IV. TÍNH TOÁN LỰC HỌC CẨU XUỒNG.
B. TÍNH TOÁN LỰC HỌC CẨU XUỒNG TRONG TRƯỜNG HỢP NÂNG XUỒNG.
TÍNH TOÁN CÁC CƠ CẤU CHÍNH CỦA CẨU XUỒNG
Trong các trường hợp trên ta thấy rằng trong quá trình hạ xuồng thì cần chịu lực tác dụng và tải lơn hơn nhiều so với quá trình nâng xuồng, so vậy khi tính toán độ bền của cần dưới tác dụng của các lực tác dụng thì ta chỉ cần lấy các vị trí của cẩu trong lúc hạ xuồng để tính, nếu cần đủ bền trong các trường hợp này thì hiển nhiên trong quá trình nâng xuồng cũng sẽ đủ bền.
Có nhiều cách tính sức bền cho cẩu xuồng như: phương pháp tính bền của môn sức bền vật liệu, phương pháp phần tử hữu hạn hay dùng các chương trình tính toán sức bền chuyên dụng để tính như Ansys, Cosmos, Adam, Rdm, Sap … cơ sở tính toán của các phần mềm này thực chất là phương pháp số tức là dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để tính.
Dù là việc tính sức bền được tiến hành bằng phương pháp thủ công (tính tay) hay dùng phần mềm để tính thì cũng không thể bỏ qua được kiểm tra thực nghiệm, đó mới là cơ sở chính xác nhất để cho thấy thiết kế thành công.
Trong thiết kế này, phương pháp tính được sử dụng là kiểm tra kết cấu bằng hai phần mềm là RDM 6.16 và COSMOS DESIGN STAR 2007.
Giới thiệu phần mềm:
* RDM 6.16: Đây là phần mềm của Pháp dùng để tính các kết cấu khung giàn và một số kết cấu khối đơn giản. Trong chương trình này có nhiều modul nhưng ta chỉ cần dùng modul Ossatures để tính cần. Phần mềm dung lượng nhỏ nhưng cho kết quả đáng tin cậy với những bài toán khung giàn.
* Cosmos: Đây là phần mềm phân tích kết cấu được đánh giá là mạnh nhất hiện nay, nó được tích hợp sẵn trong một số chương trình CAD/CAM tạo thành hệ phần mềm CAD/CAM/CAE. Nó không chỉ có khả năng phân tích một kết cấu như khung giàn, chi tiết máy mà còn có thể phân tích được một cụm gồm rất nhiều chi tiết và những yếu tố khác, ví dụ như tải trọng động, ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt, dòng chảy, bức xạ nhiệt, cộng hưởng … đến các chi tiết máy hay cụm chi tiết máy.
Cơ sở của các phân tích bằng phần mềm: [11]
Phân tích tĩnh tuyến tính:
Khi tác dụng ngoại lực lên một vật, vật này sẽ bị biến dạng và lực sẽ truyền qua toàn bộ vật. Ngoại lực sẽ làm sinh ra các ứng lực và phản lực để đưa vật trở lại trạng thái cân bằng.
Các nghiên cứu tĩnh tuyến tính sẽ tính toán các chuyển vị, sức căng và phản lực dưới tác dụng của lực.
Một vài giả thiết để phân tích tuyến tính:
Tất cả các lực tác động chậm và tăng dần cho tới khi đạt đủ cường độ. Giả thiết này sẽ cho phép bỏ qua các lực quán tính và giảm chấn do gia tốc và vận tốc nhỏ.
Các vật liệu trong mô hình tuân theo định luật Hooke, nghĩa là ứng suất tỉ lệ với sức căng.
Chuỗi tính toán:
Các ứng lực bên trong vật sẽ thay đổi từ điểm này sang điểm khác. Thông qua một diện tích nhỏ bất kì, lực tác động sẽ lan truyền trong các phần tử theo diện tích này.
Chương trình sẽ xây dựng và giải một hệ các phương trình cân bằng của phần tử hữu hạn tuyến tính (ma trận độ cứng “stiffness matrix” ) để có được chuyển vị tại mỗi nút (node).
Các kết quả này được dùng để tính sức căng (Strain). Cuối cùng chương trình sẽ dùng các kết quả sức căng và quan hệ ứng suất – sức căng để tính các ứng suất.
Ứng suất trước tiên được tính tại các điểm đặc biệt, gọi là các điểm Gauss (hay quandratures) nằm trong từng phần tử. Những điểm này được chọn để cho kết quả tối ưu.
Sau khi chạy phân tích thành công, các kết quả ứng suất nút tại mỗi nút của mọi phần tử đã có trong cơ sở dữ liệu của chương trình.
Đầu vào cho các phân tích tuyến tính:
Tạo lưới cho mô hình (mesh): trước khi chạy chương trình phân tích thì yêu cầu là phải tạo lưới cho mô hình, đây là bước quyết định trong các phân tích. Các điều kiện tiếp xúc phải được xác định trước khi tạo lưới.
Phép phân tích phần tử hữu hạn ( Finite Element Analysis –FEA) cung cấp một kĩ thuật số hóa đáng tin cậy để phân tích các thiết kế kỹ thuật. Quá trình này được bắt đầu với việc mô phỏng hình dạng hình học của chi tiết. Sau đó các chương trình sẽ chia nhỏ mô hình thành những phần nhỏ có hình dạng đơn giản gọi là phần tử và liên kết với nhau bằng các nút mạng (nodes). Đối với Cosmos, nếu để chia lưới tự động thì lưới được tạo ra dựa trên kích thước nhỏ nhất của mô hình nhằm làm mô hình được chia đều và thỏa mãn bài toán Fem.
Lưới tạo ra có thể là dạng tứ diện cạnh thẳng (4 nút- sáu cạnh) hoặc tứ diện cạnh Parabol ( 10 nút – 6 cạnh). Tứ diện parabol cho kết quả chính xác hơn, nhất là trong những chi tiết có biên dạng cong phức tạp (cánh chân vịt, khớp cầu …).
Một điều cần lưu ý trong trong hầu hết các chương trình tính, đó là với các chương trình mạnh (Cosmos, Nastranst …), sẽ cho phép kiểm soát lưới, do vậy nếu ta chia lưới càng nhỏ thì mô hình càng mịn và kết quả cho ra càng chính xác. Nhưng vì đa số các phần mềm phân tích đều yêu cầu cấu hình máy phù hợp nên nếu máy của chúng ta không đủ đáp ứng được yêu cầu cấu hình thì nên chia lưới mặc định.
Các thuộc tính vật liệu (materials):
- Modul đàn hồi (young’s modul): EX
- Hệ số Poisson (NUXY): sẽ coi bằng bằng không nếu ta không xác định.
- Khối lượng riêng (Dens) nếu muốn xác định tác động của trọng lực, lực ly tâm cũng như hệ số giãn nở nhiệt.
Độ bền chảy và độ bền kéo nén sẽ được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá độ bền của kết cấu.
Các ràng buộc (Restraint): là việc khống chế một số bậc tự do của vật.
Đặt tải (load)