1. Giới thiệu về phần mềm ansys
1.1 Giới thiệu chung
Phương pháp PTHH để giải các bài toán kĩ thuật đã được biết đến từ lâu. Nhưng việc giải các bài toán kĩ thuật bằng phương pháp PTHH tương đối phức tạp, nhất là đối với các chi tiết lớn, có kết cấu phức tạp. Với sự phát triển của khoa học máy tính và công nghệ thông tin, việc giải các bài toán theo phương pháp PTHH đã trở nên đơn giản hơn với sự trợ giúp của máy tính và các phần mềm phân tích, mô phỏng. Nổi bật trong đó là phần mêm Ansys.
Hình 3.1 – Màn hình khởi động Ansys
Ansys là phần mềm CAE nổi tiếng của công ty Ansys, Inc đặt tại bang Pennsylvania, Hoa Kỳ, được phát triển từ những năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson, hệ thống tính toán Swanson. Trong hệ thống này, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc. Phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) là phương pháp không nhưng chỉ ngày càng ngày được sử dụng nhiều để giải quyết các bài toán cơ kỹ thuật, mà còn ngày càng ngày được sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác trong kỹ thuật và nó mang lại hiệu quả cao. Hiện nay phiên bản mới nhất là Ansys 14
Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thuỷ khí, điện từ, sau khi mô hình hoá và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
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. • Các thành phần của ANSYS
Phần mềm ANSYS gồm nhiều modul khác nhau: ANSYS/Multiphysics, ANSYS Mechanical, ANSYS Professional, ANSYS Structural, ANSYS LS-DYNA, ANSYS LinearPlus, ANSYS Thermal, ANSYS Emag, ANSYS FLOTRAN, ANSYS PrepPost, ANSYS CFX, ANSYS ED, ANSYS PTD, ANSYS TASPCB, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AI*Evironment, ANSYS DesignXploder, ANSYS Design Modeler, ANSYS DesignExplode VT, ANSYS BledeModeler, ANSYS TurboGrid, ANSYS AUTODYN…
− 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 Mechanical : Tính toán kết cấu và nhiệt.
+ 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, Autodesk products, SolidEdge, Unigraphics …).
+ ANSYS/ProFEA : Cho phép phân tích và tối ưu thiết kế trong môi trường CAD Pro/ENGINEER
1.2 Ứng dụng của Ansys
Ansys là gói phần mềm FEA hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang sử dụng trên toàn thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật. ANSYS có thể giải được các bài toán tuyến tính, phi tuyến trong các lĩnh vực như cơ học vật rắn, cơ học lưu chất… Mặt khác, phần mềm ANSYS không chỉ hỗ trợ hơn 200 kiểu phân tử khác nhau, mỗi kiểu phần tử là một dạng bài toán, mà còn kết nối với các phần mềm khác như ACAD, SOILDWORK, PRO/E…Các lĩnh vực có thể dùng Ansys để phân tích và tính toán là:
• Kết cấu
• cơ học (Structural)
• Nhiệt (Thermal)
• Dòng chảy, bao gồm cả mô phỏng số động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics, CFD)
• Điện, Tĩnh điện (Electric)
• Điện từ (Magnetic)
• Thủy khí (Fluid)
• Tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Các lĩnh vực công nghiệp chính có sử dụng Ansys:
• Vũ trụ, hàng không
• Công nghiệp ôtô
• Y sinh
• Xây dựng và cầu đường
• Điện tử và thiết bị
• Máy móc và thiết bị công nghiệp nặng
• Các hệ vi cơ – điện tử (Micro Electromechanical Systems, MEMS).
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.
• Phân tích tĩnh:
− Sử dụng trong trường hợp tải tĩnh
Hình 3.2 – 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 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.
• 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 3.3 – Phân tích va chạm của một thí nghiệm đối với ô tô
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 3.4 – Phân bố nhiệt trong kết cấu
Phân tích điện từ
• 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.
• 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.
Hình 3.5 – Mật độ dòng chảy điện từ của van kiểm soát chất lỏng solenoid
• Tính toán trường điện khi kích thích bằng điện áp hoặc tích điện như 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.
Tính toán động lực học dòng chảy
• Xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy.
• 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 3.6 – Trường dòng chảy trong ống dẫn và phân bố áp suất của thùng trộn
Âm thanh
ANSYS Acoustics Structures kết hợp cơ học kết cấu của ANSYS với một thư viện phần tử âm học vô hạn và hữu hạn mạnh mẽ, nhanh chóng, và đáng tin cậy. Việc tích hợp công nghệ ACTRAN trong môi trường ANSYS Workbench giúp cho việc sử dụng được dễ dàng hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là các kỹ sư có thể tập trung vào phân tích kết quả thay vì tốn thời gian thiết lập mô hình.
Hình 3.7 – Đồ thị áp suất mức áp âm
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 .
Hình 3.8 – Kết cấu khung giàn
Với bài toán kết cấu này, ta có thể tiến hành giải theo hai phương pháp đó là phương pháp GUI và phương pháp dùng câu lệnh của ngôn ngữ APDL.
Để giải bài toán, chúng ta cũng đi xây dựng các bước như đã nói ở phần 2.1 bao gồm:
• Xây dựng mô hình của kết cấu:
- Dùng lệnh tạo keypoint trong Ansys để tạo ra các điểm đặc biệt của kết cấu. - Dùng lệnh tạo đường thẳng (Line) để nối các keypoint đó thành hình dạng của
1 1 2 1 3 2 3 2 4 3 4 3 5 4 5 4 6 5 6 5 7 6 7 X Y Z
Bridge Truss Tutorial MAY 18 2012
00:02:57 LINES
TYPE NUM
Hình 3.9 – Mô hình của giàn khi chưa chia lưới
• Khai báo phần tử và thuộc tính của vật liệu
- Định nghĩa kiểu phần tử của kết cấu. Ở ví dụ này kiểu phần tử của kết cấu là kiểu thanh (LINK)
- Khai báo thuộc tính vật liệu: Khai báo hệ số mô đun đàn hồi và diện tích mặt cắt ngang của thanh
• Chia lưới phần tử
- Định kích thước phần tử - Chia lưới
1 1 2 1 3 2 3 2 4 3 4 3 5 4 5 4 6 5 6 5 7 6 7 X Y Z
Bridge Truss Tutorial MAY 18 2012
00:11:33 LINES
TYPE NUM
Hình 3.10 – Mô hình kết cấu khi đã được phần tử hóa
• Xác định điều kiện biên và đặt tải trọng
1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 X Y Z
Bridge Truss Tutorial