3.5.1 Sơ lược về phương pháp phần tử hữu hạn, [7].
Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những dự án ngày càng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao, nhưng phải đảm bảo chi phí phù hợp nhất. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu,…, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
Hiện có nhiều phần mềm sử dụng phương PTHH như: ANSYS, CATIA Analysis, ABAQAUS, SAP,…
Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp.
Các bước giải bài toán bằng phương pháp PTHH:
Rời rạc hóa phần tử (chia lưới cho phần tử): chia vật ra thành nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phần tử không thay đổi. Nếu vật có biến dạng phức tạp thì chia các phần tử ở gần biên sao cho thật nhỏ.
Xây dựng các phương trình phần tử.
Lắp ghép các phương trình phần tử và tìm ra ma trận độ cứng. Khử các điều kiện biên.
Giải hệ phương trình toàn cục. Tính toán kết quả.
3.5.2 Ứng dụng CATIA Analysis trong quá trình thiết kế , [1]. 3.5.2.1 Giới thiệu về phần mềm CATIA 3.5.2.1 Giới thiệu về phần mềm CATIA
CATIA được viết tắt từ cụm từ (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application), có nghĩa là “Xử lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
67
tính”, Catia là một bộ phần mềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được hãng Dassault Systemes (Một hãng phát triển phần mềm chuyên dùng thiết kế máy bay) phát triển và IBM là nhà phân phối trên toàn thế giới. Catia được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++. Catia là viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản lý toàn bộ 1 chu trình sản phẩm của hãng Dassault Systemes. CATIA không chỉ ứng dụng trong ngành hàng không mà còn là phần mềm tiêu chuẩn của thế giới để giải quyết các bài toán lớn về: Thiết kế, mô phỏng, chế tạo, phân tích trong nhiều lĩnh vực (cơ khí, xây dựng, tự động hóa, ô tô, tầu thủy,…).
Trong đề tài này sẽ sử dụng phần mềm CATIA V5R20, bao gồm 170 môđun, với 3 cấp độ: Thiết kế - Mô phỏng – Tính toán.
3.5.2.2 Trình tự phân tích bài toán tĩnh trong CATIA Analysis
Trình tự phân tích ứng suất, biến dạng của chi tiết (kết cấu) ứng dụng phương pháp phần tử trong CATIA Analysis, bao gồm các bước sau:
68
Sơ đồ 3.4: Trình tự mô phỏng Analysis trong CATIA
Bước 1:
Thiết kế mô hình hình học của chi tiết cần phân tích
Bước 2:
Tạo mô hình phần tử hữu hạn (chia lưới)
Bước 3:
Thiết lập vật liệu và tạo khối cho chi tiết
Bước 4:
Thiết lập tải và các ràng buộc
Bước 5:
Hiện mô hình hình học và ẩn các phần tử lưới
Bước 6:
Dùng lệnh Compute để mô phỏng, phân tích
Bước 7:
Hiển thị và xử lý kết quả phân tích
Bước 8:
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
69 CHƯƠNG 4
ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ - CHẾ TẠO
Nội dung ở chương 4 sẽ trình bày về ưu – nhược điểm của các phương án thiết kế, sau đó
thực hiện đánh giá các phương án và cuối cùng sẽ chọn phương án tốt nhất để thiết kế - chế tạo.
Chương 4 bao gồm các nội dung sau:
Các yêu cầu và thông số ban đầu.
Các phương án thực hiện: - Phương án 1/ Ý tưởng 1 - Phương án 2/ Ý tưởng 2 - Phương án 3/ Ý tưởng 3 - Phương án 4/ Ý tưởng 4 - Phương án 5/ ý tưởng 5 Đánh giá các phương án.
Lựa chọn phương án thiết kế - chế tạo.
Kiểm tra mức độ tương thích giữa Ý tưởng thực hiện và Người. 4.1 Yêu cầu thiết kế
Yêu cầu thiết kế của máy được xây dựng dựa theo các yêu cầu kỹ thuật của máy ( Bảng , trang…) và kích thước tổng thể ban đầu: Chiều dài ≤ 400 mm, chiều rộng ≤ 500 mm, chiều cao ≤ 700 mm.
4.2 Các phương án thực hiện
Từ biểu đồ xây dựng ý tưởng thiết kế có thể đưa ra 5 tổ hợp ý tưởng thiết kế thực hiện các chức năng cho máy “Gọt vỏ Dừa Tươi” tương ứng với 5 phương án/ ý tưởng, dựa trên các đặc điểm yêu cầu kỹ thuật.
Ưu điểm và nhược điểm của các phương án thiết kế sẽ được cụ thể hóa trong bảng đánh giá các chức năng của các tổ hợp ý tưởng và được đánh giá thông qua các yêu cầu kỹ thuật.
4.2.1 Phương án 1/ Ý tưởng 1
Tổ hợp 1: Điện lưới – Con người – Định hình – Điện lưới
Máy sử dụng nguồn Điện lưới để làm quay trái Dừa, cắt đầu Dừa bằng tay người, sử dụng cơ cấu chạy dao định hình theo hình dáng dao gọt (2 chế độ: tự động và thủ công thông qua bộ truyền Thanh răng – Bánh răng, Vít – Đai ốc) và Dừa được kẹp bằng lực đẩy của motor điện.
70
Hình 4.1: Ý tưởng thiết kế Tổ Hợp 1
4.2.2 Phương án 2/ Ý tưởng 2
Tổ hợp 2: Điện lưới – Điện lưới – Chép hình – Con người
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa sử sụng Điện lưới, cơ cấu chạy dao chép hình (tịnh tiến bằng Thanh răng – Bánh răng), có cơ cấu kẹp Dừa bằng tác dụng sức người (cơ cấu Vít – Đai ốc).
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
71
4.2.3 Phương án 3/ Ý tưởng 3
Tổ hợp 3: Con người - Điện lưới – Định hình – Con người
Quay tròn Dừa bằng sức Người (bộ truyền xích), đầu Dừa được cắt bằng Dao cắt Đĩa (sử dụng điện lưới); cơ cấu kẹp Dừa bằng sức Người, Dừa được gọt theo sự định hình của dao cắt (cơ cấu Trượt và Thanh răng – Bánh răng).
Hình 4.3: Ý tưởng thiết kế Tổ Hợp 3 4.2.4 Phương án 4/ Ý tưởng 4
Tổ hợp 4: Điện lưới – Điện lưới – Định hình – Con người
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa bằng nguồn điện lưới, vỏ Dừa được gọt theo sự định hình của Dao (cơ cấu Thanh răng – Bánh răng), Dừa được kẹp và giữ bằng sức người (cơ cấu Trượt).
72
Hinh 4.4: Ý tưởng thiết kế Tổ Hợp 4
4.2.5 Phương án 5/ Ý tưởng 5
Tổ hợp 5: Điện lưới – Con người – Định hình – Con người.
Dừa quay tròn nhờ nguồn điện lưới, Dừa được gọt theo định hình của Dao ( sử dụng sức người), cắt Đầu Dừa và kẹp Dừa bằng sức người (sử dụng cơ cấu Thanh răng – Bánh răng).
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
73
4.3 Đánh giá ý tưởng
Sau khi tổng hợp và đưa ra tổ hợp ý tưởng cho máy “Gọt vỏ Dừa Tươi”, tiếp tục tiến hành đánh giá ý tưởng thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật đặc trưng của máy và đưa ra quyết định lựa chọn ý tưởng tốt nhất để tiến hành thực thi ý tưởng thành sản phẩm cụ thể. Trong nhiều tài liệu thiết kế, cũng như thực nghiệm để đánh giá ý tưởng người ta sử dụng bảng ma trận đánh giá nhằm thu hẹp phạm vi và chọn lọc ý tưởng thiết kế dễ dàng và có chất lượng tốt. Bảng ma trận đánh giá được xây dựng năm 1980 bởi Stuart Pugh ([, nó được sử dụng rộng rãi và có độ tin cậy cao trong giai đoạn đánh giá và chọn lọc ý tưởng thiết kế. Dưới đây là bảng ma trận đánh giá theo các tiêu chuẩn đặc trưng ( các yêu cầu kỹ thuật mong muốn đạt được ) của máy “ Gọt vỏ Dừa Tươi” đối với các chức năng chính: chuyển
động quay tròn Dừa, cắt đầu Dừa, cơ cấu gọt vỏ ( chạy dao ), cơ cấu kẹp chặt Dừa. Trong bảng ma trận đánh giá :
Cột Tiêu chuẩn: là những từ khóa thể hiện các yêu cầu kỹ thuật .
Cột Tỉ trọng: là tỉ trọng chi phí tăng thêm khi cần đạt các yêu cầu mong muốn. Giá trị tỉ trọng được lấy từ cột tỉ trọng của bảng 1.
Chọn 1 yếu tố làm mốc tính toán các giá trị cho các yếu tố còn lại.
Cột Giá trị: là mức độ đánh giá giá trị của các yếu tố còn lại so với yếu tố được chọn làm mốc tính toán, được quy ước như sau:
Giá trị [0] : Giá trị tương đương với mốc tính toán
Giá trị [+1] : Tốt hơn so với mốc tính toán
Giá trị [+2] : Tốt hơn rất nhiều so với mốc tính toán
Giá trị [-1] : Kém hơn so với mốc tính toán
Giá trị [-2] : Kém hơn rất nhiều so với mốc tính toán
[Tỉ trọng giá trị] = [Tỉ trọng] x [Giá trị]
Chú ý: kết quả bảng ma trận mang tính tương đối và có sự chênh lệch giá trị.
Bảng 4.1: Đánh giá chức năng Chuyển động quay tròn Dừa
Tiêu chuẩn
Tỉ trọng
Con người Điện lưới Điện Ac-qui
Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Tuổi bền 3 +1 +3 +1 +3 Cơ cấu 3 +1 +3 +1 +3
74 Tốc độ cắt 2 Mốc tính toán +2 +4 +1 +2 Lực kẹp 1 -2 -2 -1 -1 Lực cắt 2 +2 +4 +1 +2 Nhẹ 2 0 0 0 0
Bảo trì đơn giản 3 -1 -3 -1 -3
Thẩm mỹ 3 0 0 0 0
An toàn cắt 2 -1 -2 -1 -2
Chính xác 3 +2 +6 +2 +6
Chi phí 1 -1 -1 -2 -2
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +12 +8
Bảng 4.2: Đánh giá chức năng cắt gọt ( chạy dao):
Tiêu chuẩn Tỉ trọng Theo biên dạng Định hình Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Chiều sâu 3 Mốc tính toán +1 +3 Cơ cấu 3 +1 +3 Tốc độ cắt 2 -1 -2 Lực cắt 2 +1 +2 Vệ sinh 2 0 0 Tuổi bền 2 0 0
Tiêu chuẩn hóa 2 0 0
Nhẹ 2 -1 -2
Chính xác 3 +1 +3
An toàn cắt 2 -1 -2
Bảo trì đơn giản 3 +1 +3
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
75
Chi phí 1 +1 +1
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +6
Bảng 4.3: Đánh giá chức năng kẹp – giữ Dừa
Tiêu chuẩn Tỉ trọng
Con người Điện lưới Khí nén
Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Cơ cấu 3 Mốc tính toán +1 +3 -1 -3 Lực kẹp 2 +2 +4 +2 +4 Tuổi bền 3 +1 +3 +1 +3
Tiêu chuẩn hóa 2 +2 +4 +1 +2
Nhẹ 2 -2 -4 -2 -4
Chính xác 3 +1 +3 +1 +3
An toàn cắt 2 +1 +2 +1 +2
Dễ thay thế 2 +1 +2 -1 -2
Thẩm mỹ 3 -1 -3 -1 -3
Bảo trì đơn giản 3 +1 +3 -1 -3
Vệ sinh 2 -2 -4 -1 -2
Chi phí 1 -1 -2 -2 -4
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +11 -7
4.4 Chọn ý tưởng thiết kế - chế tạo
Từ 3 bảng ma trận đánh giá với 4 chức năng quan trọng nhất của máy, cho thấy:
1. Tổ hợp ý tưởng 1:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+29]
76
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+12]
3. Tổ hợp ý tưởng 3:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4yếu ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+6]
4. Tổ hợp ý tưởng 4:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+18]
5. Tổ hợp ý tưởng 5:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+14]
Kết luận:
Như vậy Tổ Hợp 1 có tổng tỉ trọng giá trị cao nhất. Cho nên Tổ Hợp 1 sẽ được lựa
chọn để tiến hành thiết kế và chế tạo thử nghiệm.
4.5 Kiểm tra khả năng tương thích giữ Ý tưởng thiết kế và Con Người
Sau khi mô phỏng sơ bộ, tiếp tục mô phỏng Máy với kích thước và hình dáng thiết kế thật so với Người, với các tư thế (Đứng, Cúi Người, Quỳ, Ngồi trên Ghế) như sau:
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
77
Hình 4.7: Tư thế Cúi Người
78
Hình 4.9: Tư thế ngồi trên Ghế
Thông qua các mô phỏng, cho thấy với kích thước Máy và các tư thế sử dụngMáy của Con
Người như vậy sẽ gây ra nhược điểm sau: Không duy trì được tư thế làm việc trong một khoản thời gian dài, người sử dụng sẽ cảm thấy mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc với tư thế không thoải mái, đồng thời làm giảm giá trị của sản phẩm.
Thiết kế bộ phận hỗ trợ Máy
Sau khi xem xét sự tương thích của Máy và Người, để tăng khả năng sử dụng Máy dễ dàng và thoải mái hơn cần có một bộ khung hỗ trợ chiều cao của Máy phù hợp với tư thế vận hành.
Trong phần này sẽ xây dựng tư thế Ngồi phù hợp cho Người khi sử dụng máy, bởi vì tư thế Ngồi là tư thế có thể duy trì khả năng làm việc lâu nhất.
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
79
Hình 4.10: Tư thế Ngồi phù hợp khi có cơ cấu hỗ trợ
Từ mô hình mô phỏng sẽ xác định được kích thước Khung hỗ trợ với độ chính xác tương đối như sau: Chiều dài 400 mm, chiều rộng 500 mm, chiều cao 300 mm.
80 CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
Sau khi đánh giá, lựa chọn được ý tưởng thiết kế tốt nhất và kiểm tra khả năng sử dụng
Máy của Con Người, tiếp theo trong chương 5 sẽ thực hiện các công việc tính toán thiết kế và chế tạo thử nghiệm cho ý tưởng được lựa chọn.
Nội dung chương 5 bao gồm các tính toán sau:
Tính toán, kiểm bền bộ truyền trục chính. Tính toán bộ, kiểm bền chạy dao bên. Tính toán, kiểm bền bộ chạy dao trên. Tính toán, kiểm bền Thân Máy.
Kiểm bền Khung Máy (cơ cấu hỗ trợ).
5.1 CÁC BỘ PHẬN CHÍNH VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN 5.1.1 Sơ đồ các bộ phận chính 5.1.1 Sơ đồ các bộ phận chính
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
81
Hình 5.2 : Các bộ phận chính
Các bộ phận chính máy ‘ Gọt Vỏ Dừa Tươi’ bao gồm các bộ phận : - Bộ truyền trục chính :
Thực hiện chức năng tạo chuyển động quay Dừa liên tục trong suốt quá trình gọt. Bao gồm : Trục, gối đỡ, ổ lăn, puly, chấu kẹp, động cơ…
- Khung :
Với vai trò lắp ráp các bộ phận, chi tiết của máy. - Bộ chạy dao bên :
Thực hiện chuyển động chạy dao tịnh tiến hướng tâm để gọt vỏ phần thân Dừa. Gồm : Vít me – đai ốc, thanh trượt – rãnh trượt, thanh đỡ, thanh truyền, dao…
- Bộ chạy dao trên :
Bộ chạy dao trên
Bộ chạy dao bên Thân Bộ truyền trục chính Bộ cắt đầu Dừa
82
Có nhiệm vụ tạo lực dọc trục đẩy Dừa ghim sâu vào chấu kẹp và chạy dao tự động. Bao gồm : Thanh răng – Bánh răng, Tay quay, Thanh trượt – Rãnh trượt, Chống tâm, Tấm dẫn hướng, ống lót, motor giảm tốc…
5.1.2 Trình tự tính toán