Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng phần mềm mô phỏng CAE trong dạy học

Đồ án tốt nghiệp Ứng dụng phần mềm mô phỏng CAE trong dạy học - Giới thiệu và hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy trong khuôn ép nhựa - Moldflow 2010, ứng dụng một số sản phẩm cụ thể từ đó phân tích. Mời các bạn cùng tham khảo.

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN Giới thiệu Autodesk ® Moldflow ® phần mềm mơ phỏng ép nhựa, một phần mềm của hãng  Autodesk cung cấp các cơng cụ  giúp các nhà sản xuất tối  ưu   hóa việc thiết kế các  bộ phận nhựa trong khn ép nhựa và dòng chảy nhựa trong q trình đúc ép nhựa   Nhiều cơng ty trên thế giới sử dụng phần mềm mơ phỏng Autodesk ® Moldflow ®  Insight để  mơ phỏng các q trình đúc, ép nhưa làm giảm nhu cầu cho việc thử  nghiệm các mẫu thực tế tốn kém, cũng như  dự đốn và giải quyết được các khuyết  tật sản xuất và đưa ra thị trường một cách nhanh chóng Tầm quan trọng  Để thấy được tầm quan trọng của việc ứng dụng phần mềm CAE vào q trình   tối  ưu trong thiết kế  khuôn ta sẽ  so sánh phương pháp thiết kế  truyền thống và  phương pháp thiết kế với sự trợ giúp của phần mềm CAE 2.1 Phương pháp thiết kế truyền thống Là kiểu thiết kế  mà người sản xuất chỉ  dựa vào kinh nghiệm và tri thức trước   đây tiến hành thiết kế  và sản xuất đồng thời dựa vào kết quả  thử  khn thực tế  (molding trial) để sửa đổi thiết kế hoặc phán đốn một cách một cách khó khăn Đặc điểm của phương pháp này là tất cả các tham số thiết kế hoặc ép phun hồn  tồn dựa vào kinh nghiệm và hiểu biết của người sản xuất và người thiết kê, sử  dụng sổ tay hoặc tiêu chuẩn thiết kế và tiến hành thiết kế điều chỉnh. Những tham  số   thiết kế  có phù  hợp  hay khơng phải  đến lúc  thử   khn  thực  tế  mới có thể  nghiệm chứng, khi xuất hiện vấn đề, thường phải tiến hành sửa chữa khn, sửa  đổi thiết kế khn hoặc cả sản phẩm Nhược điểm của phương pháp này là cơng việc kiểm chứng dựa vào thử  khn,  sửa đổi thiết kế tiến hành ở cơng đoạn sau, do đó việc sửa chữa khó khăn và hao phí  tiền bạc lớn, thời gian thử và sửa dài, giá thành sản phẩm cao, thời gian giao hàng và   GVHD:Trần Văn Trọn Trang 1 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE đưa ra thị  trường dài khơng có lợi cho tình hình hiện nay chu kì sử  dụng sản phẩm   ngắn và thời gian giao hàng nghiêm ngặt 2.2  Phương pháp thiết kế ứng dụng CAE Thiết kế CEA là sự kết hợp kinh nghiệm và tri thức, sử dụng phương pháp phân   tích bằng máy vi tính để hiểu dưới tổ  hợp điều kiện ép phun thiết kế khơng giống  nhau, đặc tính ép phun và biến đổi chất lượng sản phẩm. kết quả cung cấp có thể  giúp người thiết kế sử lý giả quyết vấn về dựa vào kết quả và tham số thiết kế và  ép phun có thể biết được các vấn đề tiềm ẩn Do máy vi tính tính tốn nhanh chóng hiệu quả  , đồng thời có thể  đem kết quả  phân tích với các thơng số  phân bố  nhiệt độ  rất khó thu được trên thực tế  với đồ  họa máy tính biểu diễn ra. Do đó nhà thiết kế  sản phẩm và nhà thiết kế  khn có  thể dựa vào kết quả phân tích để cải thiện thiết kế, nâng cao chất lượng sản phẩm   và tránh các vấn đề  về  ép phun, và có thể  thử  trên máy tính các phương án khả  thi  để tối ưu hóa thiết kê Phương pháp thiết kê  ứng dụng CAE giúp giảm giá thành và thời gian hao phí  trong q trình thử khn thực tế, rút ngắn thời gian đưa ra sản phẩm. đồng thời kết    phân tích cung cấp đặc tính trạng thái của từng q trình cụ  thể, giúp người   thiết kế nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm và thiết lập tiêu chuẩn thiết kế GVHD:Trần Văn Trọn Trang 