THỰC tập PHẦN tử hữu hạn hướng dẫn sử dụng CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÔNG NGHIỆP ANSYS,Multiphysics

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bộ môn Cơ học vật liệu Kết cấu PGS.TS Nguyễn Mạnh Cường THỰC TẬP PHẦN TỬ HỮU HẠN Hướng dẫn sử dụng CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CƠNG NGHIỆP ANSYS/Multiphysics Họ, tên sinh viên: Lớp: Khóa: Hà nội 8/2015 BÀI I: HỆ THANH PHẲNG Phần I: Thực hành Ansys I Yêu cầu tính tốn: Xác định chuyển vị nút, phản lực liên kết ứng suất cầu Hình 1, cho E = 200GPa, =0.3, A = 3250mm2 Hình Cầu nhịp II Trình tự tiến hành: 1) Bước Đặt tên cho toán (ví dụ 'Bridge Truss Tutorial') *Trong menu Utility chọn File > Change Title: *Gõ tên toán chọn 'OK' 2) Bước Nhập điểm (Keypoints) Cây cầu xác định điểm với tọa độ sau: Keypoint Coordinate x y 1800 3118 3600 5400 3118 7200 9000 3118 10800 *Để nhập tọa độ điểm, Main Menu chọn: Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS *Gõ vào mục Keypoint number, nhập vào tọa độ x,y Chọn Apply *Nhập keypoints lại cách tương tự Chú ý: ấn vào OK để kết thúc việc nhập keypoints, chọn Apply OK nghĩa bạn nhập lần điểm *Nếu có sai sót, tìm lệnh Delete mục tương ứng để xóa vẽ lại 3) Bước Tạo đường thẳng *Chọn: Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord *Dùng chuột ấn vào keypoint 1, sau ấn tiếp vào keypoint 2, đường thẳng nối hai điểm xuất *Vẽ đường lại cách tương tự Ấn OK để đóng cửa sổ lại *Nếu vẽ biến chọn từ Utility menu chọn Plot > Lines 4) Bước Chọn kiểu phần tử *Chọn Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete *Ấn chuột vào nút 'Add ' Cửa sổ sau xuất hiện: *Đối với toán này, ta chọn phần tử 2D: chọn Link 2D spar cửa sổ OK 5) Bước Xác định thơng số hình học Đối với phần tử thanh, ta cần nhập diện tích mặt cắt ngang *Chọn Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete *Chọn Add 'Type LINK1' Chọn 'OK' Cửa sổ sau xuất hiện: *Gõ 3250 vào mục Cross-sectional area OK Chọn Close 6) Bước Vào thông số vật liệu *Chọn Preprocessor>Material Props > Material Models *Ấn chuột vào Structural > Linear > Elastic > Isotropic *Nhập mô đun đàn hồi thép cách gõ 200000 vào mục EX Nhập hệ số Poisson cách gõ 0.3 vào mục PRXY *Đóng cửa sổ "Define Material Model Behavior" cách ấn vào nút ‘X' góc bên phải cửa sổ 7) Bước Chia lưới Gồm giai đoạn + Giai đoạn 1: Đặt kích thước lưới cần chia Trong mục cần cách chia lưới theo số phần tử hay theo kích thước phần tử Việc thực chia lưới tiến hành giai đoạn sau *Chọn Preprocessor >Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines *Gõ số phần tử cần chia vào mục NDIV (ở 1) OK Ta chọn kiểu chia theo chiều dài phần tử cách gõ chiều dài phần tử cần chia vào mục SIZE + Giai đoạn : Thực chia lưới Sau xác định cách chia lưới từ Giai đoạn 1, ta tiến hành việc chia lưới để giải toán theo phương pháp PTHH *Chọn Preprocessor>Meshing > Mesh > Lines ấn vào Pick All cửa sổ Mesh Lines Kiểm tra kết quả: Để kiểm tra kết quả, ta số hiệu đường, số thứ tự nút điểm sau : *Từ Utility Menu chọn PlotCtrls > Numbering Thực lựa chọn cửa sổ ấn OK Bạn chọn để tắt số hiệu đường, điểm nút 8) Bước Lưu lại cơng việc vừa hồn thành *Từ Utility Menu chọn File > Save as gõ vào tên chọn đường dẫn để lưu file Việc lưu file có ích, kết cấu phức tạp sau có thao tác sai ta việc mở lại file lưu 9) Bước Giải toán (gồm đặt điều kiện biên, lực giải) Bạn mô toán, bước đặt điều kiện biên, lực giải tốn để tìm ứng suất chuyển vị Đầu tiên, bạn phải cho ANSYS phương pháp bạn dùng để giải toán a) Chọn Solution > Analysis Type > New Analysis Ấn chuột vào mục Static OK, ta giải toán tĩnh b) Đặt điều kiện biên: * Chọn Solution > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoints *Chọn điểm cực trái cầu (Keypoint 1) ấn OK cửa sổ Apply U,ROT on KPs *Cầu bị ngàm đầu trái nên tất bậc tự ‘DOF’ Do đó, chọn All DOF, gõ vào mục VALUE OK *Tương tự, ta áp dụng điều kiện biên UY=0 cho đầu phải cầu Lưu ý cửa sổ Apply U,ROT on KPs áp dụng hay nhiều điều kiện biên.Vì vậy, cần bỏ chọn All DOF chọn UY c Đặt lực tác dụng: Theo đầu bài, có lực 280kN, 210kN, 280kN, 360kN điểm tương ứng 1, 3, 5, * Chọn Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > on Keypoints * Chọn Keypoint thứ OK cửa sổ Apply F/M on KPs * Chọn FY mục Direction of force/mom * Nhập giá trị -280000 mục Force/moment value OK * Tương tự, nhập giá trị cho lực khác d) Giải toán: * Chọn Solution > Solve > Current LS Ấn OK cửa sổ Khi tính tốn xong, thơng báo Solution done ra, ấn Close để đóng cửa sổ 10) Bước 10 Hiển thị xử lý kết a Các phản lực liên kết * Chọn General Postproc > List Results > Reaction Solu * Tiếp theo, chọn All struc forc F OK b Biến dạng: * Chọn General Postproc > Plot Results > Deformed Shape * Ấn vào Def + undef edge OK để quan sát kết cấu trước sau biến dạng c Chuyển vị: * Chọn General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solution 10 * Ấn vào DOF solution USUM OK * Để thay đổi đơn vị đo màu bên dưới, ta làm sau: Utility Menu Plot Controls > Style > Contours > Uniform Contours * Điền thông tin hình vẽ OK 16 Số hiệu đường thẳng Điểm đầu Điểm cuối L1 L2 L3 L4 L5 (Ex: K, 1, 0.02, K, 2, 0.06, etc L, 1, etc.) Để tạo cung tròn từ điểm đến điểm 6, chọn Preprocessor> Modeling > Create > Lines >Arcs > By End KP’s & Rad Chọn điểm điểm OK Tiếp theo ấn chuột vào tâm cung tròn (điểm 7) OK Trong cửa sổ ra, nhập bán kính cung trịn RAD = 0.02 OK (LARC, 5, 6, 7, 0.02) Tạo hình phẳng từ đường vẽ: Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitraly > By lines Chọn Pick all, OK (AL, 1, 2, 3, 4, 6, 5) 17 BƯỚC 5: Chia lưới 1) Đặt kích thước lưới: Preprocessor > Meshing > Mesh Tool > Size controls: Areas > Set Ấn chuột vào OK, cửa sổ nhập giá trị 0.002 (AESIZE, 0.002) 2) Thực việc chia lưới: Vào Mesh Tool, cửa sổ Mesh section chọn Shape: Quad Free meshing Ấn chuột vào nút Mesh Chọn Pick All OK (AMESH) BƯỚC 6: Đặt điều kiện biên ngoại lực Đặt áp suất vào đường số 18 Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Pressure > On Lines Ấn chuột vào cạnh phải click OK Cửa sổ Apply Pressure on Lines xuất hiện, nhập -50000 cho mục Value (ơ phía trên) click OK (SFL, 2, PRES, -50000) đặt điều kiện biên đối xứng vào đường Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > Symmetry B.C > On Lines Chọn đường Click OK cửa sổ chọn (DL, 1, 1, SYMM DL, 4, 1, SYMM) BƯỚC 7: Giải toán (/SOLU SOLVE) Main Menu > Solution > Solve > Current LS Click OK.Sau tính tốn, ANSYS thơng báo "Solution is done!" BƯỚC 8: Xử lí kết 19 Main Menu > General Postproc /POST1 Vẽ hình biến dạng Main Menu > General Postproc > Plot Results > Deformed Shape Chọn Def + undeformed click OK Hình dạng vật thể trước sau biến dạng dựng cửa sổ đồ họa Biến dạng lớn maximum deformation DMX 0.232E-08m thơng báo xuất cửa sổ Để quan sát rõ hơn, ta tắt hình nền: Utility Menu > PlotCtrls > Style > Background > Display Picture Background Mô biến dạng thực: Utility Menu > PlotCtrls > Animate > Deformed Shape Chọn Def + undeformed click OK Chọn Forward Only Animation Controller Đóng bảng điều khiển Animation Controller Hiển thị phân bố ứng suất Von Mises Main Menu > General Postproc > Plot results > Contour Plot > Nodal Solu Chọn Nodal Solution > Stress > von Mises stress click OK Lưu thành file: Utility Menu > PlotCtrls > Hard Copy > To File Đặt tên file, chọn đường dẫn đến file cần lưu click Save Hiển thị kết ứng suất Von Mises phần tử Main Menu > General Postproc > Plot results > Contour Plot > Element Solu Select Element Solution > Stress > von Mises stress and click OK Xuất thành file: Utility Menu > PlotCtrls > Hard Copy > To File Hiện giá trị ứng suất điểm: Main Menu > General Postproc > Query Results > Subgrid Solu Cửa sổ Query Subgrid Solution Data xuất Chọn Stress từ danh sách bên trái, 1st principal S1 từ danh sách bên phải click OK Cửa sổ chọn xuất Ta click vị trí hình ANSYS in giá trị sigma1 vị trí Ghi lại giá trị ứng suất đề yêu cầu Thực tương tự để ghi lại biến dạng cần tìm tốn 20 Phần II: Bình luận kết quả, ý nghĩa học I Kết tính tốn ANSYS : Kết ghi lại bảng sau : Mục Giá trị Chuyển vị Lớn Ứng suất Nhỏ Lớn Nhỏ Vị trí II Trả lời câu hỏi sau: Câu : Với tải trọng tốn, có bị phá hủy khơng ? Câu : Tại khơng mơ tồn tấm? Lợi ích việc tính tốn ¼ ? Câu : Thế tượng tập trung ứng suất, tượng thường thấy đâu ? Trong ta thấy thể chỗ ? Câu : Giải thích biến dạng khơng thành dù tải trọng bên lỗ phân bố Câu : Theo kinh nghiệm thông thường, tập trung ứng suất xảy nơi nguy hiểm Dùng lý thuyết công lượng giải thích vị trí tập trung ứng suất khơng trùng với vị trí chuyển vị lớn nhât ! 21 BÀI III: TÍNH CẦU HAI NHỊP Phần I: Thực hành Ansys I u cầu tính tốn: Hình Cầu hai nhịp chịu tải trọng Khảo sát cầu hai nhịp chịu tải trọng Hình Tiết diện cầu có dạng hình vng rỗng giữa, BE = EC Các thông số vật liệu : E = 200 GPa,  = 0.3 A = 0.016617 m2, J = 2.96 x 10-4 m4 Hãy: 1) Vẽ biểu đồ lực cắt Qy mơ ment uốn 2) Tìm chuyển vị B C 3) Tính phản lực liên kết II Trình tự tiến hành: 1) Bước 1: Khởi động ANSYS Main Menu > Preferences>Structural Click OK 2) Bước 2: Chọn kiểu phần tử : Sử dụng phần tử BEAM3 Main Menu > Preprocessor > Element types > Add/edit/del > Add > Beam > 2d Chọn mặt cắt Main Menu > Preprocessor > Section > Beam > Common sections Chọn Sub-type cầu tương ứng Offset to: Centroid Click Preview để xem trước 22 Main Menu > Preprocessor >Real Constants>Add/Edit/Delete… 3) Bước 3: Nhập thông số vật liệu Main Menu > Preprocessor >Material Props > Material Models 23 4) Bước 4: Vẽ cầu Đầu tiên, phải tự tính tốn tọa độ điểm A, B, C Sau đó, tạo điểm nút (Keypoint 1, 2, 3) A, B C lệnh sau: Main Menu > Preprocessor >Modeling>Create>Keypoints>In active CS Nhập số thứ tự điểm vào mục NPT tọa độ điểm vào mục X,Y,Z Location in active CS Tiếp theo, nối AB, BC thành đoạn thẳng sử dụng lệnh: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight line Sau đó, ta cần có điểm E vị trí cách Keypoint 3,5m để đặt tải trọng tập trung Tạo điểm E: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Divide > Lines w/ Options Chọn đoạn thẳng chia cách click chọn L2 Click OK Nhập NDIV=2 RATIO=0.5 Click OK 5) Bước 5: Chia lưới Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Default Attribs> OK Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool Từ cửa sổ pop up Mesh Tool ra, Click Set (hình vẽ), chọn Pick All Tại cửa sổ pop up ra, ta định nghĩa độ dài cạnh phần tử số lượng phần tử chia Nhập Element Edge Length 0.1 Click OK 24 Từ cửa sổ Mesh Tool, Mesh: Line, click Mesh, chọn Pick All Để thấy nút số thứ tự phần tử: Plot Ctrls >Numbering>Node Numbers Plot Ctrls >Numbering >Element/Attr Numbering, chọn Plot > Elements Bước 6: Đặt điều kiện biên tải trọng 25 Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > On Keypoint Chọn Keypoint 1, chọn UX, UY Gõ vào mục VALUE Click Apply Tương tự, đặt điều kiện biên UY=0 cho Keypoint Đặt lực tập trung: Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural >Force/Moment> Chọn Keypoint Chọn FY nhập -50000 cho giá trị lực Đặt tải trọng phân bố: 26 Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Apply> Structural> Pressure> Chọn tất phần tử nằm điểm A B cách click vào Box kéo – giữ chuột để chọn tất phần tử Click OK Nhập giá trị tải trọng tập trung VALI = 200e3 kN/m  Để hình vẽ 3D tiết diện: Từ Utility menu chọn Plot Controls > Style > Size and Shape, sau ấn chuột vào cạnh mục Display of Element OK 27 Bước 7: Giải toán Main Menu > Solution > Solve > Current LS Click OK cửa sổ pop up Solve Current Load Step Bước 8: Xử lí kết Plot Deformed Shape Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot> Nodal Solution Chọn DOF solution> UY In Items to be plotted, select Deformed+Undeformed Click OK Sau ta vẽ biểu đồ nội lực moment uốn dầm: Để vẽ biểu đồ, trước hết phải tạo Element Table, nghĩa kết ta muốn vẽ đồ thị Main Menu > General Post Proc > Element Table > Define Table > Add Các mục Element Table xác định cách sử dụng option: “By sequence num” Đối với phần tử Beam3, sequence number cho moment uốn nút I (nút trái phần tử dầm) có giá trị cho nút J (nút phải phần tử dầm) có giá trị 12 Tương tự, sequence number cho nội lực hướng theo trục Y nút I có giá trị cho nút J có giá trị + Trong mục Lab gõ Imoment, chọn By sequence number, ấn chuột vào SMISC, gõ Apply + Trong mục Lab gõ Jmoment, chọn By sequence number, ấn chuột vào SMISC, gõ 12 Apply + Trong mục Lab gõ Iforce, chọn By sequence number, ấn chuột vào SMISC, gõ Apply + Trong mục Lab gõ Jforce, chọn By sequence number, ấn chuột vào SMISC, gõ OK Ta thu bảng sau: Chọn Close để đóng cửa sổ Element Table Data 28 Để biểu đồ sử dụng lệnh: Main Menu > General Post Proc > Plot Results > Contour Plot > Line Element Res + Vẽ biểu đồ nội lực: Trong cửa sổ Plot Line-Element Results window chọn Iforce cho mục Element