Chương 3 Tính toán thiết kế kết cấu đầu rung mới
3.6.1. Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysi s FEA)
Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được giới thiệu bởi Turner và các cộng sự năm 1956. Phương pháp phần tử hữu hạn (là một trong những ứng dụng kỹ thuật phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ thống CAD/CAM. Đây là một phương pháp số, được sử dụng để xác định lời giải gần đúng của các bài toán kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp; có thể xử lý các đối tượng có hình dạng, vật liệu, điều kiện biên và tải trọng bất kỳ. FEA ngày càng trở nên thiết yếu trong các bài toán thiết kế và mô hình hóa các hiện tượng vật lý đa dạng trong kỹ thuật. Các hiện tượng vật lý thường xảy ra trong các môi trường liên tục như khối rắn, chất lỏng hoặc chất khí bao gồm nhiều biến số. Trường biến số, thay đổi từ điểm này sang điểm khác. Tuy nhiên, khi giới hạn các điều kiện biên, một số lời giải gần đúng sẽ được tìm ra cho bài toán.
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải quyết nhiều loại bài toán kỹ thuật. Chẳng hạn, các bài toán về cơ học vật liệu, truyền nhiệt, trường điện từ, cơ học chất lỏng, đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế cơ khí. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là chia các hình dạng phức tạp của đối tượng cần khảo sát thành một số lượng hữu hạn các phần tử nhỏ, sau đó tiến hành giải phương trình cân bằng cho mỗi phần tử. Lời giải của bài toán sẽ thu được từ việc tổng hợp các kết quả phân tích từng phần tử. Nhóm các phần tử hữu hạn được kết nối với nhau bằng các chuyển vị và cân bằng ứng suất tại các nút.
Phần mềm ANSYS là một trong những công cụ hiệu quả, linh hoạt nhất trợ giúp cho việc giải quyết các bài toán phân tích mô hình của các cấu trúc kết cấu cơ học. Trong luận văn này, cơ cấu rung siêu âm hỗ trợ quá trình tiện lỗ được thiết kế và phân tích phần tử hữu hạn trên môi trường ANSYS. Quá trình phân tích mô hình cơ cấu rung sẽ tìm ra tần số rung động tự nhiên và biên độ rung tại đầu dụng cụ làm việc . Phương pháp này còn rất hiệu quả trong việc xác định tần số cộng hưởng và phân tích chuyển vị của đầu dụng cụ trong quá trình cắt gọt với bất kỳ kích thước nào.
Các bước trình của việc sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn bao gồm:
Xây dựng mô hình
Khai báo thuộc tính vật liệu
Lựa chọn loại phần tử và chia lưới
Xác định điều kiện biên và đặt các tải trọng tác dụng
Giải bài toán và phân tích kết quả.
Phần dưới đây, trình bày kết quả sử dụng FEA (trên môi trường ANSYS) để xác định tần số cộng hưởng dao động tự nhiên và biên độ dao động cho cơ cấu đầu rung siêu âm qua mô hình Modal analysis và Harmonic response.