- SJ MEPLA v3.5 là một chương trình phần tử hữu hạn, phát triển để thực hiện các tính toán tĩnh và động của các kết cấu kính và 1 số vật liệu khác. Ta có thể tính toán với kết cấu có hình dạng bất kỳ, bao gồm kính ghép, điểm fixing, lan can… Có nhiều trường hợp tải tác dụng khác nhau mà ta có thể lựa chọn.
- Hầu như tất cả mọi thứ được thực hiện tự động.
- Phương pháp phần tử hữu hạn mới đặc biệt cho phép nhập dữ liệu đầu vào đơn giản. Tất cả các yếu tố đầu vào như: hình học, các điều kiện biên, các loại tải trọng, phương thức tính toán hay yêu cầu đầu ra đều được hiển thị sẵn, ta chỉ cần chọn và nhập theo đúng yêu cầu của bài toán cần làm. Và toàn bộ vấn đề có thể được giải quyết trong thời gian ngắn nhất. Ta sẽ nhận được kết quả ứng suất và biến dạng trong vòng vài phút. Trực quan của dữ liệu tính toán có thể được thực hiện với một bộ xử lý và chúng ta có thể xuất hay in các dữ liệu làm được.
- Do đó, chương trình này phù hợp cho việc tính toán tĩnh và động, cũng như cung cấp 1 loạt các khả năng tính toán khác:
62
+ Tự động tạo lưới cho biên thẳng hay biên cong bởi việc tạo các điểm góc. Kích thước phần tử được cài đặt sẵn, nhưng cũng có thể thay đổi bằng tay để tăng độ chính xác của việc tính toán. Với điều này, bất kỳ kết cấu có hình dạng nào như có lỗ tròn hay bị cắt khuyết vẫn có thể tính toán được.
+ Tất cả các tính toán tiếp theo có thể được thực hiện theo dạng tuyến tính hay phi tuyến (biến dạng lớn).
+ Cài đặt tự động mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, …và một số đặc trưng khác của vật liệu. Nhưng ta cũng có thể thay đổi 1 số dữ liệu cần thiết để mô hình đúng với thực tế.
+ Phương pháp giải tuyến tính hoặc phi tuyến cho các lớp kính đơn, kính ghép nhiều lớp cũng như kính cách nhiệt, cách âm, và đầu ra cho các biểu đồ về lực, biến dạng, ứng suất trong suốt thời gian tác động tại 1 vị trí bất kỳ được xác định trước. + Cách làm tương tự khi tính toán kết cấu chịu tải trọng động như luồng gió thay đổi nhiều hướng, con lắc, hay va đập …
3 Giới thiệu sơ lược về ANSYS v14:
- 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 thuỷ 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 tương tác đa trường vật lý. 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 để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ 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 các bài toán cơ với nhiều 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 …
63
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 tính trong ANSYS. Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). 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 ta cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu, nhiệt hay điện từ…), mô hình hoá như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay mô hình 3 chiều đầy đủ …), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell. Plate…).
- 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 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 dùng kết hợp 2 cách này một cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả,…). …..
Thông số cơ bản của kết cấu kính ghép: 4.2.1 Thông số vật liệu kính và lớp PVB:
Bảng 4.1Thông số vật liệu kính ghép.
