, Ansys đưa ra tập hợp các công cụ vẽ đường cong vật liệu

Ansys Structural Mechanics đưa ra một thự viện rộng của các phương trình bên trong bộ giải Thư viện chứa bộ giải trực tiếp thưa, bộ giải lặp liên hợp có điều kiện, giải pháp Jacobi gradient liên hợp

1.4.4 Chia lưới trong ansys

Hình 1.19: Các dạng phần tử 3D 2) Các dạng lưới chia

- Lưới cấu trúc: Ưu điểm của lưới chia cấu trúc là chương trình máy tính sẽ chạy

nhanh hơn so với lưới chia không cấu trúc, đó là nhờ tồn tại mối quan hệ ẩn bên trong

giữa các ô lưới hoặc điểm lưới với ô lưới hoặc điểm lưới lân cận, đã cho phép tìm thấy

dữ liệu được dễ dàng

- Lưới không cấu trúc: Ưu điểm lớn của lưới chia không cấu trúc là có thể khớp với

hầu hết các dạng hình học bất kỳ Tuy nhiên quá trình tạo lưới không tự động hoàn

toàn và yêu cầu đáng kể sự tương tác người dungfddeer tạo ra lưới với mức độ có thể

chấp nhận được, đồng thời làm giảm tối thiểu sự bóp méo phần tử

3) Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng lưới chia

* Tiêu chuẩn trực giao

- Đối với phần tử: Tiêu chuẩn trực giao được đánh giá dựa vào giá trị nhỏ nhất tính

cho mỗi mặt i của biểu thức (1.1), được minh họa trên Hình 1.20

ci Ai

ci Ai fi Ai

fi

Ai

(1.1)

Hình 1.20: Các véc tơ trực giao phần tử

- Đối với mặt phần tử: Tiêu chuẩn trực giao được đánh giá dựa vào giá trị nhỏ nhất

tính cho mỗi cạnh i của biểu thức (1.2), được minh họa trên Hình 1.21

ei Ai

ei Ai.

(1.2)

Hình 1.21: Các véc tơ trực giao mặt phần tử

Trong đó:

+ Ai là vec tơ vuông góc mặt

+ fi là vec tơ từ tâm phần tử tới tâm mặt

+ ci là vec tơ từ tâm phần tử tới tâm phần tử liền kề

+ ei là vec tơ từ tâm mặt tới tâm cạnh

- Yêu cầu chất lượng trực giao: