Nghiên cứu thiết kế, chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại

Cơ quản chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì: Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ -TKV

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Đỗ Trung Hiếu

DUYỆT VIỆN

Hà Nội, 2007

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

TT Họ và tên Nghề nghiệp Cơ quan công tác

1 Đỗ Trung Hiếu Thạc sỹ Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 2 Trần Đức Thọ Thạc sỹ Máy và Dụng cụ

Công nghiệp

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 3 Hoàng Văn Vĩ Kĩ sư Chế tạo máy mỏ Viện Cơ khí Năng lượng

và Mỏ - TKV 4 Đàm Hải Nam Kĩ sư Công nghệ Chế tạo

máy

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV 5 Nguyễn Đức Toàn Thạc sỹ Máy và Dụng cụ

Công nghiệp

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 6 Vũ Quang Hà Thạc sỹ Công nghệ Chế

tạo máy

Công ty TNHH Công nghiệp Quang Nam 7 Vương Thế Hà Kỹ sư Cơ khí Phó GĐ Công ty CP Cơ

khí Ôtô Uông Bí 8 Trương Mậu Đạt Kỹ sư Cơ khí Tr Phòng KCS Công ty

CP Cơ khí Ôtô Uông Bí 9 Vũ Văn Công Kỹ sư Công nghệ Chế

tạo máy

Tr Phòng KT Công ty CP Cơ khí Ôtô Uông Bí

Môc lôc

Trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tình hình sử dụng tàu điện ắc qui tại các mỏ than Việt Nam 5

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu phi kim loại 7

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SẢN PHẨM 15

2.1 Nghiên cứu điều kiện làm việc của vỏ bình ắc qui 15

2.2 Phân tích lựa chọn kết cấu và vật liệu chế tạo sản phẩm 16

2.3 Chọn loại nhựa để chế tạo sản phẩm 17

2.4 Dùng phần mềm ANSYS9.0 tính toán kết cấu của vỏ bình 19

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUÔN 44

3.1 Tìm hiểu khuôn ép nhựa 44

3.2 Xây dựng quy trình thiết kế, chế tạo bộ khuôn ép phun 49

3.3 Ứng dụng phần mềm Moldflow để đánh giá các bộ khuôn 63

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM 72

4.1 Quy trình công nghệ chế tạo khuôn 72

4.2 Quy trình công nghệ chế tạo vỏ bình 72

4.3 THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 73

Ch−¬ng 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sử dụng tàu điện ắc qui tại các mỏ than Việt Nam

Để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng năng lượng của nền kinh tế, trong những năm qua ngành Than Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ và sẽ còn phát triển mạnh trong những năm tiếp theo Sản lượng than theo quy hoạch được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Sản lượng than khai thác theo quy hoạch

Sản lượng năm (Triệu tấn)

2007 2008 2009 2010 2015 2020

1 Than nguyên khai 35,33 36,71 40,525 44,64 50,185 54,755 1.1 Lộ thiên 19,77 19,46 19,785 18,57 18,615 18,155 1.2 Hầm lò 15,56 17,25 20,740 26,07 31,570 36,600

Nguồn: Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam

Qua bảng trên ta thấy sản lượng than tăng nhanh theo các năm trong đó sản lượng than lộ thiên sẽ giảm dần và sản lượng than hầm lò tăng mạnh Để đáp ứng được tốc độ tăng trưởng sản lượng trên đòi hỏi ngành than phải đổi mới, hiện đại hoá công nghệ và thiết bị, thực hiện cơ giới hoá đồng bộ các khâu trong dây truyền sản xuất Một trong các khâu quan trọng trong dây truyền sản xuất than hầm lò chính là khâu vận tải Trong ngành than hiện nay áp dụng rất nhiều phương thức vận tải trong hầm lò như:

+ Vận tải bằng băng tải; + Vận tải bằng máng cào; + Vận tải bằng Skíp; + Vận tải bằng xe gòong

Khi vận tải bằng xe goòng thì cũng có những hình thức khác nhau như: Xe goòng kéo cáp, xe goòng kéo bằng đầu tàu điện cần vẹt, xe goòng kéo bằng đầu tàu điện ắc quy

Đối với đầu tàu điện ắc quy hiện nay cũng sử dụng hai loại bình ắc quy là ắc quy chì axít và ắc quy kiềm Song so với ắc quy chì, ắc quy kiềm có ưu

thế tuyệt đối hơn hẳn về tuổi thọ (gấp 10 ÷ 15 lần ắc quy chì về thời gian sử dụng) và độ an toàn cho người và thiết bị (con người không bị bỏng nặng khi sơ suất; thiết bị không bị ăn mòn do hơi axít) Bởi vậy ắc quy kiềm được các đơn vị sử dụng phổ biến hơn

Các loại ắc quy dùng trong Tập đoàn Than – Khoáng sản hiện nay có xuất sứ từ rất nhiều nguồn khác nhau như của Liên Xô (cũ); của Ba Lan; của Trung Quốc Hiện tại Công ty Cổ phần Cơ khí ôtô Uông Bí là đơn vị duy nhất trong ngành đã chế tạo và cung cấp được các loại bình ắc quy tàu điện mỏ Sản lượng và chủng loại bình ắc quy đã tiêu thụ của công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí trong năm 2006 và 2007 được liệt kê trong Bảng 1.2

Bảng 1.2: Sản lượng và chủng loại bình ắc quy đã tiêu thụ Sản lượng tiêu thụ TT Chủng loại

Tuy nhiên hiện nay Công ty vẫn áp dụng công nghệ làm vỏ bình bằng kim loại và được bọc một lớp ủng cao su trước khi lắp đặt lên đầu tàu điện Để có thể thay thế vỏ bình ắc quy từ sắt sang vỏ bình bằng nhựa, Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV đã tiến hành đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ bình ắc quy tàu điện mỏ bằng vật liệu phi kim loại Kết quả thành công của đề tài sẽ được chuyển giao cho Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí sản xuất để góp phần phục vụ ngành Than – Khoáng sản

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vật liệu phi kim loại 1.2.1 Ứng dụng vật liệu phi kim loại của thế giới

Trên thế giới, người ta đã ứng dụng chất dẻo để thay thế các vật liệu truyền thống từ lâu để sản xuất ra các sản phẩm kỹ thuật, các hàng hóa tiêu dùng Hiện nay chất dẻo kỹ thuật được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp ôtô, xe máy, điện tử, điện lạnh, các chi tiết phụ tùng thiết bị máy móc, các thiết bị quang học, trong lĩnh vực thể thao và phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác Ưu điểm của việc gia công các sản phẩm kỹ thuật bằng chất dẻo là: có khả năng sản xuất với sản lượng lớn và năng suất cao; có thể thay đổi nhanh nhiều kiểu dáng khác nhau; sản xuất được các sản phẩm từ trong suốt đến nhiều màu sắc; chịu được tác động của môi trường hoá chất; chịu mài mòn, chịu nhiệt độ; cách điện tốt; sản phẩm nhẹ dễ gia công, dễ lắp ráp; giá thành hạ có sức cạnh tranh so với vật liệu truyền thống

Hiện nay, thế giới ứng dụng cả nhựa thông dụng, chất dẻo kỹ thuật, composite… để chế tạo các sản phẩm kỹ thuật phục vụ cho các ngành kinh tế Để tăng cường cơ tính, người ta phải gia cường sợi thuỷ tinh hoặc khoáng chất vô cơ… thường mức gia cường từ 15% đến 60%

Các nước có nền công nghiệp hoá dầu tiên tiến đều sản xuất các loại chất dẻo kỹ thuật phù hợp với nhu cầu của nước mình Ví dụ: Polyoximethylene (POM), Polybutylene Terephthalate (PBT), Polythylene Terephthalate (PET), Nylon 6,66 (Poly amide), Polycarbonate (PC) Termo poly urethne (TPU), Poly phenylene (PPS)… Hoặc phối chế các loại nhựa kỹ thuật để có được hỗn hợp nhựa đáp ứng về yêu cầu kỹ thuật như phối chế PC với ABS và gia cường bằng sợi thuỷ tinh từ 10% đến 20% để có tính ổn định kích thước rất cao, ổn định và có độ bền va đập ngay cả ở nhiệt độ thấp (-500C)

Ngoài vật liệu nhựa nhiệt dẻo (Thermo plastic), người ta cũng ứng dụng nhựa nhiệt cứng (Thermo Sets) vào gia công chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật, vì chúng có độ ổn định lớn, chịu nhiệt, chịu hoá chất, cách điện

tốt… hơn so với nhựa nhiệt dẻo, nếu được gia cường thì các đặc tính được tăng lên rất nhiều và có giá trị về mặt kinh tế

Trong lĩnh vực gia công chế tạo các sản phẩm nhựa kỹ thuật hiện nay, vật liệu Composite được ứng dụng nhiều Composite là vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu Vật liệu nền của Composite có thể là Polyme, Kim loại, hợp kim, gốm hoặc cacbon Vật liệu cốt của Composite có thể là khoáng chất, sợi thủy tinh, sợi chất dẻo hoặc sợi kim loại, sợi cacbon Composite có thể đáp ứng được một loạt các đòi hỏi cao của kỹ thuật hiện đại như độ bền cao, nhẹ, có thể chịu được nhiệt độ đến 30000C Vật liệu Composite Polyme được thay thế cho kim loại để chế tạo các chi tiết của máy bay, tên lửa, áo giáp cho cảnh sát, quân đội, ống dẫn dầu khí, hóa chất, vỏ và các chi tiết của ôtô, các thiết bị khác của ngành chế tạo máy Để nâng cao cơ lý tính và giảm trọng lượng, xu hướng dùng sợi cac bon làm cốt cho Polyme đang được ứng dụng và phát triển nhanh Composite Polyme sợi cacbon được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thể thao, y tế, hàng không…

Hiệu quả vật liệu Composite polyme sợi các bon được sử dụng trong việc chế tạo máy bay AN-124 của Nga (Số liệu của VS TSKH Nguyễn Đình Đức):

- Số lượng các chi tiết máy bay được chế tạo bằng vật liệu Composite Polyme sợi các bon: 200 chi tiết phụ tùng

- Giảm được trọng lượng máy bay: 800kg - Tăng khối lượng vận chuyển: 1108 tấn/km - Tiết kiệm nhiên liệu: 1,2.104 tấn - Giảm mức độ phức tạp khi chế tạo: 300 %

Với những tính năng, ưu điểm như vậy, mức tiêu thụ nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật trên thế giới có tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm là 7% (theo số

liệu của hãng Bager) Năm 1972, cả thế giới mới tiêu thụ khoảng 1,2 triệu tấn, năm 2000 tiêu thụ khoảng 8,5 triệu tấn, năm 2006 tiêu thụ khoảng 12 triệu tấn

1.2.2 Ứng dụng vật liệu phi kim loại tại Việt Nam

Ngành gia công chất dẻo của Việt Nam tuy phát triển nhanh thời gian qua, nhưng cũng bộc lộ một số mặt yếu kém:

- Các thành phần kinh tế đều đầu tư vào ngành gia công chất dẻo, nhưng còn mang tính tự phát, nên dẫn đến sự hợp tác, hiệu quả kinh tế chưa cao, nhiều khi mất cân đối giữa cung và cầu

- Chưa chủ động được về nguyên liệu đầu vào Hiện nay, nguyên liệu sản xuất trong nước mới đáp ứng được khoảng 10 % nhu cầu, chủ yếu là nhựa PVC

- Chưa có một cơ sở nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật của ngành hoặc chuyên ngành

- Sử dụng các loại chất dẻo có nhiều để sản xuất các sản phẩm kỹ thuật cao cấp, thay thế các vật liệu truyền thống còn thấp

Từ những năm đầu của thập kỷ 90, chất dẻo kỹ thuật đã được chính thức sử dụng tại Việt Nam để chế tạo các bánh răng, gối đỡ của đồng hồ đo nước và đồng hồ đo điện, lẫy của bút bi (POM), các chi tiết phụ tùng máy dệt (PA) vỏ quạt, đồ điện (ABS), ống và phụ tùng cấp thoát nước PVC

Trong những năm qua, việc sử dụng nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật để gia công chế tạo chi tiết phụ tùng phục vụ cho việc lắp ráp các sản phẩm điện, điện tử, điện lạnh, xe hơi, xe máy, bưu chính viễn thông còn quá nhỏ bé Chỉ đến năm 2000, do việc đẩy mạnh tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm kỹ thuật, đặc biệt là nội địa hóa xe máy, nên tỷ trọng nhựa kỹ thuật đã được đẩy lên đến 25% (Sản phẩm nhựa kỹ thuật cao, năm 1992 đạt 500 tấn, bằng 5%; năm 2000 đạt 30.000 tấn, bằng 25%)

Một trong những chiến lược phát triển công nghiệp Nhựa Việt Nam là tăng dần tỷ trọng sản phẩm nhựa kỹ thuật phục vụ công nghiệp, trước hết là công nghiệp ôtô, xe máy, điện tử, điện lạnh, phụ tùng chi tiết thiết bị máy móc Hiện nay, đã có hàng chục hãng sản xuất xe hơi danh tiếng trên thế giới đầu tư lắp ráp xe với mục đích đến năm 2005, nâng tỷ trọng nội địa hoá 25%

Ngành công nghiệp lắp ráp xe máy cũng phát triển rất mạnh với tỷ lệ nội địa hoá đạt 40 - 50 % Bên cạnh đó, cần thoả mãn các chi tiết nhựa của 2 triệu TV, 1 triệu máy vi tính và khoảng 5 triệu điện thoại hàng năm

Tại thời điểm này, vật liệu Composite tiêu thụ tại Việt Nam khoảng 5.000 tấn/năm Composite được dùng phổ biến để sản xuất các mặt hàng gia dụng như bàn, ghế, bồn tắm, đồ chơi và các sản phẩm công nghiệp như thuyền bè, canô, bồn chứa hoá chất Một trong những cơ sở sản xuất lớn sản phẩm Composite là Công ty TNHH Kiên Giang chuyên sản xuất canô, xuồng, ghe, bồn chứa nước, bồn thực phẩm, cống thủy lợi và sản phẩm của công nghiệp ô tô

Chất lượng sản phẩm nhựa nói chung và sản phẩm nhựa kỹ thuật nói riêng phụ thuộc vào 4 yếu tố: Nguyên liệu nhựa; Máy móc thiết bị; Khuôn đúc; Công nghệ Do đó, để có thể có một ngành công nghiệp nhựa tiên tiến, đủ sức cạnh tranh trên thị trường khu vực và quốc tế, ngành Nhựa cần phải có những điều kiện tối thiểu để chủ động sản xuất chế tạo, chí ít là một trong 4 yếu tố này, đặc biệt là về nguyên liệu và khuôn đúc Chắc chắn khi và chỉ khi làm được như vậy, ngành nhựa kỹ thuật cao nước ta mới phát triển đúng với tiềm năng vốn có của mình về thị trường cũng như năng lực sản xuất, nhất là khi ngành đang có trong tay nhiều thiết bị công nghệ tiến tiến hiện đại, cùng một thị trường rộng lớn với hơn 83 triệu dân trong nước và khoảng 600 triệu dân trong khu vực ASEAN

1.2.3 Tình hình nghiên cứu sản xuất vật liệu nhựa

Sản lượng ngành nhựa Việt Nam trong những năm gần đây tăng mạnh là do nhu cầu của xã hội về sản phẩm nhựa ngày càng lớn cũng như thị hiếu của người tiêu dùng thích đa dạng hóa mẫu mã và nâng cao mức độ tiện ích đồ gia dụng, tính năng của một số sản phẩm nhựa công nghiệp bền và rẻ Một phần nguyên nhân của sự tăng trưởng này là do các doanh nghiệp nhựa có kế hoạch đầu tư đúng đắn và phù hợp với nhu cầu thực tế thể hiện qua các hoạt động của các doanh nghiệp như nghiên cứu thị trường, định hướng chuyên môn hóa sản phẩm, không sản xuất đại trà nhiều ngành hàng

Chỉ số chất dẻo sản xuất được tính trên đầu người Việt Nam thấp hơn nhiều so với các nước khác trên thế giới, năm 1996 là 5,58kg/người, năm 2000 là 11,57kg/người và năm 2005 là 14kg/người và mục tiêu tới năm 2010 là 30kg/người Riêng Thành Phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận là 100kg/người Việt Nam cần thực hiện chiến lược và chương trình mạnh mẽ để phát triển ngành này

Ngành nhựa Việt Nam thực chất là một ngành kinh tế kỹ thuật về gia công chất dẻo, hiện chưa có khả năng sản xuất ra nguyên vật liệu nhựa, gần như toàn bộ nguyên vật liệu sản xuất ra sản phẩm nhựa phải nhập từ nước ngoài Ngành nhựa có ưu điểm là công nghệ cập nhật hiện đại, tốc độ quay vòng nhanh, sử dụng lao động kỹ thuật là chính, sản phẩm đa dạng, phục vụ được nhiều đối tượng, lĩnh vực công nghiệp, cũng như trong tiêu dùng hàng ngày của xã hội Theo thống kê, 70% nhu cầu vật chất cho đời sống con người được làm bằng nhựa, từ đó chỉ số chất dẻo trên đầu người được thỏa mãn là 30 kg/người (Việt Nam hiện mới chỉ đạt khoảng 14kg/người), còn đạt trên 100kg/người là quốc gia có nền công nghiệp nhựa tiên tiến

Nổi bật nhất trong những năm qua là sự vươn lên mạnh mẽ của khối các công ty tư nhân Theo thống kê sơ bộ của Hiệp hội nhựa Việt Nam, các công ty tư nhân hiện sản xuất tới 70% sản lượng của cả nước, trong khi cách đây 5 năm con số này chỉ đạt 20%

Máy móc thiết bị ngành nhựa chủ yếu được nhập từ châu Á Các công nghệ mới hiện đại trong 8 ngành kinh tế kỹ thuật nhựa đều đã có mặt tại Việt Nam, tiêu biểu như các công nghệ sản xuất vi mạch điện tử bằng nhựa, DVD, CD, chai 4 lớp, chai Pet, Pen, màng ghép phức hợp cao cấp BOPP Ðến nay, cả nước có hơn 5000 máy bao gồm: 3000 máy ép (injection), 1000 máy thổi (bowling injection) và hàng trăm profile các loại trong đó 60-70% là máy đời mới Trên 99% máy móc thiết bị nhập thông qua cảng TP Hồ Chí Minh (tổng giá trị hơn 26 triệu USD) là máy đời mới

Công nghệ áp dụng trong ngành sản xuất nhựa Việt Nam hiện nay bao gồm: Công nghệ ép phun (Injection Technology): Ðây là công nghệ truyền

thống của ngành sản xuất nhựa, được phát triển qua 4 thế hệ máy, thế hệ thứ 4 là các loại máy ép điện, ép gaz đang được áp dụng phổ biến ở các quốc gia có công nghiệp nhựa tiên tiến (Mỹ, Ðức, Nhật ) đang thâm nhập vào thị trường châu Á Loại công nghệ này phục vụ cho các ngành công nghiệp điện tử, điện dân dụng, sản xuất xe hơi và các ngành công nghiệp khác, đỉnh cao của công nghệ này là công nghệ nhựa vi mạch điện tử Tại Việt Nam, hiện có gần 3000 thiết bị ép phun, trong đó có 2000 máy ở thế hệ thứ 2, thứ 3 (những năm 90) Trước đây công nghệ ép phun được sử dụng sản xuất hàng gia dụng nay đã chuyển sang hàng nhựa công nghiệp phục vụ cho các ngành công nghiệp khác, sản phẩm của nó đụơc thay thế các chất liệu khác như gỗ, sắt, nhôm trong công nghiệp bao bì và hàng tiêu dùng

Công nghệ đùn thổi (Blowing injection technology): Ðây là công nghệ thổi màng, sản xuất ra các loại vật liệu bao bì nhựa từ màng, dùng trong các công nghệ thổi túi PE, PP và màng (cán màng PVC) Các loại máy thổi được cải tiến từ Việt Nam để thổi túi xốp từ nhiều loại nguyên liệu phối kết, sử dụng các loại nguyên liệu từ đơn nguyên PE, PP đến phức hợp OPP, BOPP thông qua giai đoạn cán kéo hai chiều, bốn chiều Hiện nay nhiều doanh nghiệp nhựa sử dụng công nghệ đùn thổi bằng nhiều thiết bị nhập từ các nước, nhiều thế hệ để sản xuất các sản phẩm bao bì nhựa Bên cạnh đó, ngành thổi bao bì dạng chai nhựa tiên tiến như PET, PEN, thùng phuy đều phát triển từ công nghệ đùn thổi

Công nghệ đùn đẩy liên tục (Profile): Ðược cải tiến từ công nghệ truyền thống đùn thổi, từ nhu cầu tiêu dùng của xã hội phát triển được hình dung thành các nhóm hàng sau đây:

- Nhóm sản phẩm dạng ống, từ ống PVC thoát nước đến PE cấp nước, cao cấp là các sản phẩm ống phức hợp nhôm nhựa, ống phức hợp gaz, cáp quang

- Nhóm sản phẩm vật liệu xây dựng, gia công thành phẩm khung cửa PVC, tấm trần, vách ngăn

Công nghệ chế biến cao su nhựa: Là công nghệ ép sử dụng phổ biến trong các ngành chế biến cao su và các công nghệ ép phun sử dụng cùng lúc hai loại nguyên liệu nhựa và cao su Latex hoặc nhựa phối kết với cao su thiên nhiên với dạng compound Là ngành kinh tế kỹ thuật nhựa có sức thu hút lớn chiếm vị trí thứ 3 trong 8 ngành kinh tế kỹ thuật nhựa Công nghiệp gia công giày, dép nhựa cũng gắn liền với công nghệ này

Các công nghệ khác như: Composite, Melamine, Công nghệ EVA, PU, EPS và các công nghệ phụ Thực trạng công nghệ nhựa hiện nay vừa thoát khỏi giai đoạn phát triển tự nhiên, từng bước đi vào quỹ đạo có quy hoạch, có định hướng, đặc biệt quá trình hội nhập đã thúc đẩy ngành nhựa phát triển mạnh hơn, nhanh hơn

Tuy đạt nhiều thành công trong 6 năm gần đây, nhưng ngành nhựa Việt Nam vẫn trong tình trạng lệ thuộc nguồn nguyên liệu nhập khẩu của nước ngoài Công nghiệp chế tạo khuôn mẫu cũng rất yếu, chỉ sản xuất được những bộ khuôn chất lượng trung bình và không yêu cầu độ chính xác cao

Trong cơ cấu sản phẩm, hàng tiêu dùng chiếm đến 63%, còn lại khoảng 20% là bao bì, 8% sản phẩm dùng làm vật liệu xây dựng Sản phẩm nhựa kỹ thuật dùng cho các ngành điện, điện tử, xe gắn máy, chỉ có 4% Điều đó cho thấy, trình độ công nghệ của ngành nhựa Việt Nam vẫn còn ở mức thấp

Mục tiêu của Việt Nam trong 10 năm tới là hiện đại hóa công nghệ, thiết bị và tăng dần tỷ trọng sản phẩm nhựa kỹ thuật để thay thế hàng nhập khẩu Đặc biệt là sản xuất phụ tùng cho các ngành công nghiệp ô tô, xe gắn máy, điện tử và điện lạnh

Các công ty nhựa Việt Nam đang có xu hướng chuyển sang nhập khẩu thiết bị của các nước Châu Âu, chẳng hạn như của Cincinati, Milacron, Arburg, Krauss Maffei, Reifenhauser Đồng thời nhiều doanh nghiệp cũng tỏ ra quan tâm và sử dụng các loại nguyên liệu nhựa kỹ thuật của Atochem, Hoesch, Dupont, Mitsui, Sumitomo, Hn Hwa, Idemitsu Tuy thiếu vốn, nhưng các công ty hàng năm vẫn dành ra trên 70 triệu USD để mua sắm thiết bị khuôn mẫu và xây dựng nhà xưởng

Nguyên vật liệu của ngành nhựa phải nhập gần như 100% Hiện nay Việt Nam nhập khoảng 40 loại nguyên vật liệu chính và hàng trăm loại hóa chất và nguyên vật liệu phụ trợ Trong khi các nước khu vực xung quanh ta đã sản xuất được nguyên vật liệu nhựa Thái Lan đã sản xuất hầu hết các loại nguyên vật liệu nhựa thông dụng như PELD, PEHD, PP, PS, PVC Riêng PVC có hai nhà sản xuất với tổng công suất 300.000tấn/năm Singapore tổng công suất trên 550.000 tấn/năm Malaysia với tổng công suất PVC và PS là 76.000 tấn/năm Việt Nam phải nhập hầu hết nguyên vật liệu dùng cho sản xuất sản phẩm nhựa là do ngành sản xuất nguyên vật liệu nhựa gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyên liệu đầu vào, giá cả một số loại nguyên liệu còn cao hơn nguyên liệu nhập như (PVC của MitsuiVina) Ngoài ra chủng loại nguyên liệu sản xuất trong nước còn hạn chế Các nhà máy chỉ tập trung vào sản xuất các chủng loại được tiêu thụ nhiều Chẳng hạn như Mitsui Vina chỉ tập trung sản xuất PVC huyền phù có chỉ số Polyme là K66 Chính vì vậy, kể cả khi giá nguyên liệu sản xuất trong nước thấp hơn giá nhập khẩu thì các doanh nghiệp ngành nhựa Việt Nam vẫn phải nhập khẩu nhiều loại nguyên liệu của nước ngoài Do hiện nay ngành nhựa Việt Nam phụ thuộc hoàn toàn vào nguyên liệu nước ngoài nên bất cứ sự biến động nào trên thị trường thế giới cũng ảnh hưởng trực tiếp đến ngành nhựa Vì vậy ngành nhựa không thể phát triển một cách ổn định lâu dài nếu không có một chiến lược phát triển nguyên liệu, để chủ động về nguyên liệu Mặt khác việc nhập nguyên liệu sẽ làm tăng giá thành sản phẩm, hạn chế khả năng cạnh tranh trên thị trường, làm giảm tốc độ phát triển

Nhu cầu sử dụng nguyên liệu trong ngành nhựa năm 2006

10% 30% 30% 20% 10%

Nguồn: Tổng công ty nhựa Việt Nam

Trong vài năm tới, khi ngành công nghiêp hóa dầu của Việt Nam ra đời, sẽ mở ra nhiều cơ hội phát triển hơn cho ngành nhựa đặc biệt là ngành công nghiệp nguyên liệu Thị trường trong nước cũng như thị trường thế giới đang mở ra nhiều cơ hội phát triển cho ngành nhựa do nhu cầu về sản phẩm nhựa ngày càng tăng

Ch−¬ng 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ SẢN PHẨM 2.1 Nghiên cứu điều kiện làm việc của vỏ bình ắc qui

2.1.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc

Ắc quy kiềm sắt-niken là loại ắc quy kiềm lamen, có chất hoạt động cực dương là Hyđrôxit niken 2Ni(OH)2 và chất hoạt động cực âm là bột sắt, dùng Hyđrôxit Natri làm dung dịch điện giải, giữa các cực dương và cực âm có các lá cách Vỏ ngoài làm bằng sắt hoặc bằng nhựa, nắp trên có lỗ rót dung dịch và các trụ cực âm và cực dương Lỗ rót dung dịch thường có van thải khí, khi rót dung dịch thì mở van thải khí ra còn khi nạp, phóng điện không nhất thiết phải mở ra mà vẫn thải được khí sinh ra trong bình ắc quy, đồng thời đề phòng các bụi bẩn và tạp chất xâm nhập vào bên trong Mặt khác, nó có thể đảm bảo cho ắc quy khi bị nghiêng 300 vẫn không chảy dung dịch ra ngoài Ắc quy kiềm sắt niken được dùng làm nguồn điện 1 chiều cho các tàu điện hoặc chiếu sáng cho các mỏ hầm lò có nhiệt độ môi trường từ -200C đến +500C Đối với trường hợp dùng cho đầu tàu điện mỏ người ta dùng khoảng 100 bình được xếp xít vào nhau trên thùng chứa bình ắc quy của đầu tàu điện, các bình được mắc nối tiếp với nhau tạo thành nguồn điện làm quay động cơ điện kéo cả đoàn xe goòng chuyển động

2.1.2 Các tính năng điện chủ yếu của ắc quy

• Điện áp danh định của ắc quy là 1,2V, điện áp danh định của tổ hợp ắc quy là tích số của 1,2V với số ắc quy được đấu nối tiếp

• Dung lượng của ắc quy đều không nhỏ hơn dung lượng định mức • Tuổi thọ: chu kỳ phóng nạp của ắc quy không nhỏ hơn 900 lần

• Kỳ hạn bảo tồn: ắc quy đảm bảo sau 3 năm tồn trữ các tính năng điện vẫn đạt yêu cầu như khi xuất xưởng Ắc quy chưa qua một lần sử dụng nào, nếu tồn trữ quá 3 năm chỉ cần không bị rỉ mục, không chập mạch thì nói chung sau 3 đến 5 chu kỳ nạp phóng điện mà dung dịch ở nhiệt độ bình thường đạt được yêu cầu thì vẫn có thể sử dụng

• Ắc quy có thể chịu được nạp quá và phóng quá, nó có thể được sử dụng ở chế độ phóng điện một giờ, nhưng không được sử dụng liên tục lâu dài

• Ắc quy có thể sử dụng trong điều kiện nhiệt độ đến -200C nhưng dung lượng của nó giảm thấp hơn so với nhiệt độ bình thường

• Tổn thất tự phóng điện của ắc quy tương đối lớn Vì vậy, không nên dùng làm nguồn điện dự phòng

2.2 Phân tích lựa chọn kết cấu và vật liệu chế tạo sản phẩm 2.2.1 Kết cấu vỏ bình bằng kim loại

Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, nhóm đề tài đã tiếp cận, tìm hiểu loại vỏ bình ắc quy bằng kim loại dung lượng 300A (SN300) và loại 350A (SN350) do Công ty Cổ phần Cơ khí Ôtô Uông Bí chế tạo Về kết cấu vỏ bình gồm 3 phần là: Thân bình; nắp bình và nút bình

+ Đặc điểm kết cấu của thân bình: Thân bình là chi tiết vỏ mỏng dạng hình hộp chữ nhật có chiều dài 180mm; rộng 175mm và cao 395mm, chiều dày thân là 2mm, dưới đáy thân có gân tăng cứng

+ Đặc điểm kết cấu của nắp bình: Nắp bình ắc quy là chi tiết dạng hình hộp chữ nhật có chiều dài 180mm; rộng 175mm và cao 25mm, chiều dày nắp là 2mm Trên mặt của nắp có 05 lỗ trong đó: 01 lỗ trung tâm có ren để vặn nút; 04 lỗ để lắp các cực âm và dương, các lỗ này có rãnh tròn chạy suốt chu vi lỗ khi lắp cực song người ta đổ thiếc vào các rãnh này để làm kín khe hở và giữ chắc cọc cực

+ Đặc điểm cấu tạo nút: Nút có dạng chi tiết tròn xoay, có ren ngoài để vặn với nắp Nút có lỗ thủng đảm bảo thông hơi cho bình ắc quy khi làm việc

Bản vẽ của vỏ bình ắc quy SN300 bằng kim loại được trình bày trong tập bản vẽ

Khi thay đổi vỏ kim loại bằng vỏ nhựa, về cơ bản vẫn tuân thủ hình dáng kết cấu của vỏ bình kim loại, nhóm đề tài chỉ phân tích lựa chọn vật liệu

để đảm bảo tính ăn mòn hoá học, và trên cơ sở vật liệu đã chọn đề tài đã tính toán chiều dầy của vỏ bằng nhựa để đảm bảo độ bền cơ học

2.2.2 Các cơ sở để lựa chọn chế tạo vỏ bình ắc quy bằng nhựa

Qua phân tích, tìm hiểu và thu thập các thông tin phản hồi của người sử dụng nhóm đề tài rút ra nhận xét vỏ bình ắc quy bằng kim loại có nhiều nhược điểm trong đó có hai nhược điểm chính đó là:

- Vỏ bằng kim loại dễ dẫn điện gây nên chập mạch, gây nguy hiểm cho người thợ lò

- Vỏ bằng kim loại nên dễ bị ăn mòn điện hoá, làm giảm tuổi thọ của bình

- Các loại đầu tàu điện ắc quy mà các đơn vị nhập của nước ngoài về đều đã sử dụng vỏ bình bằng nhựa

- Hiện nay ngành công nghệ chế tạo máy của Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc với việc đưa các máy móc thiết bị hiện đại điều khiển số vào sản xuất nên có khả năng gia công các khuôn mẫu có độ phức tạp cao, phục vụ ngành nhựa

- Ngành công nghiệp nhựa của nước ta cũng đã có những bước phát triển, việc nhập khẩu các loại hạt nhựa chất lượng cao đảm bảo cho việc sản xuất ra các chi tiết, phụ tùng bằng nhựa phục vụ cho công nghiệp đã khá phổ biến

- Các máy ép nhựa của nước ta cũng đã đa dạng và có khả năng về kỹ thuật, công nghệ cũng khá lớn, điều này cho phép sản xuất ra các chi tiết bằng nhựa có kích thước hình học lớn

2.3 Chọn loại nhựa để chế tạo sản phẩm

Trong quá trình nghiên cứu về vật liệu để chế tạo sản phẩm nhóm đề tài đã tiến hành tìm hiểu các tài liệu về nhựa nhiệt dẻo Qua quá trình tìm hiểu tài liệu kỹ thuật cũng như thực tế, nhóm đề tài nhận thấy hiện nay các nhà sản xuất ắc quy thường dùng hai loại nhựa nhiệt dẻo chính để chế tạo vỏ bình đó là PE và PP Các tính chất chung và ứng dụng của PE và PP được

trình bày trong bảng Bảng 2-1 Các tính chất lý, hoá của PE và PP được trình bày trong Bảng 2 – 2

- Cách điện rất tốt - Rất ít hấp thụ nước

- Khi tỷ trọng PE tăng thì độ bền hoá chất tăng

- Nhiệt độ gia công thấp dễ nhuộm màu

- Vỏ bọc cáp điện - Bạt phủ ngoài trời - Ống nước ống dẫn khí

- Két bia, két nước ngọt, thùng chứa các loại trong gia đình

- Bình đựng xăng, dầu, bình ắc quy…

2

- Nhẹ, độ cứng vững và độ bền cơ học

cao

- Tương đối giòn ở

nhiệt độ thấp - Kém bền thời tiết - Tính cách điện tốt

- Các loại bao bì trong y tế, dân dụng và công nghiệp

- Một số chi tiết bên trong máy móc gia đình như máy giặt, máy hút bụi

- Thảm thể thao, lưới thể thao, cỏ nhân tạo

- Cánh quạt gió, vỏ hộp phụ tùng - Đồ chơi trẻ em, đồ dùng văn phòng

Từ các tìm hểu về lý thuyết cũng như qua tiến hành phân tích thành phần hoá học của nhựa làm vỏ bình theo mẫu của Trung Quốc Đề tài đã lựa chọn loại vật liệu chế tạo vỏ bình là loại nhựa nhiệt dẻo PE

Bảng 2 – 2: Tính chất của PE và PP

Ứng suất tại điểm duỗi (MPa) 20 - 30 30 - 35

105 80

140 100

Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một

phương pháp số dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng trên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ Việc phân tích bằng phương pháp này có các ưu điểm như sau:

- Giảm số lượng mẫu thí nghiệm vì mô phỏng trên máy tính cho phép giả lập các kịch bản “nếu thì ” một cách nhanh chóng và thuận tiện

- Mô phỏng những thiết kế khó (hoặc không thể) thực hiện với mẫu thực - Tiết kiệm chi phí, tiết kiệm thời gian, tạo ra các thiết kế có chất lượng tốt hơn và tin cậy hơn

Phần mềm ANSYS, do công ty phần mềm ANSYS (Hoa kỳ) phát triển là một gói phần mềm hoàn chỉnh dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (Finite

Element Analysis, FEA), để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để giải quyết các bài toán thiết kế, mô phỏng tối ưu kết cấu và các quá trình truyền nhiệt, dòng chảy, điện, tĩnh điện, điện từ và tương tác giữa các môi trường hay các hệ vật lý Chính vì thế nên phần mềm ANSYS đã trở thành một công cụ mô phỏng rất hữu hiệu trong các lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp vũ trụ hàng không, công nghiệp ôtô, y sinh, xây dựng và cầu đường Sau đây ta xét một số modul chính của ANSYS

1 Phân tích kết cấu:

Phân tích kết cấu được sử dụng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất, và các phản lực

Phân tích tĩnh:

- Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh

- Ứng xử phi tuyến ví dụ như độ võng lớn, biến dạng lớn, bài toán tiếp xúc chảy dẻo, siêu đàn hồi từ biến

Phân tích động lực học:

- Bao gồm hiệu ứng khối lượng và giảm chấn

- Phân tích modul: xác định tần số riêng và dạng dao động riêng

- Phân tích điều hoà: xác định ứng xử của kết cấu khi tải trọng có dạng hình sin với biên độ và tần số xác định

- Phân tích động lực học tức thời: xác định ứng suất của kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả ứng sử phi tuyến

Một số khả năng khác trong phân tích kết cấu:

- Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm

3 Phân tích nhiệt

- Phân tích nhiệt được dùng để xác định trường phân bố nhiệt độ trong một vật thể Các đại lượng đáng quan tâm khác bao gồm: lượng nhiệt mất đi hoặc tăng thêm, dòng nhiệt

- Để xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy

- Các đại lượng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng

- Phân tích chất lỏng trong bể chứa

6 Phân tích tương tác giữa các trường vật lý

- Xem xét sự tương tác của hai hay nhiều trường khác nhau Vì trên thực tế các trường đều phụ thuộc lẫn nhau, nên không thể giải quyết chúng một cách tách biệt Bởi vậy, cần có một chương trình giải quyết đồng thời cả hai hiện tượng bằng cách kết hợp chúng

- Ví dụ: Phân tích nhiệt - ứng suất

Trong phạm vi đồ án này nhóm đề tài chỉ dùng phân tích kết cấu, để lựa chọn kết cấu hợp lý của bình ắc quy khi thay từ vỏ bình kim loại bằng vỏ bình nhựa nhiệt dẻo

2.4.2 Phân tích ứng suất và biến dạng vỏ bình ắc quy bằng kim loại

Khi làm việc chủ yếu là thân bình chịu tác dụng của các lực như: lực thuỷ tĩnh, lực quán tính còn nắp bình chịu lực không đáng kể Chính vì vậy, đề tài đi sâu phân tích kết cấu của thân bình, đồng thời lựa chọn vật liệu nhựa nhiệt dẻo chế tạo nó sao cho với bình ắc quy đã thay đổi kết cấu và bằng nhựa thì khả năng làm việc của nó tương đương vỏ bình ắc quy bằng kim loại

2.4.2.1 Tính toán lực tác động vào thân bình trong quá trình làm việc

Như trên đã nói, khi làm việc, thân bình chịu tác dụng của rất nhiều lực như: lực thuỷ tĩnh do dung dịch trong bình gây ra; lực quán tính; tải trọng va đập Tuy nhiên để đơn giản đề tài chỉ quan tâm tính toán lực thuỷ tĩnh, ảnh hưởng của các lực khác được sử lý bằng các hệ số trong quá trình tính toán bằng phần mềm ANSYS Biểu đồ 2.1 thể hiện sự phân bố lực trong bình

Các thông số của bình ắc quy SN300

• Chiều cao lớn nhất của bình: 450mm • Chiều rộng đáy bình: 175mm • Chiều dài đáy bình: 180mm • Chiều cao vỏ bình: 395mm

Theo yêu cầu kỹ thuật của ắc quy kiềm sắt-niken SN300 thì khoảng cách giữa mặt trên tấm cực và miệng rót dung dịch: 60mm Như vậy, với quy định mức điện dịch cao hơn mặt trên tấm cực 15-30mm thì khoảng cách từ miệng rót dung dịch đến mặt phẳng mức điện dịch như sau:

• lớn nhất hmax=45mm • nhỏ nhất hmin=20mm

Như vậy chiều cao mức điện dịch lớn nhất trong bình so với đáy là: h = 395-20 = 375mm

Dung dịch điện dịch dùng cho bình là NaOH có tỷ trọng bằng 1,18(g/cm3) Từ đó, ta tính được lực thuỷ tĩnh tác dụng lên đáy là:

P= γ*h

Trong đú: P: Áp suất thuỷ tĩnh tại mặt đỏy bỡnh

γ: Khối lượng riờng của dung dịch điện dịch γ=1,18 (g/cm3)=1,18.10-5(N/mm3)

h: Chiều cao lớn nhất của mức điện dịch so với đỏy h = 375mm.⇒ P = 1,18.10-5x375 = 0,004425(N/mm2)

Biểu đồ 2.1: Phân bố lực trong bình ắc quy

2.4.2.2 Dựng ANSYS phõn tớch tớnh toỏn

Từ việc phõn tớch cỏc lực cú thể tỏc dụng vào bỡnh Bõy giờ, ta ỏp dụng phần mền ANSYS để phõn tớch ứng suất và biến dạng tại cỏc vị trớ khỏc nhau của vỏ bỡnh

Trỡnh tự cỏc bước như sau:

1 Chuẩn bị (Preprocessor) 2 Xử lý ban đầu (Processor) 3 Giải (Solve)

4 Xử lý kết quả (Postprocessor)

1 Quá trình chuẩn bị (Preprocessor) a Lựa chọn kiểu phân tích

Ở trên ta đã biết trong phần mềm ANSYS có rất nhiều kiểu phân tích như phân tích dòng chảy, phân tích kết cấu, điện từ

Trong bước này ta chọn kiểu phân tích kết cấu bằng cách vào hộp thoại preferences (Main menu>Preferences) để lựa chọn kiểu phân tích kết cấu (Structural) Đồng thời, loại bỏ các kiểu phân tích khác không dùng đến trong phân tích kết cấu Điều này sẽ giúp ta loại bỏ các thuộc tính không dùng đến trong phân tích kết cấu

Hình 2-1: Chọn kiểu phân tích kết cấu

b Lựa chọn kiểu mô hình hoá

Có các kiểu mô hình hoá như sau:

™ Đối xứng trục: Được dùng khi tải trọng, vật liệu và điều kiện

biên là đối xứng trục Kiểu mô hình này là đơn giản nhất

™ Đối xứng quay: Khi tải trọng, vật liệu và điều kiện biên là đối

xứng nhưng thuận lợi hơn là đối xứng trục vì đưa ra thêm một số kết quả thông qua áp đặt điều kiện biên

™ Mô hình 3D: Đây không phải là một lựa chọn hiệu quả so với

mô hình đối xứng trục và mô hình đối xứng quay Tuy nhiên, nếu kết quả

mô hình hoá bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện biên đối xứng (mà thực tế không đúng) thì có thể đây là sự lựa chọn duy nhất

Đối với chi tiết thân bình ắc quy ta dùng mô hình 3 chiều đầy đủ

c Lựa chọn kiểu phần tử

Chọn kiểu phần tử là một bước quan trọng, nó xác định những đặc tính như sau:

9 Bậc tự do (Degree of Freedom): Ví dụ: một kiểu phần tử nhiệt

có một bậc tự do: TEMP (nhiệt độ), trong khi đó, một kiểu phần tử kết cấu có thể có 6 bậc tự do: UX, UY,UZ, ROTX, ROTY, ROTZ (ba thành phần chuyển vị dài theo ba trục và ba thành phần chuyển vị gúc quanh ba trục)

9 Dạng phần tử: Hình lục diện, hình tứ diện, hình tứ giác, hình

tam giác…

9 Không gian: 2D (chỉ trong mặt phẳng X-Y) hoặc 3D

9 Dạng giả thiết của trường chuyển vị: Bậc nhất hoặc bậc hai

ANSYS có một thư viện gồm hơn 150 kiểu phần tử để người dụng lựa chọn Các phần tử thông dụng bao gồm:

9 Các phần tử một chiều (line element): Bao gồm

ƒ Các phần tử dầm (beam): Dùng để mô hình hoá kết cấu bu lông, kết cấu dạng ống, thép hình hoặc bất kỳ một kết cấu dài mảnh nào mà ta chỉ quan tâm đến ứng suất màng và ứng suất uốn

ƒ Các phần tử thanh (spar): Dùng để mô hình hoá lò xo, hệ dàn thanh

ƒ Các phần tử lò xo (spring): Dùng để mô hình hoá lò xo, kết cấu ghép bu lông

9 Phần tử vỏ (shell): Dùng để tạo mô hình những bản mỏng hoặc những mặt cong

9 Các phần tử khối 2D (2D solid): Dùng để tạo mô hình mặt cắt ngang của những đối tượng khối 3D

9 Phần tử khối 3D:

ƒ Dựng cho những kết cấu mà do mô hình hình học, vật liệu, tải, hoặc do yêu cầu kết quả chi tiết không thể mô hình hoá bằng những phần tử đơn giản hơn Cũng được dùng khi mô hình hình học được nhập từ các hệ CAD 3D, mà nếu chuyển sang mô hình 2D hoặc vỏ thì sẽ mất nhiều thời gian và công sức

9 Bậc của phần tử: Bậc của phần tử là bậc đa thức của hàm dạng

(hàm nội suy) của phần tử

Đối với chi tiết là thân bình ắc quy thì ta dựng phần tử SOLID95, thông số hình học của phần tử này như sau:

Hình 2-2: Kiểu phần tử khối 3D SOLID95

Để định nghĩa một kiểu phần tử ta làm như sau:

¾ Main menu>Preprocessor>Element type>Add/Edit/Delete • [Add] để thêm phần tử mới

• Chọn kiểu phần tử cần thiết (SOLID 95) rồi bấm OK • [Optional] để xác định các tuỳ chọn của phần tử

¾ Hoặc dùng lệnh ET: ET,1,SOLID95 (trong đó “1” là số thứ tự của phần tử)

Lưu ý:

• Nếu ta chỉ định kiểu phân tích ngay từ đầu (Main menu > Preprocessor), ANSYS sẽ chỉ hiện thị những kiểu phần tử hợp lệ cho kiểu phân tích đó

• Nó định nghĩa sớm kiểu phần tử trong quá trình xử lý ban đầu

và các lựa chọn trong GUI không phù hợp với kiểu phần tử kết cấu sẽ bị loại bớt hoặc hoàn toàn không hiển thị

Hình 2-3: Cách lựa chọn kiểu phần tử SOLID95

2 Quá trình xử lý ban đầu a.Tạo mô hình hình học

Một mô hình hình học thông thường được định nghĩa bởi các thể tích, các diện tích, các đường và các điểm

™ Thể tích (volume): Được giới hạn bởi các diện tích Chúng mô

tả các đối tượng khối 3D

™ Diện tích (area): Được giới hạn bởi các đường Chúng mô tả

các mặt của đối tượng khối hoặc là các tấm mỏng

™ Đường (line): Được giới hạn bởi các điểm Chúng mô tả các

cạnh của đối tượng

™ Điểm (point): Được định vị trong không gian 3D Chúng mô tả

đỉnh của đối tượng

ANSYS có một thư viện các công cụ phong phú giúp ta tạo mô hình trực tiếp trong môi trường ANSYS Ngoài ra, ANSYS còn có thể kết nối với bản vẽ của chi tiết có định dạng *.iges…, nhược điểm của việc định dạng file có định dạng IGES vào ANSYS là phải chuyển đổi hai lần: CAD → IGES → ANSYS, nên trong nhiều trường hợp mô hình không được chuyển đổi hoàn toàn Các sản phẩm kết nối của ANSYS giúp khắc phục vấn đề này bằng cách đọc trực tiếp file bản vẽ chi tiết “gốc” của các phần mềm CAD:

• Kết nối với Pro/ENGINEER.; Kết nối với UNIGRAPHICS; Kết nối với SAP; Kết nối với CATIA

Ở đây ta kết nối ANSYS với CATIA bằng cách đọc file *.model hoặc *.dvl được tạo bởi CATIA Quá trình nhập mô hình hình học của chi tiết được tạo ra trong phần mềm CATIA vào môi trường ANSYS được thực hiện như sau:

Utility Menu>File>Import>Catia

Hình 2-4 Nhập mô hình 3D từ phần mềm CATIA vào môi trường ANSYS

b Khai báo các thuộc tính vật liệu

Mỗi phân tích đòi hỏi phải nhập vào một vài thuộc tính của vật liệu: Mô đun đàn hồi Ex, hệ số poatson cho các phần tử kết cấu

Có hai cách để khai báo thuộc tính của vật liệu: 9 Thư viện vật liệu:

9 Các thuộc tính riêng biệt:

b.1 Sử dụng thư viện vật liệu:

• Phương thức này cho phép chúng ta chọn một tập tính chất đã được định nghĩa trước cho vật liệu

• ANSYS cung cấp các tính chất cơ học và nhiệt (tuyến tính) dặc trưng cho một số vật liệu thông dụng, nhưng ta có thể tạo thư viện vật liệu riêng cho mình

• Để chọn vật liệu từ thư viện ta làm như sau: ™ Xác định đường dẫn tới thư viện

o Preprocessor>Material props>Material Library>Library Path: Nhập vào vị trí bản vẽ của chi tiết

Hình 2 – 5: Cách chọn vật liệu o Hoặc sử dụng lệnh: MPLIB

™ Sau đó nhập vào một vật liệu từ thư viện:

o Preprocessor>Material props>Material Library>Import Library: ƒ Chọn hệ đơn vị: Việc này chỉ có tác dụng lọc bớt danh

sách các tệp trong hộp thoại tiếp theo ANSYS không phân biệt cũng như không chuyển đổi đơn vị

