Ứng dụng comsol multiphysic xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm kết cấu cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI KHOA CƠ KHÍ - BỘ MƠN THIẾT KẾ MÁY Ứng dụng Comsol Multiphysic Xây dự ng mô hình mơ kiểm nghiệm kết cấu khí GVHD: TS Bùi Văn Hưng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tài Đặng – TĐH-TKCK K58 Nguyễn Ngọc Bách - TĐH-TKCK K58 Nguyễn An Ninh – KTCK3 K60 Hà Nội 2021 Mục Lục DANH MỤC ẢNH MỞ ĐẦU - Lý chọn đề tài: - Tình hình nghiên cứu đề tài: - Mục tiêu, nội dung đối tượng nghiên cứu - Phương pháp tiến hành nghiên cứu: - Ý nghĩa khoa học giá trị ứng dụng đề tài: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS Khái quát chung Giao diện phần mềm Giới thiệu module tích hợp phần mềm Comsol Multiphysics 13 3.1 AC/DC Module 13 3.2 Acoustics 14 3.3 Chemical Species Transport 15 3.4 Electrochemistry 15 3.5 Fluid Flow 16 3.6 Heat Transfer 17 3.7 Optics 17 3.8 Plasma 18 3.9 Radio Frequency 18 3.10 Structural Mechanics 19 3.11 Mathematics 20 3.12 Semiconductor 20 Ứng dụng Comsol ngành khí 20 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH PHÂN TÍCH 22 I Sơ đồ quy trình phân tích kết cấu sơ 22 II Quy trình phân tích chi tiết 23 1.1 Thiết kế cấu trục khuỷu truyền 23 Lựa chọn cấu phân tích 23 1.2 Lựa chọn phần mềm thiết kế 24 Khởi động phần mềm COMSOL Multiphysics 5.4 25 Đưa cấu thiết kế vào phần mềm Comsol Multiphysics 27 Chọn vật liệu cho cấu 28 Giới hạn miền cho phần tử 29 Chọn khớp kết nối giữ phần tử 30 Tạo lưới cho cấu 36 CHƯƠNG III : NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐÃ TÍNH TỐN 39 I Tổng kết bước làm 39 II Nhận xét kết 39 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 DANH MỤC ẢNH Hình 1.1 Phần mềm Comsol Multiphysics 5.4 ………………………………………….6 Hình 1.2 Giao diện phần mềm Comsol Multiphysics 5.4 ……………………………… Hình 1.3 Giao diện Model Builder Window………………………………………………8 Hình 1.4 Các dạng mơ hình vật lý.…………………………………………………………9 Hình 1.5 Cửa sổ khai báo vật liệu ……………………………………………………….10 Hình 1.6 Giao diện Setting Window để tạo Geometry ……………………………… 11 Hình 1.7 Giao diện Graphic Window ………………………………………………… 11 Hình 1.8 Giao diện Information Window …………………………………………… …12 Hình 1.9 Các module tích hợp Comsol Multiphysics …………………………… 13 Hình 1.10 Các chức có AC/DC Module……………………………… 13 Hình 1.11 Acoustics Module (Module âm học) …………………………………………14 Hình 1.12 Chemical Species Transport (Vận chuyển loại hóa chất) …………………….15 Hình 1.13 Electrochemistry (Điện hóa học) …………………………………………….15 Hình 1.14 Fluid Flow (Dịng chảy chất lỏng) ……………………………………………16 Hình 1.15 Heat Transfer (Truyền nhiệt) …………………………………………………17 Hình 1.16 Optics (Quang học) ………………………………………………………… 17 Hình 1.17 Plasma ……………………………………………………………………….18 Hình 1.18 Radio Frequency (Tần số vơ tuyến) …………………………………………18 Hình 1.19 Structural Mechanics (Kết cấu module vật liệu) …………………………….19 Hình 1.20 Mathematics (Tốn học) …………………………………………………….19 Hình 1.21 Semiconductor (Bán dẫn) …………………………………………………….21 Hình 2.1.Sơ đồ quy trình phân tích kết cấu ………………………………………………22 Hình 2.2 Cơ cấu trục khuỷu truyền ……………………………………………….23 Hình 2.2 Thiết kế cấu trục khuỷu truyền Solid Work 2018……………….24 Hình 2.3 Giao diện khởi động Comsol Multiphysics 5.4 ………………………… 24 Hình 2.4 Khơng gian làm việc ………………………………………………………….25 Hình 2.5 Chọn loại hình vật lý cấu cần kiểm nghiệm ………………………… 25 Hình 2.6 Chọn hình thức mơ cấu …………………………………………….26 Hình 2.7 Đưa cấu vào mơi trường làm việc …………………………………………26 Hình 2.8 Cơ cấu sau đưa vào mơi trường làm việc Comsol ………………… 27 Hình 2.9 Chọn vật liệu có sẵn thư viện ………………………………………….27 Hình 2.10 Chọn vật liệu cho cấu …………………………………………………….28 Hình 2.11 Chọn Rigid Domain cho cấu …………………………………………… 29 Hình 2.12 Giới hạn miền cho phần tử …………………………………………….29 Hình 2.13 Các loại khớp ……………………………………………………………… 30 Hình 2.14 Lựa chọn khớp kết nối trục khuỷu truyền ……………… 31 Hình 2.15 Giới hạn bậc tự cho truyền trục khuỷu …………………………32 Hình 2.16 Chọn khớp kết nối piston truyền …………………………… 32 Hình 2.17 Chọn khớp kết nối truyền trục khuỷu ……………………… 33 Hình 2.18 Chọn khớp kết nối chốt piston truyền ……………………… 33 Hình 2.19 Nhập phương trình dẫn động cho trục khuỷu ……………………………….34 Hình 2.20 Gán phương trình chuyển động giới hạn bậc tự cho trục khuỷu………35 Hình 2.21 Đặt vận tốc quay cho truyền ………………………………………….36 Hình 2.22 Kết sau chia lưới ……………………………………………………37 Hình 2.23 Nhập thời gian độ xác cho cấu …………………………………38 Hình 2.24 Kết sau tính tốn ……………………………………………………….39 Hình 3.1 Kết sau tính tốn…………………………………………………… 40 MỞ ĐẦU - Lý chọn đề tài: Ngày nay, loại mơ hình đóng vai trò quan trọng lĩnh vực nghiên cứu khoa học Chúng công cụ hữu dụng giúp nhà khoa học thu thập thông tin, liệu nghiên cứu vấn đề mà không thiết phải tiến hành thí nghiệm thực địa Mơ số đem đến lợi ích lớn tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh rủi ro, nguy hiểm điều kiện thực, giảm tác động xấu tới mơi trường Bên cạnh đó, mơ số học cịn giải nhiều vân đề khoa học phức tạp mà đơi khó kiểm nghiệm điều kiện thực Có thể nói, phương pháp Mơ hình hóa ngày trở nên phổ biến trở thành phương pháp thiết yếu công tác nghiên cứu khoa học Nắm thực có hiệu phương pháp Mơ hình hóa giúp nâng cao chất lượng cơng tác nghiên cứu cách đáng kể Là sinh viên chuyên ngành thiết kế máy, chúng em hiểu rõ tầm quan trọng việc mơ hình hóa chi tiết, cấu thiết bị khí nhằm tính tốn, đảm bảo độ bền kiểm soát yếu tố khác ảnh hưởng tới chi tiết khí Chính lí chúng em tham gia đề tài: “Ứng dụng Comsol Multiphysic Xây dự ng mơ hình mơ kiểm nghiệm bền kết cấu khí” để nghiên cứu tìm hiểu, trau dồi thêm kiến thức phần mềm Mơ hình hóa giúp nâng cao hiểu biết lĩnh vực theo đuổi tương lai - Tình hình nghiên cứu đề tài: Hiện nay, ứng dụng phương pháp Mơ hình hóa nghiên cứu khoa học Việt Nam nhiều hạn chế bước đầu tiếp cận phần mềm Với kỳ vọng đáp ứng yêu cầu chất lượng nghiên cứu khoa học ngày cao Việt Nam phát triển lực hợp tác nghiên cứu quốc tế thời gian tới, việc bổ sung kỹ kiến thức ứng dụng Mơ hình hóa cần thiết cho nhà khoa học, cán giảng viên, sinh viên Nắm bắt nhu cầu thiết thực đó, khoa Cơ khí, đại học GTVT bước triển khai nhiều chương trình ứng dụng công nghệ phục vụ nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, hướng tới môi trường nghiên cứu khoa học đại, hấp dẫn dành cho sinh viên Mục tiêu, nội dung đối tượng nghiên cứu - + Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Comsol Multiphysic, mơđun tính tốn bền kết cấu + Xây dựng mơ hình mơ kiểm nghiệm bền kết cấu cấu khí cụ thể - Phương pháp tiến hành nghiên cứu: + Ứng dụng phần mềm SolidWork thiết kế cấu khí + Đưa chi tiết thiết kế vào phần mềm Comsol Multiphysics để phân tích kiểm nghiệm bền - Ý nghĩa khoa học giá trị ứng dụng đề tài: + Góp phần phổ biến, nâng cao chất lượng việc tính tốn, thiết kế mơ hình hóa cấu khí + Tiến hành bước đầu nghiên cứu ứng dụng phần mềm việc mô hình hóa CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS 1.1 Khái quát chung COMSOL Multiphysics phần mềm mơ phỏng, mơ hình hóa dựa sở vật lý (Physics) xây dựng sẵn mà người dùng tiếp cận cách trực quan COMSOL Multiphysics tao môi trường tương tác mạnh mẽ cho việc mơ hình hóa giải vấn đề khoa học kỹ thuật khác Phần mềm cung cấp môi trường mô trực quan, mạnh mẽ, thích hợp với người mơ lần đầu Với cơng cụ Model Builder có đầy đủ mơ hình mơ truy cập tất chức chúng Với COMSOL Multiphysics dễ dàng mở rộng, kết hợp mơ hình với nhiều sở vật lý (Physics) cụ thể lại với để trở thành mô đa mơ hình (Multiphysics) Hình 1.1 Phần mềm Comsol Multiphysics 5.4 COMSOL Desktop giúp tổ chức mô cách trình bày tổng quan rõ ràng mơ hình bạn thời điểm Nó sử dụng hình thức chức năng, cấu trúc thẩm mỹ làm phương tiện để đạt đơn giản cho việc mơ hình hóa thực tế phức tạp Các công cụ dành riêng cho tác vụ xuất hình cần; hiển thị có thể, điều loại bỏ khơng chắn khỏi việc xây dựng mơ hình mang lại trật tự cho mô Màn hình tạo thành từ số cửa sổ, hiển thị khơng hiển thị tùy theo nhu cầu Các cửa sổ bao gồm Trình tạo mơ hình, Cài đặt, Đồ họa, Thơng báo, Tiến trình, Trợ giúp cửa sổ khác COMSOL chứa Trình tạo ứng dụng (App Builder) sử dụng để phát triển ứng dụng dành riêng cho miền độc lập với giao diện người dùng tùy chỉnh Người dùng sử dụng cơng cụ kéo thả (Trình chỉnh sửa biểu mẫu) lập trình (Trình soạn thảo phương pháp) Các tính cụ thể đưa vào từ mơ hình tính giới thiệu thơng qua lập trình Nó chứa Trình xây dựng Vật lý để tạo giao diện vật lý tùy chỉnh truy cập từ COMSOL Desktop với giao diện giống giao diện vật lý dựng sẵn COMSOL Server phần mềm công cụ để chạy ứng dụng mơ tảng để kiểm sốt việc triển khai phân phối chúng Các ứng dụng người dùng phát triển chạy máy chủ COMSOL thơng qua trình duyệt web máy khách cài đặt Windows COMSOL bắt đầu vào tháng năm 1986 Svante Littmarck Farhad Saeidi Viện Cơng nghệ Hồng gia (KTH) Stockholm, Thụy Điển 1.2 Giao diện phần mềm Giao diện COMSOL bao gồm cửa sổ Model Builder, Settings, Graphics, Infomations cơng cụ hỗ trợ Hình 1.2 Giao diện phần mềm Comsol Multiphysics 5.4 Cửa sổ Model Builder cửa sổ cho phép người dùng có nhìn tổng quan thơng tin mơ hình bao gồm mơ hình vật lý (Geometry), tính chất vật liệu (Materials), gói sở vật lý sử dụng (Physics) Hình 1.3 Giao diện Model Builder Window 10 Geometry mơ hình vật lý khai báo để COMSOL dựa vào mơ hình tính tốn mơ đưa kết Có hai cách để tạo Geometry: (1) vẽ dựa công cụ Draw phẩn mềm, (2) sử dụng phần mềm AutoCad để vẽ nhập vào môi trường COMSOL Geometry COMSOL bao gồm dạng sau: 1D, 2D, 3D, 1D đối xứng (1D axisymmetric), 2D đối xứng (2D axisymmetric), 3D đối xứng (3D axisymmetric) Hình 1.4 Các dạng mơ hình vật lý Materials vật liệu khai báo cho COMSOL để xác định vật liệu Geometry Trong COMSOL ta khai báo vật liệu cách chọn vật liệu có sẵn thư viện thơng qua cửa sổ Add Materials tự định nghĩa vật liệu với thông số ta nhập vào qua chức Blank Material Hình 1.5 Cửa sổ khai báo vật liệu Cửa sổ Setting cho phép người dùng nhập, khai báo điều kiện ban đầu, biến sử dụng giá trị tương ứng với chức khác Đây cửa sổ thao tác trực tiếp 28 Chọn vật liệu cho cấu Kích phải chuột vào Materials >> Add Materials from Library Hình 2.9 Chọn vật liệu có sẵn thư viện Kích recent Materials >> Structural Steel >> Add to Component Hình 2.10 Chọn vật liệu cho cấu 29 Giới hạn miền cho phần tử Chọn phải chuột vào Multibody Dynamics (mbd) >> Rigid Domain Hình 2.11 Chọn Rigid Domain cho cấu Ở bước này, lần chọn phần tử mới, ta mở thêm Rigid Domain Từ truyền, trục khuỷu, piston ta giới hạn miền cho phần tử 30 Hình 2.12 Giới hạn miền cho phần tử Sau chọn trục khuỷu ta kích phải chuột vào Rigid Domain đổi tên Làm tương tự cho 13 phần tử gồm : trục khuỷu , truyền , piston , chốt Chọn khớp kết nối giữ phần tử Có loại khớp sau : Hình 2.13 Các loại khớp 31 Trong đó: - Khớp kết nối giữ truyền trục khuỷu khớp Hinge (Khớp lề) - Khớp piston chốt piston khớp Prismatic (Khớp lăng trụ) - Khớp truyền chốt piston khớp Prismatic Ta chọn khớp liên kết truyền trục khuỷu Chọn phải chuột vào Multibody Dynamics (mbd) >> Joints >> Hinge Joint Hình 2.14 Lựa chọn khớp kết nối trục khuỷu truyền Sau xuất bảng lựa chọn khớp kết nối : Tại cửa sổ Source, chọn truc khuỷu, cửa sổ Destination, chọn chuyền 32 Hình 2.15 Giới hạn bậc tự cho truyền trục khuỷu Click Center of Joint, chọn User Defined Tại ta giới hạn bậc tự truyền trục khuỷu Làm tương tự cho truyền 2,3,4 Chọn khớp kết nối piston, chốt piston truyền Tại ta chọn loại khớp Prismatic Joint 33 Hình 2.16 Chọn khớp kết nối piston truyền Làm bước chọn khớp liên kết truyền trục khuỷu ta Hình 2.17 Chọn khớp kết nối truyền trục khuỷu 34 Chọn khớp liên kết chốt piston truyền Hình 2.18 Chọn khớp kết nối chốt piston truyền Nhập phương trình dẫn động cho trục khuỷu Kích phải chuột vào trục khuỷu chọn Prescribed Displacement/Rotation Hình 2.19 Nhập phương trình dẫn động cho trục khuỷu 35 Ta thực gán phương trình chuyển động giới hạn bậc tự cho trục khuỷu Hình 2.20 Gán phương trình chuyển động giới hạn bậc tự cho trục khuỷu Đặt vận tốc quay cho truyền Kích phải chuột chọn Prescribed Motion Xuất bảng ta chọn Velocity để đổi đơn vị m/s Sau ta nhập vận tốc quay cho truyền 36 Hình 2.21 Đặt vận tốc quay cho truyền Tạo lưới cho cấu Phần mềm Comsol tính tốn dựa phương pháp phần tử hữu hạn, để phương pháp xác tồn diện phần tử chia nhỏ khiến cho kết tính tốn Vì ta cần tạo lưới cho cấu này, lưới có tác dụng khác nhau: - Mesh 1: Được tạo nhằm chia nhỏ miền cách chung nhằm tính tốn cho vị trí cấu tạo khơng trực tiếp chịu lực tác động - Mesh 2: Được tạo nhằm chia nhỏ lại lần từ Mesh nhằm tính tốn cho vị trí cấu tạo trực tiếp chịu lực giúp cho Comsol tính tốn cách xác toàn diện Chọn Mesh >> Build all 37 Hình 2.22 Kết sau chia lưới Mơ kiểm nghiệm bền cho cấu Nhập thơng số thời gian độ xác cho cấu Ta chọn Step : Time Dependent Hình 2.23 Nhập thời gian độ xác cho cấu 38 Chọn COMPUTE Ta thu kết quả: Hình 2.24 Kết sau tính tốn Kết thúc phần làm chung, người nhóm nghiên cứu chúng em đảm nhận nhiệm vụ khác nhau: - Nguyễn Tài Đặng: Kiểm nghiệm bền cho cấu trục khuỷu truyền - Nguyễn Ngọc Bách: Trình bày thuyết minh, tổng hợp liệu - Nguyên An Ninh: Lập Powpoint, thuyết trình 39 CHƯƠNG III : NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐÃ TÍNH TỐN 3.1 Tổng kết bước làm - Khi muốn phân tích tính bền cho cấu khí ta phải làm bước sau:  Xây dựng mơ hình 3D  Chọn vật liệu cho cấu  Giới hạn miền cứng chi tiết cấu  Đặt loại khớp liên kết chi tiết  Nhập phương trình chuyển động giới hạn bậc tự cho khớp  Chia lưới cho toàn cấu  Cài đặt u cầu cho q trình mơ tính bền cho cấu 3.2 Nhận xét kết Hình 3.1 Kết sau tính tốn - Cơ cấu trục khuỷu – truyền – piston phận quan trọng chiếm diện tích lớn động đốt tơ cấu khí điển hình ngành khí Trong q trình làm việc làm việc cấu chịu phụ tải thay đổi theo chu kỳ lực khí thể lực quán tính khối vận động thẳng quay làm cho bị kéo, nén, uốn với ứng suất lớn chịu mài mịn Do việc tính tồn kiểm 40 nghiệm bền trước sản xuất đơn hàng loạt điều vô quan trọng, từ kết tính tốn máy tính ta đưa biện pháp xử lý phần chịu lực nguy hiểm tiết kiệm nguyên vật liệu cho trình sản xuất Như hình kết tính tốn ta thu phận chịu lực nguy hiểm ta phải đưa biện pháp xử lý thích hợp 41 KẾT LUẬN Trên cơng trình nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng Comsol Multiphysic Xây dự ng mơ hình mơ kiểm nghiệm kết cấu khí” Dựa vào đồ án này, nhóm nghiên cứu chúng em tìm hiểu nghiên cứu thêm kiến thức phần mềm mơ hình mơ phương pháp kiểm nghiệm bền kết cấu khí Nhờ mà chúng em có hội tìm hiểu phần mềm Comsol Multiphysics – phần mềm mô tiếng toàn giới ứng dụng khí nói riêng ngành cơng nghiệp nói chung Chúng em kiểm nghiệm độ bền cấu trục khuỷu truyền Bên cạnh đó, thời gian tìm hiểu nghiên cứu nhóm chúng em ngắn, kiến thức chúng em chưa sâu rộng nên kết nghiên cứu chúng em dừng lại việc kiểm nghiệm cho cấu đơn giản Trong trình làm phân tích cịn nhiều sai sót, chúng em mong thầy bảo để chúng em hồn thiện Hiện tại, việc áp dụng phần mềm vào mơ hình mơ để kiểm nghiệm bền Việt Nam nên em mong cơng trình nghiên cứu nhóm chúng em giúp đỡ phần cho việc ứng dụng thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.comsol.com/video/multibody-dynamics-simulation-comsolmultiphysics https://www.comsol.com/video/multibody-dynamics-simulation-comsolmultiphysics https://www.youtube.com/watch?v=qNc03bW18JE https://www.comsol.com/video/modeling-mechanical-applications-comsolmultiphysics https://www.comsol.com/videos 42 ... dựng mơ hình mơ kiểm nghiệm bền kết cấu cấu khí cụ thể - Phương pháp tiến hành nghiên cứu: + Ứng dụng phần mềm SolidWork thiết kế cấu khí + Đưa chi tiết thiết kế vào phần mềm Comsol Multiphysics... dụng Comsol 22 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH PHÂN TÍCH 2.1 Sơ đồ trình tự phân tích kết cấu Comsol multiphysics Quy trình phân tích kết cấu Tạo dựng mơ hình CAD Xây dựng liên kết hai nhiều cấu Đặt lực vào... hình vật lý cấu cần kiểm nghiệm ………………………… 25 Hình 2.6 Chọn hình thức mơ cấu …………………………………………….26 Hình 2.7 Đưa cấu vào mơi trường làm việc …………………………………………26 Hình 2.8 Cơ cấu sau đưa vào mơi trường