II. Virtual Crack Closure Technique (Modified Crack Closure Method)
CHƯƠNG IV PHẦN MỀM ANSYS
PHẦN MỀM ANSYS
I. Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tướng tác đa trường vật lý.
Hình 30. Phần mềm Ansys
ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D đẻ phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải bài các bài toán cơ với nhiều hình dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí…
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
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.
Cấu trúc cơ bản một bài toán trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). Ngoài 3
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,…).
Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việc giải bài toán của mình. Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện được những ý tưởng này trong ANSYS. ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng (Graphic User Interface, GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (ta cũng có thể kết hợp hai phương pháp trên một cách linh hoạt sao cho bài toán được thực hiện một cách hiệu quả nhất).
II. Ứng dụng của Ansys
• ANSYS là một gói phần mềm FEA(Finite Element Analysis) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên toàn thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Kết cấu.
Nhiệt.
Dòng chảy, bao gồm cả Mô phỏng số động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics, CFD).
Điện, Tĩnh điện.
Điện từ.
Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
• ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật.
• Có 3 sản phẩm thành phần chính dẫn xuất từ ANSYS/Multiphysics là :
ANSYS/Emag: tính toán điện từ.
ANSYS/FLOTRAN: tính toán CFD.
• Ngoài ra còn có các dòng sản phẩm khác :
ANSYS/LS-DYNA: giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao (VD: bài toán động lực học biến dạng lớn trong gia công áp lực)
DesignSpace: là một công cụ gọn nhẹ cho phép phân tích và thiết kế nhanh trong các môi trường CAD khác nhau (ví dụ: SolidWorks, SolidEdge...)
ANSYS/ProFEA : cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD Pro/ENGINEER
Hình 31. Các thành phần 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.
Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh
Hình 32. Kết cấu 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 modal: xác định tần số riêng và dạng dao động riêng.
Phân tích điều hòa: 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 (Transient Dynamic Analysis): xác định ứng xử của kết cấu khi tải trọng thay đổi theo thời gian và có thể bao gồm cả ứng xử phi tuyến.
2. Động lực học biến dạng lớn:
• Dùng để mô phỏng biến dạng rất lớn khi lực quán tính đóng vai trò quyết định. • Dùng để mô phỏng các bài toán va chạm, phá huỷ, tạo hình nhanh,…
Hình 33. Phân tích va chạm của một thí nghiệm đối với ô tô
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 lên,
gradient nhiệt, và dòng nhiệt.
• Tất cả 3 dạng truyền nhiệt cơ bản đều có thể được phân tích và mô phỏng: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ.
• Trạng thái ổn định (Steady-State): Bỏ qua các ảnh hưởng phụ thuộc thời gian. • Trạng thái tức thời hay chưa ổn định (Transient):
Để xác định nhiệt độ và một số đại lượng khác như một hàm của thời gian.
Hình 34. Nhiệt độ tức thời của một kết cấu
4. Phân tích điện từ
• Phân tích điện từ được sử dụng để tính toán từ trường trong các thiết bị điện từ. • Phân tích điện từ tĩnh và tần số thấp:
Mô phỏng các thiết bị sử dụng nguồn điện 1 chiều, nguồn xoay chiều tần số thấp, các tín hiệu tức thời ngắn tần số thấp.
Ví dụ: thiết bị khởi động từ (solenoid), các động cơ, máy biến thế.
Các thông số đáng quan tâm bao gồm : mật độ thông lượng từ, cường độ từ trường, lực và mô men từ, trở kháng, độ tự cảm, dòng điện xoáy, công suất mất mát, và dòng rò.
Hình 35. Từ trường trong một kết cấu từ
• Phân tích điện từ tần số cao:
Mô phỏng các thiết bị truyền sóng điện từ.
Ví dụ: các thiết bị thu vi sóng và sóng radio, dẫn sóng, thiết bị kết nối đồng trục.
Các đại lượng đáng quan tâm gồm có: các thông số S, nhân tố Q, tổn thất đường về, tổn hao điện môi và tổn hao dẫn điện, và các trường điện và từ. • Phân tích tĩnh điện:
Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hoặc tích điện Ví dụ: Thiết bị cao áp, các hệ vi cơ điện tử (MEMS), đường truyền.
Các đại lượng điển hình là cường độ và điện dung của trường điện.
• Độ dẫn điện: để tính toán dòng điện trong dây dẫn khi áp đặt một điện áp • Kết nối mạch: để kết nối mạch điện với các thiết bị điện từ.
• Các kiểu phân tích điện từ:
Phân tích tĩnh: tính toán từ trường của dòng 1 chiều hoặc nam châm vĩnh cửu.
Phân tích điều hòa: tính toán từ trường của dòng điện xoay chiều.
Phân tích tức thời: được sử dụng với từ trường thay đổi theo thời gian.
5. Tính toán động lực học dòng chảy
• ANSYS/FLOTRAN có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp.
• Ứng dụng cho hàng không vũ trụ, đóng gói điện tử, thiết kế ôtô.
• Các đại lượng đặc trưng đáng quan tâm là vận tốc, áp suất, nhiệt độ và các hệ số màng.
Hình 36.Vận tốc của dòng chảy trong ống dẫn và phân bố áp suất
• Âm thanh:
Để phân tích và mô phỏng sự tương tác giữa 1 môi trường chất lỏng (hoặc khí) và khối chất rắn bao quanh.
Ví dụ: loa phóng thanh, nội thất ô tô, thiết bị dò bằng siêu âm.
Các đại lượng đặc trưng bao gồm: phân bố áp suất, chuyển vị và các tần số riêng. • Phân tích chất lỏng (hoặc khí) trong bể chứa:
Để mô phỏng hiệu ứng của một chất lỏng hoặc khí đứng yên (không chảy) trong bể chứa, và tính toán áp suất thủy tĩnh do bị khuấy lên.
Ví dụ: Trong tầu chở dầu, các bình chứa chất lỏng khác.
• Nhiệt và sự dịch chuyển khối lượng: Một phần tử 1 chiều được sử dụng để tính toán lượng nhiệt sinh ra do sự dịch chuyển khối lượng giữa hai vị trí, ví dụ như dịch chuyển của một khối lượng trong một cái ống.