CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.3.1. Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn (PTHH)
Như đã đề cập trong phần mở đầu, đối tượng nghiên cứu của luận án là mẫu tôi dạng nhẫn chữ C kht lệch tâm có kích thước tiết diện như mơ tả trên hình 3.2a. Mẫu này được sử dụng phổ biến và được coi như “mẫu chuẩn” dùng để nghiên cứu q trình tơi vật liệu. Sử dụng phần mềm SolidWorks 2016, tiến hành xây dựng mơ hình khối 3D của mẫu nghiên cứu với chiều cao là 20mm ta được kết quả thể hiện trên hình 3.2b. Để có thể nhúng mơ hình 3D này vào phần mềm VisualMesh để tạo mơ hình PTHH, u cầu mơ hình khối 3D phải được lưu trữ ở định dạng *.IGS.
Theo tài liệu [80], đối với mơ hình có các kích thước chênh lệch nhau và hình dáng khơng cân xứng như mơ hình nhẫn chữ C thì tốt nhất là chia lưới theo cách tự do (free). Để chia lưới tự do một cách thuận lợi, tác giả lựa chọn loại phần tử tam giác 3 nút (hình 3.3a) để chia lưới cho vỏ của mơ hình. Theo tài liệu [51], đối với các bài toán truyền nhiệt có gradient nhiệt độ rất lớn như bài tốn thấm cacbon, thấm nitơ hay tôi (chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt của mơ hình và lớp phía trong rất lớn), để kết quả tính tốn đạt độ chính xác cao thì vùng vật liệu nằm sát với bề mặt có gradient nhiệt độ lớn phải được chia lưới thành nhiều lớp mỏng (chia lưới mau theo hướng gradient nhiệt độ). Mặt khác, phương pháp PTHH yêu cầu bắt buộc các nút tại bề mặt tiếp giáp giữa các phần của mơ hình phải trùng nhau, do vậy để thỏa mãn tất cả các yêu cầu nêu trên, tác giả chọn loại phần tử lăng trụ tam giác (hình 3.3b) để chia lưới cho lớp vật liệu gần vỏ và phần tử tứ diện 4 nút (hình 3.3c) để chia lưới cho phần vật liệu phía trong của mơ hình. Nếu chọn loại phần tử khác thì chắc chắn sẽ xảy ra hiện tượng một số nút trên vỏ của mơ hình khơng trùng với nút của phần tử khối phía trong và q trình tính tốn chắc chắn sẽ bị lỗi – đây là một lưu ý rất quan trọng khi tính tốn bằng phương pháp PTHH.
a) Kích thước tiết diện của mẫu b) Mơ hình khối 3D
a) Phần tử vỏ (2D) b) Phần tử sát vỏ (3D) c) Phần tử trong lõi (3D)
Hình 3.3 Loại phần tử lựa chọn để rời rạc hóa mơ hình nhẫn chữ C
Cũng theo khuyến cáo của phương pháp PTHH, mơ hình nghiên cứu được chia lưới càng mau thì kết quả tính tốn càng chính xác, nhưng khi đó thời gian tính tốn sẽ lâu và tốn nhiều bộ nhớ của máy tính. Tác giả Bathe trong tài liệu [99] cũng chỉ ra rằng độ chính xác của phương pháp PTHH càng tăng khi kích thước của phần tử càng nhỏ, tuy nhiên khi kích thước của các phần tử nhỏ đến một mức độ nào đó thì độ chính xác tính tốn tăng lên khơng đáng kể (thậm chí khơng tăng nữa), trong khi đó khối lượng tính tốn lại tăng lên đột biến gây ra mất nhiều thời gian và tốn nhiều tài nguyên máy tính. Để bảo đảm sự hài hịa giữa việc đạt độ chính xác cao cần thiết, đồng thời khơng tốn q nhiều thời gian tính tốn và tài nguyên lưu trữ của máy tính, tác giả đã tiến hành thử nghiệm mô phỏng lâm sàng trên nhiều mơ hình giống nhau và chỉ khác nhau về kích thước của phần tử. Kết quả mô phỏng lâm sàng cho thấy rằng, đối với bài tốn tơi vật liệu thì cạnh lớn nhất của phần tử là 2 mm sẽ vừa bảo đảm độ chính xác tính tốn cao và khơng tốn quá nhiều không gian bộ nhớ của máy tính.
Sử dụng phần mềm VisualMesh 13.0.2 của hãng ESI Groups để chia lưới cho mơ hình trên hình 3.2b với các loại phần tử trên hình 3.3 kết hợp với việc tuân thủ triệt để các yêu cầu nêu trên ta được mơ hình PTHH như thể hiện trên hình 3.4. Ở đây thực hiện theo tuần tự: chia lưới cho vỏ với cạnh phần tử lớn nhất là 2 mm, sau đó chia lưới cho lớp sát vỏ bằng kỹ thuật Layer Mesh (lớp vật liệu dày 0,5 mm tính từ vỏ hướng vào phía trong được chia thành 5 lớp mỏng có chiều dày tăng dần từ ngoài vào trong theo tỷ lệ: chiều dày lớp trong cùng lớn gấp 3 lần chiều dày của lớp đầu tiên. Cụ thể chiều dày của 5 lớp sát vỏ lần lượt là 0,05; 0,075; 0,1; 0,125 và 0,15 mm; cịn theo các phương khác thì cạnh lớn nhất của phần tử là 2mm) và cuối cùng tiến hành chia lưới cho phần lõi phía trong cũng với cạnh lớn nhất của phần tử được khống chế là 2 mm. Mơ hình thu được có tổng số 54019 phần tử (elements) với 18026 nút (nodes).
Hình 3.4 Mơ hình PTHH của mẫu nghiên cứu dạng nhẫn chữ C
Trên hình 3.5 hiển thị số hiệu của các nút thuộc mặt đáy và mặt tiết diện ngang của mơ hình nghiên cứu sẽ tiến hành khảo sát các kết quả tính tốn mơ phỏng q trình tơi thép OL 100Cr1,5 trong dung dịch polyme PVP 4%.
a) mặt đáy của mơ hình b) mặt tiết diện ngang của mơ hình
Hình 3.5 Một số nút khảo sát kết quả tính tốn mơ phỏng q trình tơi