ƒ Lựa chọn tệp vật liệu mong muốn

o Hoặc sử dụng lệnh: MPREAD cùng với tuỳ chọn LIB b2 Xác định trực tiếp các thông số vật liệu:

Thay vì chọn tên vật liệu, phương thức này xác định trực tiếp các

thông số vật liệu cần thiết thông qua Material Model GUI

Các lệnh tiến hành:

¾ Preprocessor>Material Props>Material Models

• Nhấp đúp lên đặc tính thích hợp đó được định nghĩa • Sau đó nhập giá trị từng thông số một

¾ Hoặc sử dụng lệnh MP

3 Tạo mô hình phần tử hữu hạn

Quá trình chia lưới được sử dụng để điền đầy mô hình hình học bằng

nút và bằng phần tử tức là tạo mô hình FEA (Finite Element analysis)

Để giải quyết bài toán phần tử hữu hạn ta cần có nút và phần tử chứ không chỉ là mô hình hình học Mô hình hình học không tham gia vào lời giải phần tử hữu hạn

Nguyên tắc cơ bản của FEA là khi số phần tử (mật độ lưới) tăng lên thì lời giải FEA càng tiến gần đến lời giải chính xác Tuy nhiên, khi số phần tử tăng lên thì thời gian tính toán và nhu cầu về tài nguyên máy tính cũng tăng lên một cách khủng khiếp

Nếu cần giá trị chính xác của ứng suất:

9 Sẽ cần một lưới chia mịn, không bỏ qua các chi tiết hình học tại các vị trí quan trọng của kết cấu

9 Cần chứng minh được sự hội tụ của ứng suất

9 Đơn giản hoá mô hình tại bất cứ vị trí nào cũng có thể dẫn đến sai số đáng kể

Nếu chỉ quan tâm đến chuyển vị hoặc ứng suất danh định:

9 Một lưới chia tương đối thưa là đủ 9 Các chi tiết hình học nhỏ có thể bỏ qua

ANSYS cung cấp nhiều công cụ để điều khiển mật độ lưới, nằm ở hai

mức: Tổng thể và cục bộ:

™ Điều khiển tổng thể • Kích thước thông minh • Kích thước phần tử tổng thể • Kích thước mặc định

™ Điều khiển địa phương • Kích thước điểm • Kích thước đường • Kích thước diện tích

Hình 2 - 6: Lựa chọn thông số lưới

Kích thước thông minh (SmartSizing):

- Xác định kích thước phần tử bằng cách ấn định các khoảng chia trên tất cả các đường có tính đến độ cong, vị trí lân cận lỗ, các đặc tính khác và bậc của phần tử

- Chức năng kích thước thông minh để tắt theo mặc định Tuy nhiên, nó có

thể dùng trong chia lưới tự do Nó không có tác dụng trong chia lưới quy tắc • Để sử dụng kích thước thông minh ta làm như sau:

9 Bật hộp thoại MeshTool (Preprocessor>MeshTool), bật chức năng Smartsizing, đặt kích thước cần thiết

o Hoặc dùng lệnh SMRT,Level

o Độ lớn của kích thước từ mức 1 (rất mịn) đến mức 10 (rất thô), mặc định là 6 Đối với vật thể này ta chọn là 6

9 Sau đó nên chia lưới tất cả các thể tích (hoặc tất cả các diện tích) trong một lần, hơn là từng thực thể một

Hình 2 - 7: Chọn lưới thông minh

• Những ví dụ về sự khác nhau của mức kích thước (Size level) trong chia lưới thông minh được minh hoạ như trong hình vẽ

Hình 2 - 8: Lựa chọn mật độ lưới Size Level=10 (Thô)

Hình 2 – 9: Lưạ chọn mật độ Size level=6 (mặc định)

Hình 2 – 10: Lựa chọn mật độ lưới Size level = 1(mịn)

Kích thước phần tử tổng thể có thể được sử dụng riêng hoặc kết hợp với chức năng kích thước thông minh :

• Chỉ sử dụng ESIZE (tắt chức năng kích thước thông minh) sẽ có kết quả là một kích thước phần tử đồng nhất trong toàn bộ thể tích (hoặc diện tích) được chia lưới

• Khi bật chức năng kích thước thông minh, ESIZE hoạt động

như một “người hướng dẫn”, nhưng kích thước ấn định có thể bị thay đổi để phù hợp với độ cong của đường hoặc các vị trí lân cận các đặc tính của mô hình

Đối với vật thể này ta chia lưới sử dụng kích thước thông minh với

SmartSize = 6

Bước cuối cùng trong quá trình chia lưới đó là tạo lưới, cách làm như sau:

¾ ấn nút Mesh trong MeshTool

¾ ấn PickAll trên hộp thoại lựa chọn để chia lưới tất cả các thực thể

Hình 2 – 11: Cách tạo lưới

Kết quả của quả trình tạo lưới như sau:

Hình 2 – 12: Kết quả quá trình tạo lưới (Size level=10)

9 Tải tập chung (Concentrated Load): Tải đặt vào điểm, ví dụ như lực hoặc tiêu thụ dòng nhiệt…

9 Tải bề mặt (Surface Load): Tải phân bố trên toàn bộ bề mặt, ví dụ như áp suất hoặc đối lưu

9 Tải vật thể (Body Load): Tải thể tích hoặc tải trường

9 Tải quán tính (Inertial Load): Tải khối lượng kết cấu hoặc tải quán tính, ví dụ như trọng lực hay vận tốc quay

Có thể đặt tải trên mô hình hình học hay trực tiếp trên mô hình FEA (các nút và các phần tử)

9 Đặt tải trên mô hình hình học dễ hơn và phải chọn ít thực thể hơn

9 Hơn nữa, tải đặt trên mô hình hình học không phụ thuộc vào lưới (mesh) Do đó, không cần đặt lại tải khi thay đổi mesh

9 Dù cho cách đặt tải như thế nào, thì FEA cũng cần có tải trên mô hình phần tử hữu hạn Vì thế, tải đặt trên mô hình hình học sẽ tự động chuyển đổi đến các nút và phần tử trong quá trình giải

Hình 2 – 13: Đặt lực lên thân ắc quy 4.2.Giải (Solvers)

9 Chức năng của Solvers là để giải hệ phương trình tuyến thể hiện

9 Các phương pháp có hiệu lực trong ANSYS có thể được phân loại thành 3 dạng như sau:

¾ Các phương pháp khử trực tiếp • Prontal

• Sparse (mặc đinh) ¾ Các phương pháp lặp

• PCG (Pre-conditioned Conjuagate Gradien)

• ICCG (Incomplete Cholesky Conjuagate Gradien) • JCG (Jacobi Conjuagate Gredien)

¾ Các phương pháp thực hiện song song • AMG ( Algebraic Multgrid) • DDS (Distributed Domain Solver)

• Đối với bài toán này ta chọn phương pháp giải PCG conditioned Conjuagate Gradien)

(Pre-Để chọn phương pháp giải ta làm như sau:

• Main Menu>Solution>Analyis Type-Sol’n Control, sau đó chọn Tab Sol’n Options

• Hoặc dùng lệnh: EQSLV

Hình 2 – 14: Lựa chọn phương pháp giải