2 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE 2.2.3 2.2.3 Lợi ích của việc sử dụng phương pháp CAE     Do tính tin cậy của phương pháp CAE, có thể chỉ ra vấn đề tiềm ẩn trong ép phun   và thiết kế, đề  ra phương hướng sửa đổi thiết kế, hướng giải quyết trở  ngại và   phương án khả thi, có thể tránh điểm mù kinh nghiệm CAE được thực hiện ở giai đoạn thiết kế trên máy tính trước khi khn được ép   thử do đó giảm thời gian giá thành thử khn, sửa khn thực tế, rút ngắn chu trình  thử  sai thực tế, rút ngắn thời gian ép thử  sản phẩm và thời gian ra thị  trường, hao   phí tiền bạc trong các cơng đoạn.  Do đó giảm giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh  tranh của sản phẩm trên thị trường, đem lại hiệu quả trong kinh doanh CAE có thể trợ giúp người ép phun dự đốn và nắm bắt thơng số ép phun đối với   ảnh hưởng chất lượng sản phẩm, tìm ra thơng số  gia cơng và tối ưu hóa điều kiện  gia cơng CAE có thể chỉ ra các nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng ép phun, từ đó  cung cấp tham số sửa ổi thiết kế, tham số ép phun và chỉ tiêu định lượng CAE có thể  mơ phỏng q trình ép phun, với phương pháp sinh động và cụ  thể  hiện thị  tham số  gia cơng và thiết kế  với trình tự  trạng thái và  ảnh hưởng chất   lượng sản phẩm, có thể giúp người sử dụng nhanh chóng tích lũy kinh nghiệm và ép   phun… GVHD:Trần Văn Trọn Trang 3 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE Lý do chọn đề tài Hiện nay ngành cơng nghệ khn mẫu đang rất phát triển ở nước ta và nhu cầu  học tập và tìm hiểu kiến thức liên quan đến lĩnh vực này là rất lớn . Hơn nữa đây là  một trong những mơn học chun ngành quan trọng trong ngành chế tạo khn mẫu  tuy nhiên vẫn chưa có một tài liệu cụ  thể nào giới thiệu về  phần mềm CAE trong   mơn học này . Nay chúng em chọn đề  tài : “  Ứng dụng phần mềm mơ phỏng CAE   trong dạy học” nhằm giúp hướng dẫn người học có thể  tiếp cận và sử  dụng phần   mềm trong q trình thiết kế và chế tạo khn mẫu Với đề tài này chúng em hi vọng rằng sẽ giúp người học có thể dễ dàng tiếp cận   , sử dụng phần mềm và tiết kiệm thời gian nghiên cứu , cung cấp cho kĩ sư thiết kế  một phương pháp hữu hiệu trong việc thiết kế khn và nâng cao chất lượng sản   phẩm Mục tiêu của đề tài ­ Giới thiệu và hướng dẫn sử dụng phần mềm mơ phỏng dòng chảy trong khn   ép nhựa : Moldflow 2010 ­ Ứng dụng một số sản phẩm cụ thể từ đó phân tích : +  Tối ưu hóa hệ thống kênh dẫn và hệ thống làm mát +  Nhận biết các khuyết tật: đường hàn, rỗ khí, cong vênh , khơng điền đầy, vật   liệu biến chất….  +  Đưa ra ngun nhân và cách khắc phục  5. Giới han cua đê tai ̣ ̉ ̀ ̀ Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như kiên th ́ ưc chun mơn nên đơ an ch ́ ̀ ́ ỉ  tập trung thực hiên các v ̣ ấn đề như sau: ­ Tim hiêu tông quan vê ph ̀ ̉ ̉ ̀ ương pháp phần tử hữu hạn ­ Nghiên cứu sử dụng phần mềm mơ phỏng dòng chảy trong khn ép nhựa  trên phần mềm Moldflow ­ Áp dụng phần mềm để mơ phỏng một số sản phẩm  6. Phương phap nghiên c ́ ưu ́ GVHD:Trần Văn Trọn Trang 4 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE Đề tài nay đ ̀ ược tiến hành dựa trên các phương pháp sau: ­ Phương pháp quan sát: Phương pháp thực tế các mơ hình có sẵn, những đoạn   video, những bộ khuôn thât ̣ ­ Phương pháp tham khảo tài liệu: tâp h ̣ ợp va nghiên c ̀ ưu cac thông tin liên quan ́ ́   đên đê tai ́ ̀ ̀ 7. Đôi t ́ ượng nghiên cưu ́ ­ Phần mềm mơ phỏng dòng chảy trong khn ép nhựa Moldflow  8. Dan y nghiên c ̀ ́ ứu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở ly thut ́ ́ Chương 3: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Moldflow Chương 4: Áp dụng phần mềm phân tích một số chi tiết cụ thể Chương 5: Kêt luân va khuyên nghi ́ ̣ ̀ ́ ̣ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.  Lý thuyết về phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử  hữu hạn  (Finite Element Method ­ FEM) là một phương  pháp gần đúng để  giải một số  lớp bài tốn biên. Theo phương pháp phần tử  hữu  hạn, trong cơ  học, vật thể được chia thành những phần tử  nhỏ  có kích thước hữu   hạn, liên kết với nhau tại một số hữu hạn các điểm trên biên (gọi là các điểm nút)   Các đại lượng cần tìm ở nút sẽ là ẩn số của bài tốn (gọi là các ẩn số nút) Tải trọng  trên các phần tử cũng được đưa về các nút.  Trong mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được xấp xỉ  bằng những biểu thức đơn  giản và có thể  biểu diễn hồn tồn qua các  ẩn số  nút. Dựa trên ngun lí năng   lượng, có thể  thiết lập được các phương trình đại số  diễn tả  quan hệ  giữa các ẩn  GVHD:Trần Văn Trọn Trang 5 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE số  nút và tải trọng  nút của một phần tử. Tập hợp các phần tử  theo điều kiện liên  tục sẽ nhận được hệ phương trình đại số đối với các ẩn số nút của tồn vật thể.     Phương pháp phần tử  hữu hạn có nội dung như  sau: Để  giải một bài tốn biên  trong miền W, bằng phép tam giác phân, ta chia thành một số hữu hạn các miền con  Wj (j = 1, , n) sao cho hai miền con bất kì khơng giao nhau và chỉ có thể chung nhau   đỉnh hoặc các cạnh.   Mỗi miền con Wj được gọi là một phần tử hữu hạn (phần tử hữu hạn).  Người ta tìm nghiệm xấp xỉ  của bài tốn biên ban đầu trong một khơng gian hữu   hạn chiều các hàm số thoả mãn điều kiện khả vi nhất định trên tồn miền W và hạn  chế của chúng trên từng phần tử hữu hạn Wj là các đa thức. Có thể chọn cơ sở của   khơng gian này gồm các hàm số ψ1(x), , ψn(x) có giá trị trong một số hữu hạn phần   tử  hữu hạn Wj   gần nhau. Nghiệm xấp xỉ  của bài tốn ban đầu được tìm dưới  dạng : c1ψ 1(x) +   + cnψ n(x) trong đó các ck là các số cần tìm. Thơng thường người ta đưa việc tìm các ck về việc  giải một phương trình đại số với ma trận thưa (chỉ có các phần tử trên đường chéo  chính và trên một số đường song song sát với đường chéo chính là khác khơng) nên  dễ giải. Có thể lấy cạnh của các phần tử hữu hạn là đường thẳng hoặc đường cong   để  xấp xỉ các miền có dạng hình học phức tạp. Phương pháp phần tử  hữu hạn có  thể dùng để giải gần đúng các bài tốn biên tuyến tính, phi tuyến và các bất phương   trình.  Ứng dụng:     Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử,  phương pháp phần tử hữu hạn đang được sử  dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lí thuyết đàn hồi và dẻo, cơ  học chất lỏng, cơ học vật rắn, cơ học thiên thể, khí tượng thuỷ văn, vvv.  2. 2  Độ nhớt của chất lỏng GVHD:Trần Văn Trọn Trang 6 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE Độ nhớt của một chất lưu là thơng số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy.  Khi các dòng chất lưu sát kề  có tốc độ  chuyển động khác nhau, ngồi sự  va đập   giữa các phần tử vật chất còn có sự trao đổi xung lượng giữa chúng. Những phần tử  trong dòng chảy có tốc độ  cao sẽ làm tăng động năng của dòng có tốc độ  chậm và  ngược lại phần tử  vật chất từ  các dòng chảy chậm sẽ  làm kìm hãm chuyển động  của dòng chảy nhanh. Kết quả  là giữa các lớp này xuất hiện một  ứng suất tiếp  tuyến τ gây nên ma sát       Định luật Newton về độ nhớt của chất lỏng:   Theo định luật Newton cho chất lưu, với những dòng chảy tầng (có thể được hình  dung