- Trên các điểm chia c a trục O, ta lần lượt đặt các vectơ tương ng với các góc 0o, 10o, 20o,..., 720o. N i các điểm đầu mút vectơ lại ta có đồ thị khai triển Q = f().
Hình 3.11 :Đồ thị khai triển Q - c a ch t khuỷu.
Phân tích đồ thị phụ t i ta th y dạng phần đuôi c a đồ thị phụ thuộc vào trị s cực đại c a áp su t khí thể.Dạng phần đầu c a đồ thị phụ thuộc vào lực quán tính chuyển động thẳng.
- Xác định các giá trị Qtb, Qmax, Qmin: tb Q 31,889mm Qtb 1,0663 [MN/m2] max Q 187,36mm Qmax6,2453 [MN/m2] m in Q 10,31mm Qmin 0,3437 [MN/m2]
Đơn vị phụ t i trung bình và cực đại tác dụng lên ch t khuỷu:
c c P tb tb l d F Q K . . Qmin Qtb Qmax Q 720 600 o 500 400 300 200 100 o
75 = 2,457 10 . 45 . 56 10 . 86 , 5805 . 0663 , 1 6 6 [MN/m2] c c P l d F Q K . . m ax m ax = 14,389 10 . 45 . 56 10 . 86 , 5805 . 2453 , 6 6 6 [MN/m2] Trong đó:
Qtb, Qmax - phụ t i bình quân và cực đại xác định được. Fb - diện tích đỉnh piston.
dc, lc - đư ng kính và chiều dài ch t khuỷu ti p xúc với đầu to thanh truyền.
- Trị s cho phép c a Ktb, quy t định b i độ c ng vững c a ổ trục (hình th c k t c u động cơ) và k t c u ổ trục.
- Trị s cho phép c a Kmax quy t định b i kh năng làm việc c a ổ trục, sự
bi n dạng c a ổ trục và kh năng chịu t i c a màng dầu trong ổ. - Để biểu thị m c độva đập c a phụ t i, thư ng dùng hệ s va đập : tb K Km ax = 5,856 457 , 2 389 , 14 [MN/m2]
3.2.2.7 Đ thị ph t i tác d ng lên đ u to thanh truyền
Các bước ti n hành:
- Trên t gi y bóng v dạng đầu to thanh truyền đầu hướng xu ng dưới. - V hệ trục T - Z .G c O trùng với tâm đầu to thanh truyền, chiều dương
76
- V đư ng tròn b t kỳcó tâm O, giao điểm c a đư ng tròn và trục Z (phía
dương) ta ghi 0o.
- Trên đư ng tròn này ta chia thành các góc có giá trị (+ ) b t kỳ từ 0o theo chiều kim đồng hồ, ví dụ (o + o), (1 + 1), (2 + 2), ... Nhưng để
bớt rư m rà ta ghi 0o, 10o, 20o...
- Góc phụ thuộc vào và tra phụ lục.
- Các bước này thực hiện trên t gi y bóng sau đem t gi y bóng đặt lên đồ
thị phụ t i tác dụng lên ch t khuỷu, sao cho tâm O c a đầu to thanh truyền trùng với tâm O c a ch t khuỷu, và trục OZ trùng với đư ng tâm thanh truyền (hướng xu ng
phía dưới). Trên t gi y bóng hiện lên các điểm theo các s c a đồ thị phụ t i tác dụng lên ch t khuỷu. Chẳng hạn đầu tiên là điểm 0, sau đó ta xoay t gi y bóng theo
ngược chiều kim đồng hồ sao cho các tia 10o, 20o... lần lược trùng với OZ và cũng
mỗi lần ta lại đánh d u các điểm hiện trên t gi y bóng như 1, 2, 3, ... và ta ghi 10o, 20o, 30o...N i các điểm này lại ta có đồ thị vectơ phụ t i tác dụng lên đầu to thanh truyền.
Xác định giá trị, phương chiều và điểm đặt lực:
+ Giá trị c a lực tác dụng là độdài vectơ kể từtâm O đ n điểm tính (nhân tỷ
lệ xích).
+ Chiều c a lực từtâm O đi ra.
+ Điểm đặt là giao điểm c a vectơ với đư ng tròn tượng trưng cho đầu to
thanh truyền.
77
Hình 3.12 :Đồ thị phụ t i tác dụng lên đầu to thanh truyền.
3.2.2.8 Ṽ đ thị mài m̀n chốt khu u
Dùng phương pháp lập b ng.
Các bước ti n hành:
- Trên đồ thị phụ t i tác dụng lên ch t khuỷu, l y tâm O, v đư ng tròn b t kỳvà chia đư ng tròn đó thành n phần bằng nhau, thư ng chia làm 24 phần và ghi
điểm 0 tại giao điểm c a đư ng tròn và trục Z (chiều dương) ti p theo là 1, 2, 3,... theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Từ các điểm chia này ta kẻ các tia qua tâm O và kéo dài, các tia này s cắt đư ng cong c a đồ thị phụ t i tại các điểm.
- Trên mỗi tia từ tâm O kéo dài ra, đồ thị có bao nhiêu điểm cắt, s có b y nhiêu lực cùng tác dụng tại một điểm, nên ta tính được hợp lực Q’i.
78
- Lập b ng để tính, ta tính tác dụng c a lực trong phạm vi 120o chia đều cho
hai bên điểm đặt lực.
- Cộng các trị s Q’i , chọn tỷ lệ xích Q’i =
mm m
MN/ 2
2
- V đư ng tròn b t kỳ(R = 46.2 mm) tượng trưng cho ch t khuỷu. - V các tia ng với phần chia ban đầu 00, 01, 02,...
- Lần lượt đặt các giá trị Q’i lên các tia ng với chiều từđư ng tròn vào trong tâm O
- N i các đầu nút lại ta có dạng đồ thị mài mòn ch t khuỷu.
- S liệuxây dựng đồ thị mài mòn ch t khuỷutham kh o phụ lục 5.
Hình 3.13 :Đồ thị mài mòn ch t khuỷu. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
79 Ch ơng 4 TÍNH TOÁN S C B N CÁC CHI TIẾT B NG PH N M M ANSYS 4.1.Quy trình tính toán sức bền Từ kết quả của việc tính toán nhiệt, động học và động lực học kết hợp với mô hình chi tiết đã thiết kế trên phần mềm Catia ta tiến hành chia lưới theo nguyên tắc phần tử hữu ḥn để tính toán sức bền của các chi tiết thiết kế bằng phần mềm Ansys.
Hình 4.1: Quy trình tính toán sức bền các chi tiết
4.2. Gi i thi u chung vềph ơng pháp ph n tử hữu h n (FEA)
Phân tích bằng phần tử hữu ḥn (Finite Element Analysis, FEA) là phương ph́p dùng để mô phỏng ćc điều kiện tải trọng trên một hệ vật lý và x́c định ứng suất của hệ.
80
Trong phương ph́p này, hệ vật lý được mô hình hóa bằng các phần tử rời ṛc (elements). Mỗi phần tử ć ćc phương tr̀nh ch́nh x́c mô tả ứng suất của nó với một tải trọng x́c định. Tổng ứng suất của tất cả các phần tử trong mô hình cho ta
ứng suất chung của hệ vật lý. Các phần tử có sốlượng ẩn hữu ḥn, do chúng là các phần tử hữu ḥn (Finite Elements).
Hình 4.2 :Phân tích cấu trúc sử dụng phương ph́p phần tử hữu ḥn
Mô hình phần tử hữu ḥn có sốẩn hữu ḥn nên chỉ mô phỏng gần đúng ứng suất của hệ vật lý. Do đ́, qú tr̀nh mô phỏng chắc chắn sẽ có sai số. Tính chính xác của nghiệm bài toán phụ thuộc vào công cụđược sử dụng để mô phỏng.
Đối với bài tón cơ, khi ć ngọi lực tác dụng vào vật thể thì vật thể sẽ bị
biến ḍng và sinh ra nội lực chống ḷi ngọi lực, khi đã ở tṛng thái cân bằng thì nội lực cân bằng với ngọi lực. Các ẩn số của bài tón được hình thành từđây. Ćc bài
tón trong cơ học thường có ḍng phương tr̀nh vi phân và phải thỏa mãn ba điều kiện ràng buộc :
Điều kiện vật liệu T́nh tương th́ch
Cân bằng lực
Khi phân tích bài toán kết cấu theo FEA, chúng ta cần thực hiện theo trình tự ćc bước sau đây:
81
B c 1: Rời ṛc hóa kết cấu
+ Phân chia hệ kết cấu thành các phần tử có ḍng hình học đơn giản, nối với nhau bởi ćc điểm nút.
+ Tiến hành đ́nh số theo hệ thống chỉ sốphần tử và hệ thống chỉ sốtổng thể.
B c 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp
+ Tùy theo lọi phần tử mà chọn hàm xấp xỉ thích hợp
+ Nội suy hàm xấp xỉtheo vectơćc bậc tựdo của phần tử {q}e
+ Tìm ma trận hàm ḍng [N] , ma trận biến ḍng [B] , ma trận ứng suất [S]
B c 3: Thiết lập ma trận cứng phần tử [K]evà vectơ tải phần tử {P}e + X́c định [K]e và {P}e
B c 4: Ghép nối các phần tử
+ Tiến hành ghép nối ma trận cứng tổng thể [K] và vectơ tải tổng thể {P} theo hệthống ma trận chỉ số [b] , cuối cùng đi đến hệphương tr̀nh: [K] {q} ={P}.
+ Áp đặt điều kiện biên của bài toán, kết quảnhận được hệphương tr̀nh:
[K*] {q *} ={P*}. Đây ch́nh là hệ thống phương tr̀nh để giải.
B c 5: Giải hệphương tr̀nh đ̣i số [K*] {q *} ={P*} + Kết quảnhận được là vectơ chuyển vị nút tổng thể {q*}
B c 6: Tìm ứng suất, chuyển vị và biến ḍng của tất cả các phần tử.
4.3. Gi i thi u chung về ph n mềm tính toán sức bền Ansys
Đây là một phần mềm được lập ra năm 1970 do nh́m nghiên cứu của Tiến sỹ John Swanson. Trong phần này bài tón cơ được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu ḥn lấy chuyển vị làm gốc. Ansys có những t́nh năng nổi bật như sau :
82
-Khả năng đồ họa rất ṃnh, giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và độ
chính xác cao. Có khảnăng tương tac vơi mô h̀nh CAD của cấu trúc.
- Giải được nhiều bài toán như t́nh tón chi tiết máy, cấu trúc công trình, mô phỏng dao động của vật liệu và t̀m ngưỡng phá hủy của vật liệu.
- Thư viện phần tử lớn, có thêm phần tử tái sinh và phần tử chết (Element
Birth and Death), dùng để lọi bỏ phần tử hay thêm phần tử hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình khi tính toán.
- Đa ḍng về trọng tải: tập trung, phân bố nhiệt, vận tốc ǵc…
- Phần xử lý kết quả cao cấp, cho phép vẽđồ thị, tính toán tối ưu…
Với ćc t́nh năng trên, bài tón mô phỏng tính chất cơ của linh kiện sóng âm bề mặt kèm theo các kết quả mong muốn như khảo śt dao động của vật liệu khi không tải và khi có tải tương ứng các mức điện áp khác nhau, giới ḥn áp suất mà vật liệu sẽ bị phá hỏng… th̀ việc sử dụng phần mềm Ansys là hợp lý và đem ḷi độ
chính xác cao.
4.3.1 ng d ng của ph n mềm ANSYS trong lĩnh vực công nghi p 4.3.1.1 Ngành công nghi p hàng không
Ngành công nghiệp hàng không là lĩnh vực sản xuất phức ṭp nhất, sản phẩm phải đ̣t độch́nh x́c cao đểđ̣t hiệu quảvà độ an toàn. Để chia sẻ chi phí và rủi ro phát triển sản phẩm, các nhà sản xuất sẽ liên kết với nhau, mỗi nơi sẽ thực hiện sản xuất một linh kiện nhất định, sau đ́ sẽ được vận chuyển đến xưởng để lắp ráp ḷi thành sản phẩm (máy bay) hoàn chỉnh.
Việc thử nghiệm vật lý của hệ thống này là đắt tiền và nguy hiểm. Do đ́,
nhiều công ty dựa vào sự hỗ trợ thiết kế của máy tính (computer-aided engineering, CAE) với phần mềm ANSYS để mô phỏng kh́ động lực học chính xác, hiệu suất
động cơ và ứng xử tới ḥn của các thử nghiệm. Với sự tích hợp giữa động lực học chất lỏng (computational fluid dynamics, CFD) và phương ph́p phần tử
83
hữu ḥn (finite element analysis, FEA) làm cho kết quả mô phỏng đ̣t độ chính xác và trung thực cao.
Các ḍng bài toán trong ngành công nghiệp hàng không: - Quá trình làm mát của linh kiện điện tử.
- ng suất động trên các bộ phần dàn hồi và chuyển động như b́nhđỡ. - Sựtương t́c của cấu trúc lưu chất (Fluid structure interactions, FSI ) của
dòng chảy tốc độ cao với cấu trúc nhẹ.
- Tối ưu h́a ćc bột́c động điện tử trong toàn bộ hệ thống điện của máy bay. - Phân tích hiệu suất của dòng chảy qua khoang nhiều c̣nh.
- Phân tích ứng suất nhiệt trong buồng đốt, tuốc bin, v́ch ngăn nhiệt, hệ thống chống đ́ng băng.
Hình 4.3: Phân tích áp lực không khí trên mô hình máy bay
4.3.1.2 Ngành công nghi p ô tô
Phần mềm ANSYS đã giúp ćc kỹsư ć thể tối ưu h́a kết cấu xe nhằm ṭo ra các mẫu xe có ḍng hình học mang tính chất kh́ động lực học, tăng hiệu suất xe, giảm hao phí nhiên liệu.
Các vấn đề ANSYS có thể giải quyết: - Kh́ động lực học
- Tối ưu khung xe
84 - Phân bố nhiệt trong động cơ
Hình 4.4: Dòng khí chuyển động qua hệ thống làm ḿt động cơ
Hình 4.5: Dòng khí chuyển động trong xe
4.3.1.3 Ngành công nghi p đóng tàu
Phân tích dòng chảy không ổn định phía sau cánh qụt để: giảm tiếng ồn, giảm dao động, dựđón ứng suất.
Tối ưu h́a ćc thiết bị lớn như ćnh qụt, ḿy nén…
Phân t́ch độ hòa trộn nhiện liệu / nước để giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình tiếp nhiên liệu.
85
Hình 4.6: nh hưởng của dòng chảy lên thành tàu
4.3.2 C u trúc bài toán trong ph n mềmAnsys
Cấu trúc đầy đủ của một bài tính trong Ansys bao gồm ba phần chính: Ṭo mô hình tính (preprocesser), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor).
Ngoài ba bước tính trên, quá trình phân tích bài toán trong Ansys còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences). Trong qú tr̀nh này, chúng ta định hướng kiểu phân tích, kiểu phần tử, mô hình cho bài toán.
4.3.2.1 Mô hình hóa bài tính
Trong phần này, chúng ta ṭo mô hình hình học, chọn kiểu phần tửđể ṭo ra mô hình phần tử hữu ḥn, tức là ṭo ra các nút và các phần tử. Kiểu phần tử được chọn trong thư viện phần tử của Ansys,tiêu ch́ để chọn kiểu phần tử này tùy thuộc
vào ḱch thước, hình ḍng kết cấu, ḍng tải trọng tác dụng, độ chính xác cần tính. Các thông số đầu vào của vật liệu như khối lượng riêng, ma trận hằng số điện môi, hằng số́p điện, hệ số Poisson..
4.3.2.2 Tính toán
Phần tính toán sẽ giải phương tr̀nh hệ thống để tìm ẩn q (ẩn số là chuyển vị:
Ansys dùng phương ph́p phần tử hữu ḥn lấy chuyển vị làm gốc).
86 Mô hình cấu trúc các chi tiết từ dữ liệu quét 3D. Tiền xử lý,
chia lưới, thiết lập phân tích.
Tiến hành phân tích Statics. Xử lý kết quả.
Phần xử lý và xem xét kết quảt́nh được như độ biến ḍng của vật liệu và phân bốứng suất tải.
4.3.3 Quy trình phân tích và mô phỏng
Quy trình phân tích bền cấu trúc của các chi tiết được tr̀nh bày như Hình 4.7.
Hình 4.7 : Quy trình phân tích bài toán tiến hành theo ba giai đọn chính GIAI ĐO N I:
Mô hình hình học của các chi tiết sử dụng phần mềm CATIA. Hệ đơn vị sử
dụng là hệ SI. Do mô hình hình học sau khi thiết kế sẽ chuyển sang phần mềm
Hypermesh để tiến hành tiền xử lý cho nên quá trình thiết kế cần phải thực hiện
ch́nh x́c. Trong đề tài này, quá trình thiết kế sử dụng mô-đun thiết kế biên ḍng bề
mặt (General Shape Design), từđ́ ṭo mô hình khối dựa trên dữ liệu quét 3D từ cấu trúc thực tế.
GIAI ĐO N II:
Tiến hành nhập (import) mô h̀nh CAD vào môi trường Hypermesh và ṭo mô hình phần tử hữu ḥn bao gồm các phần tử lục diện (hexagol) và tứ diện (tetrahedral).
87
Hình 4.8 : Tiến hành ṭo mô h̀nh đối xứng ¼ từ cấu trúc ban đầu
Mô hình ¼ do tính chất đối xứng của cấu trúc được tr̀nh bày như Hình 4.8 . Tiến hành chia lưới, ́p đặt ćc điều kiện phân t́ch trong môi trường HyperMesh.
Do đây là bài toán phân tích bền cấu trúc tĩnh, tuy nhiên do biên ḍng cấu trúc phức ṭp và chịu áp lực lớn nên chất lượng phần tử cũng cần được quan tâm. Có ba tiêu chí quan trong nhất là:
Skewness. (Từ0 đến 0.6) Aspect. (Tiến về 1) Jacobian. (Từ0 đến 0.7)
Hình 4.9 : Công cụ quản lý chất lượng phần tử trong Hyper Mesh.
Với chất lượng lưới thỏa mãn ćc tiêu ch́ trên đây th̀ nghiệm bài toán sẽ cho