Vật liệu Modun đàn hồi E (Mpa) Hệ số poisson
Kính cường lực 70000 0.23
64 Hình 4.1 Môđun đàn hồi lớp PVB. Bảng 4.2Hệ số poisson của PVB Nhiệt độ (oC) Hệ số poisson -10 0.446 0 0.447 10 0.449 20 0.453 30 0.474 40 0.492 50 0.497 60 0.499 70 0.5 80 0.5
65
2Thông số tải trọng tác dụng (lấy từ Pu của thí nghiệm):
Bảng 4.3 Tải trọng tác dụng nhóm 8mm-2P. B01-2P-30 B02-2P-50 B03-2P-65 B04-2P-80 P (kN) 7.65 5.89 5.96 5.85 P (N/mm) 10.63 8.59 8.28 7.45 Bảng 4.4 Tải trọng tác dụng nhóm 8mm-3P. B05-3P-30 B06-3P-50 B07-3P-65 B08-3P-80 P (kN) 7.74 5.56 5.96 5.72 P (N/mm) 10.75 7.72 8.28 7.54 Bảng 4.5 Tải trọng tác dụng nhóm 12mm-2P. A01-2P-30 A02-2P-50 A03-2P-80
P (kN) 18.33 16.32 15.17
P (N/mm) 25.45 22.67 21.07
Bảng 4.6 Tải trọng tác dụng nhóm 12mm-3P. A04-3P-30 A05-3P-50 A06-3P-80
P (kN) 19.62 14.10 14.77
P (N/mm) 27.24 19.58 20.51
4.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho kính ghép:
4.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn trong SJ MEPLA:
- Chương trình dùng phần tử nhiều lớp đẳng hướng 9 node, sử dụng Lagrange – shape in – có chức năng nội suy (terpolation functions):
66
Hình 4.2 Mô hình phần tử trong SJ MEPLA.
Hình 4.3 Thứ tự các lớp vật liệu trong SJ MEPLA.
Mô hình hình học cho các phần tử kính ghép trong ANSYS:
4.3.2.1 Mô hình cho các lớp kính:
Các lớp kính trong khảo sát này được mô tả bằng phần tử SOLID65, phần tử này được thể hiện chi tiết ở hình 4.4. Ở đây, phần tử SOLID65 được sử dụng để mô hình cho các lớp kính vì SOLID65 có ứng xử nứt và phá huỷ giống kính. Phần tử này được xác định bởi tám nút có ba bậc tự do tại mỗi nút.
67
Hình 4.4Mô hình phần tử SOLID65.
Mô hình cho các lớp PVB:
Trong ANSYS, phần tử SOLSH190 được dùng để mô phỏng các kết cấu dạng vỏ với độ dày mỏng và phần tử này có thể hiện tính đàn nhớt (viscoelasticity). Phần tử này được xác định bởi tám nút có ba bậc tự do tại mỗi nút. Có thể sử dụng phần tử SOLSH190 cho các lớp trong việc mô hình kết cấu tấm được ghép bởi nhiều lớp hay kết cấu sandwich. Độ chính xác trong việc mô hình tấm hỗn hợp được chi phối bởi lý thuyết biến dạng cắt ( được biết đến như lý thuyết tấm Mindlin-Reissner).
68
Hình 4.5Mô hình phần tử SOLSH190.
Mô hình phần tử hữu hạn cho mẫu thí nghiệm trong ANSYS:
Trong ANSYS, mô hình kính ghép được xây dựng sao cho có trạng thái làm việc phù hợp nhất với mẫu thí nghiệm thực.Mô hình hình học 3 chiều của kính ghép được xây dựng chi tiết với đầy đủ kích thước, chi tiết ở hình 4.6.
69
Hình 4.6 Mô hình phần tử và chia lưới trong ANSYS.
Hình 4.7 Gán điều kiện biên và tải trọng. P/2
70
ồ quá trình thực hiện:
71
Hình 4.9 Lưu đồ tính toán trong ANSYS.
.5 Kết quả phân tích phần tử hữu hạn: 4.5.1 Kết quả đạt được từ SJ MEPLA:
72
Hình 4.10 Biểu đồ quan hệ 0
mid
y T C của nhóm mẫu 8mm và 12mm (MEPLA).
Hình 4.11 Biểu đồ quan hệ 0
ax
m T C
của nhóm mẫu 8mm và 12mm (MEPLA).
73
5.1.2 Một số hình ảnh đặc trưng cho ứng xử của các mẫu:
- Chương trình dùng lý thuyết tấm Mindlin, và từ đó xác định được chuyển vị tại các lớp.
Hình 4.13 Độ võng của kính ghép (lớp 1-lớp kính dưới) (MEPLA).
- Với mỗi lớp, ứng suất ở mặt trên và mặt dưới xx, yy, xycủa mỗi lớp được tính toán. Các ứng suất này hiển thị trong SJ MEPLA theo quy ước: S S Sxx, ,yy xy.Ứng suất cắt được dùng để tính toán trong chương trình, nhưng không được hiển thị ra trong file xuất kết quả.
- Các ứng suất chính được xác định trong chương trình bởi Sp+ và Sp- (ứng suất chính +, -): 2 2 ( , ) 2 4 xx yy xx yy h xy (5.1)
74
Hình 4.14 Sự phân bố ứng suất uốn trong kính ghép (MEPLA) (mặt dưới lớp 1-lớp kính dưới).
5.2 Kết quả đạt được từ ANSYS: 4.5.2.1 Các biểu đồ quan hệ:
Hình 4.15 Biểu đồ quan hệ 0
mid
75
Hình 4.16 Biểu đồ quan hệ 0
ax
m T C
của nhóm mẫu 8mm và 12mm (ANSYS).
Hình 4.17 Biểu đồ quan hệ 0
shear T C
của nhóm mẫu 8mm và 12mm (ANSYS).
76
5.2.2 Một số hình ảnh đặc trưng cho ứng xử của các mẫu:
Hình 4.19 Độ võng của kính ghép (lớp kính dưới) (ANSYS).
Hình 4.20 Sự phân bố ứng suất uốn trong kính ghép (ANSYS) (mặt trên và mặt dưới lớp kính dưới) .
77
Hình 4.21 Sự phân bố ứng suất cắt XZ trong kính ghép (ANSYS) (mặt trên và mặt dưới lớp kính dưới).
6 Kết luận về mô phỏng PTHH:
Việc mô phỏng bằng 2 phần mềm cho các kết quả về độ võng và ứng suất có độ tin cậy khá tốt so với kết quả thí nghiệm mà sẽ được bàn luận chi tiết trong chương 5.
78
Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
5.1 Kết quả nghiên cứu: 5.1.1 Độ võng: 5.1.1 Độ võng: Hình 5.1 Biểu đồ quan hệ 0 mid y T C của nhóm mẫu 8mm-2P và 8mm-3P. Hình 5.2 Biểu đồ quan hệ 0 mid y T C của nhóm mẫu 12mm-2P và 12mm-3P.
79 Hình 5.3 Biểu đồ quan hệ % 0 mid y T C của nhóm mẫu 8mm-2P và 8mm-3P. Hình 5.4 Biểu đồ quan hệ % 0 mid y T C của nhóm mẫu 12mm-2P và 12mm-3P. Nhận xét về độ võng giữa nhịp:
- Giữa lý thuyết và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch lớn (24% - 79%) ở tất cả các mức nhiệt độ.
- Giữa MEPLA và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch nhỏ (4% - 28%) ở tất cả các mức nhiệt độ.
- Giữa ANSYS và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch tương đối (24% - 47%); còn ở T 500C800C, độ sai lệch này nhỏ (sai lệch 4% - 26%).
80 5.1.2 Ứng suất: Hình 5.5 Biểu đồ quan hệ 0 ax m T C của nhóm mẫu 8mm-2P và 8mm-3P. Hình 5.6 Biểu đồ quan hệ 0 ax m T C của nhóm mẫu 12mm-2P và 12mm-3P.
81 Hình 5.7 Biểu đồ quan hệ % 0 ax m T C của nhóm mẫu 8mm-2P và 8mm-3P. Hình 5.8 Biểu đồ quan hệ % 0 ax m T C của nhóm mẫu 12mm-2P và 12mm-3P. Nhận xét về ứng suất phá hoại:
- Giữa lý thuyết và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch nhiều (59% - 77%); còn ở T 500C800C, độ sai lệch này rất lớn (sai lệch 87% - 96%).