như  những lớp dòng chảy song song với nhau),  ứng suất tiếp tuyến  τ  giữa   những lớp này tỷ  lệ  tuyến tính với vi phân vận tốc theo hướng vng góc với các  lớp đó theo như cơng thức trên, hằng số μ được gọi là  độ nhớt động lực học hay còn gọi là  độ nhớt tuyệt đối (đơn vị kg m­1s­1 hay Pa.s)   Ngồi độ  nhớt động lực học, khi nghiên cứu chuyển động của chất lưu, để  kể  đến ảnh hưởng của lực qn tính, mà thực chất là khối lượng riêng  ρ, người ta còn  đưa ra một đại lượng quan trọng khác là độ nhớt động học ν, có đơn vị là m2/s GVHD:Trần Văn Trọn Trang 7 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy môn CAE Đối với nước độ nhớt rất nhỏ nên những phần tử nước gần trục quay sẽ bị văng   ra theo lực ly tâm Đối với vật liệu nhựa độ  nhớt rất lớn, nhựa di chuyển đến trung tâm của trục   quay và di chuyển lên trên trục quay GVHD:Trần Văn Trọn Trang 8 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE Dòng chảy trong kênh dẫn là phi Newton vì độ  nhớt của nhựa thay đổi tùy theo   nhiệt độ Dòng chảy trong kênh dẫn có sự chuyển pha vì khi nhựa chảy vào kênh thì phần  sát bề mặt sẽ gặp nhiệt độ  thấp và bị  hóa rắn. Nếu tốc độ  phun lớn thì có thể  coi  như khơng có dòng chuyển pha Độ  nhớt của nhựa phụ  thuộc vào nhiệt độ, tốc độ  dòng chảy khơng giống nhau   trong lòng khn và kênh dẫn, dòng chảy trong khn là chảy rối Làm sao để giảm bớt bọt khí, nhất là bọt khí ở  phần góc đáy sản phẩm. Thì chỉ  có một cách hợp lý nhất đó là tìm vị trí đặt miệng phun khác , kiểu miệng phun khác  mà thơi. Để  có thể  làm điều này chúng ta cần sử  dụng các phần mềm mơ phỏng  dòng chảy như Visi v16, Moldex3D, AutoDesk Moldflow,    2.3   Lý thuyết về truyền nhiệt Các hiện tượng truyền nhiệt đã được biết và sử  dụng hàng ngày từ  lâu. Tuy   nhiên thì các hiện tượng đó chỉ được hiểu biết một cách muộn màng, ở thế kỉ XIX :   Một thời gian dài nhiệt được coi là một chất lỏng hơi đặc biệt và lửa được coi là   một ngun tố. Joseph Fourier đã cơng bố vào năm một lí thuyết giải tích về sự dẫn  nhiệt. Các dạng truyền nhiệt khác nhau : Sự dẫn nhiệt hay khuếch tán nhiệt: phần ta tìm hiểu Sự đối lưu: liên quan đến các chất lưu, lỏng hay khí Bức xạ:  đây là hình thức  đặc biệt, dẫn nhiệt hay  đối lưu ln đòi hỏi mơi  trường tồn tại vật chất, còn bức xạ có thể xảy ra ngay ở chân khơng Phương trình truyền nhiệt Với: u =u(t,x,y,z) là nhiệt độ như là một hàm số theo thời gian và khơng gian  là mức độ thay đổi của nhiệt độ tại một điểm nào đó theo thời gian uxx   , uyy, uzz     là đạo hàm bậc 2(lưu chuyển nhiệt )của nhiệt độ  theo hướng   x,y,z theo thứ tự GVHD:Trần Văn Trọn Trang 9 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE k là hệ số phụ thuộc vào vật liệu :độ dẫn điện, mật độ và dung tích nhiệt phương trình nhiệt là hệ quả của định luật Fourier cho dẫn nhiệt  Nghiệm của phương trình nhiệt được đặc trưng bởi sự  tiêu tán dần của nhiệt độ  ban đầu do một dòng nhiệt truyền từ vùng ấm hơn sang vùng lạnh hơn của một vật   thể. Một cách tổng qt, nhiều trạng thái khác nhau và nhiều điều kiện ban đầu  khác nhau sẽ đi đến cùng một trạng thái cân bằng. Do đó, để lần ngược từ nghiệm  và kết luận điều gì đó về thời gian sớm hơn hay các điều kiện ban đầu từ điều kiện   nhiệt hiện thời là hết sức khơng chính xác ngồi trừ  trong một khoảng thời gian rất  ngắn 2.4. Tính số lòng khn 2.4.1 Tầm quan trọng của việc tinh số lòng khn Nâng cao năng suất trong sản xuất : Số lượng lòng khn được tính tốn hợp lý  thì số  sản phẩm trong một lần đúc sẽ  là lớn nhất, từ  đó tăng năng suất trong sản   xuất Tiết kiệm được thời gian trong sản xuất: Khi số lượng đơn đặt hàng lớn, ta cần   phải tính tốn sao cho số lòng khn đạt giá trị max và phải đủ để máy ép có thể làm   việc được, thời gian tạo ra lượng sản phẩm nhỏ nhất khi số lượng lòng khn đạt   giá trị lớn nhất (phải nằm trong giới hạn cho phép) Sử  dụng đúng hiệu suất của máy: Tùy thuộc vào kích cỡ  của máy, lực ép phun,   lực kẹp… mà số  lượng lòng khn cho phép của mỗi máy sẽ  khác nhau. Chính vì   thế, trong  sản xuất, ta phải tính tốn sao cho số lượng lòng khn phù hợp với từng loại máy Phù hợp với sản lượng cần sản xuất trong loạt: Tùy theo số lượng đơn đặt hàng   mà ta có thể tính tốn và đề ra số lượng lòng khn cho phù hợp, tránh sản xuất q   nhiều trong khi số lượng đơn hàng ít và ngược lại 2.4.2   Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tính tốn số lòng khn Kích cỡ  máy phun ép: kích thước của máy ép phun càng lớn thì số  lòng khn  tối đa càng lớn GVHD:Trần Văn Trọn Trang 10 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE Hộp thoại Select Material xuất hiện:   Chọn vật liệu là nhựa PP (poly propylene). Sau đó chọn OK GVHD:Trần Văn Trọn Trang 152 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE    Như đã tính ở trên, ta thiết kế sản phẩm với bốn lòng khn. Vào phần   mềm Pro Engineer thiết kế với hệ thống kênh dẫn có kích thước hợp lý Đưa mơ hình vào lại mơi trường Moldflow: Chia lưới, chọn phương pháp ép  phun, chọn vật liệu nhựa như ở mục trên, đặt vị trí cổng phun  4.2.6.5  Chọn q trình phân tích:  Chọn q trình phân tích : Fill  ( chú ý q trình này khơng có hệ  thống làm  mát)  Chạy phân tích (Analysis)  Chọn q trình phân tích : GVHD:Trần Văn Trọn Trang 153 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Chạy phân tích (Analysis)  Chọn q trình phân tích :  Chạy phân tích (Analysis)  Chọn q trình phân tích : GVHD:Trần Văn Trọn Trang 154 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Chạy phân tích (Analysis)  Từ kết quả phân tích của 4 q trình trên ta so sánh :  Thời gian điền đầy: GVHD:Trần Văn Trọn Trang 155 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE    Như hình trên ta thấy q trình làm lạnh khơng ảnh hưởng đến thời gian  điền đầy  Khi ta điền đầy hai lần thì thời gian điền đầy sẽ tăng : 1.256s   1.260s  Áp suất phun   GVHD:Trần Văn Trọn Trang 156 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE     Khi ta lựa chọn phun hai lần và có q trình bão áp thì áp suất phun sẽ  nhỏ hơn rất nhiều so với phun một lần      Tuy vậy thời gian cho q trình phun hai lần và giữ  áp suất là rất lớn   (31,26s) so với phun một lần (1,256s) GVHD:Trần Văn Trọn Trang 157 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Nhiệt độ trong q trình phun :  Rỗ khí: khơng có sự thay đổi nhiều GVHD:Trần Văn Trọn Trang 158 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Đường hàn: GVHD:Trần Văn Trọn Trang 159 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Đường hàn của q trình   fill  và  fill+ cool  nhiều hơn  fill+cool+fill+pack,   fill+cool+fill+pack+warp như vùng khoanh tròn trên hình vẽ.  GVHD:Trần Văn Trọn Trang 160 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE  Lực kẹp dọc trục XY  Lực kẹp của fill và fill+cool tăng dần theo thời gian và đạt giá trị  lớn nhất  tại cuối chu kỳ là khoảng  All program>Autodesk>Autodesk  Moldflow Insight...  Các bước phân tích  dòng chảy Lưu đồ q trình phân tích GVHD:Trần Văn Trọn Trang 20 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE GVHD:Trần Văn Trọn Trang 21 Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tài liệu học tập, giảng dạy mơn CAE