table item at node I Jforce cho mục Element table item at node J OK + Vẽ biểu đồ moment uốn: Trong cửa sổ Plot Line-Element Results window chọn Imoment cho mục Element table item at node I Jmoment cho mục Element table item at node J OK  Dùng lệnh tương tự hai toán trước để ghi lại giá trị chuyển vị B, C, E phản lực liên kết nhằm trả lời câu hỏi 29 Phần II: Bình luận kết quả, ý nghĩa học I Kết tính tốn: Dùng mơ hình phần tử, giải tốn tay sử dụng công thức lý thuyết PTHH học Kết ghi lại bảng sau : Mục Vị trí Góc xoay (rad) Tại B Tại C Chuyển vị (m) Tại E Tại A Phản lực liên kết (N) Tại B Tại C Lý thuyết ANSYS II Trả lời câu hỏi sau: Câu : Ứng suất pháp cầu tính theo cơng thức ? Theo biểu đồ mô men uốn thu được, điểm nguy hiểm kết cấu nằm đâu? Câu : Nhận xét giải thích khác kết tính tốn lý thuyết ANSYS ? Để nâng cao độ xác cần phải làm ? Câu : Nếu chia đoạn dầm thành 10000 phần tử, điều xảy ra, liệu kết có xác khơng ? Câu : Rút ưu nhược điểm phương pháp PTHH nhận xét chương trình tính tốn cơng nghiệp ANSYS 30 BÀI IV: LẬP TRÌNH ANSYS APDL CHO HỆ LỊ XO Hình Hệ lị xo u cầu : 1.Vẽ biến dạng 2.Hiện phản lực liên kết 3.Hiện chuyển vị nút Sau tồn chương trình : /filnam,spring ! Đat ten cho bai toan /prep7 ! Buoc vao menu preprocessor et,1,14 ! Chon kieu Element Type la Combin14 r,1,1000 ! Dat gia tri real constant set 1, VALUE 1=1000 (do cung lo xo) r,2,500 ! Dat gia tri real constant set 2, VALUE 1=500 (do cung lo xo) n,1,0,0,0 ! Tao nut tai (x,y,z)=(0,0,0) n,2,1,0,0 ! Tao nut tai (x,y,z)=(1,0,0) n,3,2,0,0 ! Tao nut tai (x,y,z)=(2,0,0) n,4,2,0,0 ! Tao nut tai (x,y,z)=(2,0,0) nlist ! Hien danh sach ten va vi tri cac nut /pnum,node,1 ! Chon option de hien so hieu cac nut tren hinh ve e,1,2 ! Tao mot phan tu Combin14 tu nut va nut real,2 ! Kich hoat real constant set (k=500) la real constant nhat hoat dong e,2,3 ! Tao mot phan tu Combin14 tu nut va nut e,2,4 ! Tao mot phan tu Combin14 tu nut va nut /solu ! Buoc vao menu Solution d,1,all,0 ! Dat dieu kien bien tat ca chuyen vi tai nut bang d,3,all,0 ! Dat dieu kien bien tat ca chuyen vi tai nut bang d,4,all,0 ! Dat dieu kien bien tat ca chuyen vi tai nut bang d,2,uy,0 ! Dat dieu kien bien UY=0 tai nut d,2,uz,0 ! Dat dieu kien bien UZ=0 tai nut f,2,fx,-4000 ! Dat mot luc tap trung F=4000 lb vao nut theo chieu am cua truc X solve ! Giai bai toan /post1 ! Buoc vao menu General postprocessor plnsol,u,x ! Hien hinh ve cac chuyen vi nut UX prrf ! In cac phan luc lien ket prns,u,x ! In cac chuyen vi nut save ! Giu tat ca cac thong tin vao file ten la “spring.db” /eof ! Dong chuong trinh ANSYS ... chuyển vị B C 3) Tính phản lực liên kết II Trình tự tiến hành: 1) Bước 1: Khởi động ANSYS Main Menu > Preferences>Structural Click OK 2) Bước 2: Chọn kiểu phần tử : Sử dụng phần tử BEAM3 Main Menu... Table xác định cách sử dụng option: “By sequence num” Đối với phần tử Beam3, sequence number cho moment uốn nút I (nút trái phần tử dầm) có giá trị cho nút J (nút phải phần tử dầm) có giá trị... lưới theo số phần tử hay theo kích thước phần tử Việc thực chia lưới tiến hành giai đoạn sau *Chọn Preprocessor >Meshing > Size Cntrls > ManualSize > Lines > All Lines *Gõ số phần tử cần chia