- Giữa MEPLA và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch nhỏ (14% - 34%); còn ở T 500C800C, độ sai lệch này lớn (sai lệch 60% - 92%).
82
- Giữa ANSYS và thực nghiệm: Nếu lấy kết quả thực nghiệm làm chuẩn, ở 0
30
T C, có sự sai lệch nhỏ (15% - 27%); còn ở T 500C800C, độ sai lệch này rất nhỏ (sai lệch 0% - 20%).
5.2 Nhận xét chung:
- Tính toán lý thuyết cho kết quả sai lệch lớn so với thực nghiệm về độ võng (sai số trung bình là 52%) và ứng suất (sai số trung bình là 78%).
- Mô phỏng MEPLA cho kết quả tốt so với thực nghiệm về độ võng (sai số trung bình là 16%), nhưng có khác biệt lớn so với thực nghiệm về ứng suất (sai số trung bình là 53%).
- Mô phỏng ANSYS cho kết quả khá tốt so với thực nghiệm cả về độ võng (sai số trung bình là 26%), và về ứng suất (sai số trung bình là14%).
- Độ võng được xác định từ mô phỏng số nhỏ hơn độ võng từ thực nghiệm và tính toán lý thuyết ở T 300C, giống với kết luận của T. Serafinavicius [5]. Ở các nhiệt độ cao hơn, thì mô phỏng có thể lớn hoặc nhỏ hơn kết quả thực nghiệm một ít.
Từ các nhận xét trên, tác giả có thể giải thích một số ý như sau:
- Công thức tính toán lý thuyết quá đơn giản, cần phải được xem xét lại hoặc hiệu chỉnh.
- Mô phỏng phi tuyến cho kết quả khá tốt đặc biệt là độ võng, nhưng lại có sai biệt về ứng suất giữa 2 phần mềm này, có thể do:
+ MEPLA là phần mềm thiết kế. Đây là phần mềm gọn, nhẹ, đơn giản. Phần mềm cố định phần tử, người sử dụng không có quyền lựa chọn phần tử. Trong phần mềm sử dụng phần tử đẳng hướng 2D, bỏ qua 1 số giả thiết nên có thể gây sai lệch so với kết quả thực nghiệm.
+ ANSYS là phần mềm phân tích. Phần mềm không cố định phần tử, người sử dụng có thể lựa chọn phần tử tốt sao cho phù hợp nhất với bản chất của vật liệu. Trong bài này, sử dụng phần tử 3D, có thể vì vậy nên ANSYS cho kết quả ứng suất tốt hơn
83
MEPLA. Nhưng việc lựa chọn này cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng, bởi có thể đối với trường hợp này thì lựa chọn phần tử này đúng, nhưng với trường hợp khác thì không phù hợp.
- Trong phương pháp nghiên cứu, đặc biệt đối với vật liệu kính ghép, thì nghiên cứu thực nghiệm là cần thiết và đặc biệt ưu tiên. Bởi lẽ trong 1 số trường hợp, nó là quyết định cho việc tính toán thiết kế, do loại vật liệu sandwich này có ứng xử rất phức tạp.
- Trong mô phỏng PTHH ở luận văn này, chưa xét đến sự trượt giữa kính và PVB, nên có thể dẫn đến sai số giữa thí nghiệm với kết quả mô phỏng.
84
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Căn cứ vào kết quả thu được từ thí nghiệm đã tiến hành trên 18 mẫu kính ghép, kết hợp với kết quả tính toán lý thuyết và số liệu mô phỏng phần tử hữu hạn, đề tài đã tiến hành đánh giá khả năng chịu lực cũng như phân tích ứng xử của kính ghép như đã trình bày. Qua đó đề tài rút ra được một số kết luận như sau:
6.1 Kết luận:
6.1.1 Kết quả thí nghiệm, về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết cấu kính ghép: