Phân tích tương tác giữa các trường vật lí
Xem xét sự tương tác giữa hai hoặc 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.
• Phân tích nhiệt-ứng suất.
• Phân tích áp điện (điện và kết cấu)
• Âm thanh (dòng chảy và kết cấu)
• Phân tích nhiệt - điện
• Cảm ứng nhiệt (từ và nhiệt)
• Phân tích tĩnh điện - kết cấu
2. Giải bài toán cơ học kết bằng phần mềm Ansys
Trong hệ thống tính toán đa năng của Ansys, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc. Trong bài toán kết cấu (Structural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toántrường ứng suất – biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu. Giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật liệu đàn hồi: đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt…Ansys cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật liệu. Mỗi bài toán cần đưa mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình học thực. Vì vậy cần đưa vào mô hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng các mô hình học 2D và 3D với các kích thước thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình như vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đường, diện tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt. Nhưng việc chia lưới phụ thuộc năng lực của từng phần mềm.
Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đưa các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học.
Sau khi xác lập được các điều kiện bài toán, để giải chúng Ansys cho phép chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài toán. Ansys cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính, Ansys cho biểu đồ các bước lặp và hội tụ. Các kết quả tính toán được ghi vào file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, Ansys xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số.
2.1 Các bước phân tích của bài toán kết cấu bằng phần mềm Ansys
a) Pre-processing: tiền xử lý, bao gồm:
• Xây dựng mô hình (Model generation)
• Định nghĩa loại phân tử (Define element type)
• Định nghĩa vật liệu (Define material)
• Chia lưới – tạo mô hình phần tử hữu hạn (Meshing)
b) Solution: Giải bài toán, bao gồm
• Xác định loại phân tích (Analysis type)
• Áp đặt tải trọng và xác định điều kiện biên (Specify loads and boundary conditions)
• Giải bài toán (solver)
c) Post-processing: hậu xử lý, bao gồm:
• Phân tích hình ảnh hoặc đưa ra kết quả
• Kiểm tra kết quả
Ngoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đến quá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính. Trong quá trình này cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ…), mô hình bài toán như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, mô hình 3 chiều đầy đủ…), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell, Struss,…)
2.2 Hai phương pháp làm việc với Ansys
Ansys cung cấp cho người dùng hai phương pháp làm việc: dùng GUI (Graphical User Interface) với ưu điểm là trực quan, dễ thao tác và phương pháp dùng câu lệnh APDL (Ansys Parametric Design Language), đây là phương pháp làm việc mà đòi hỏi
người sử dụng phải hiểu rõ về cấu trúc của bài toán, cũng như danh sách các lệnh và cấu trúc của nó. Nhưng làm việc với ansys bằng phương pháp dùng câu lệnh có những ưu điểm sau:
• Người dùng có thể tạo ra Input file, thuận tiện cho việc thay đổi giá trị của các tham số (kết hợp với các lệnh vòng lặp, các lệnh có điều kiện), trong khi đó trong chế độ GUI thì khi thay đổi giá trị tham số chúng ta phải tiến hành phân tích lại bài toán từ đầu.
• Tạo ra các macro file và sử dụng chúng như một hàm tự định nghĩa
3. Ví dụ
Cho một hệ khung giàn có kết cấu như hình 4. Xác định chuyển vị tại các gối, phản lực và nội lực của hệ . Biết moodun đàn hồi E=200 GPa, diện tích mặt cắt ngang A= 3250 mm2 .