CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HỐ
4.2. Mô phỏng số cụm hàn quai trên phần mềm Inventor CAE
4.2.1. Giới thiệu chung về phần mềm Inventor CAE
Inventor của hãng AutoDesk là sản phẩm hàng đầu dùng để thiết kế từ CAD, mô phỏng chuyên sâu để kiểm tra tính hợp lý của bản thiết kế chi tiết và các cụm, cung cấp những thông số cần thiết hỗ trợ việc thiết kế, lắp ráp và có thư viện đầy đủ các yếu tố để tạo bản vẽ chi tiết, cụm lắp có chất lượng.
Là một Module trong Inventor, Inventor CAE (Module Environments) phân tích chuyên sâu q trình thiết kế, tính tốn lực, sức bền và mơ phỏng các chi tiết chuyển động trên phần mềm dùng để dự đoán và giải các bài toán sản xuất trước khi chúng được đưa vào thực tế. Inventor CAE có khả năng mơ phỏng các q trình thiết kế, chuyển động… và những hiện tượng xảy ra cho các vật lúc di chuyển như cong vênh. Inventor CAE sử dụng một công nghệ dựa trên lưới phần tử hữu hạn cho phép ta tiến hành mô phỏng trên nền 3D cho mọi chi tiết.
Inventor có những điểm mạnh như: - Dễ triển khai trong nhóm làm việc.
- Thực hiện cả q trình phân tích kết cấu lẫn phân tích chuyển động - Có giao diện CAD mạnh.
- Có thư viện đầy đủ, sử dụng hiệu quả và có chi tiết trên thị trường
- Với mọi thiết kế hình học, người dùng dễ dàng thực hiện công việc mô phỏng trong mơi trường trực quan và tích hợp.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
4.2.2. Một số chức năng của Inventor:
- Sketch: Môi trường vẽ 2D.
- Design: Thiết kế chi tiết từ sketch 2D thành hình 3D.
- Assemble: Lắp ráp các chi tiết 3D thành cụm máy hoặc máy.
- CAM: Mô phỏng gia cơng chi tiết trên máy tính, xuất ra chương trình gia cơng trên máy CNC.
- Manage: Cho biết về các biểu linh kiện cũng như các chỉnh sửa đường nét,
- Environments: Mô phỏng các chi tiết bộ phận, bao gồm mô phỏng chuyển động, mô phỏng số các chi tiết cũng như các cụm lắp. Chia lưới, tính tốn lực, sau đó cho ra kết quả về ứng suất, biến dạng, các mặt cắt nguy hiểm.
4.2.3. Mơ phỏng số cụm hàn quai
- Phân tích biến dạng cho tấm đỡ có chiều dày: T = 20 mm. Vật liệu: Thép tiêu chuẩn P20 với các thông số:
+ Tỷ khối (Density): 7860 (kg/m3)
+ Sức bền uốn (Yield Strength): 2,5.108 (N/m2)
+ Giới hạn bền kéo sau khi tôi cải thiện: B = 75 (kg/mm2) = 7,5.108 (N/m2) - Chia lưới cho đối tượng:
87
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.6: Chia lưới cụm hàn quai
Số phần tử (Elements): 454634; Số nút (Nodes): 810881
Loại phần tử: Phần tử 3 chiều bậc nhất (3D Tetrahedral).
Mơ hình biến dạng lưới: mơ tả các phần tử lưới khi tạo lưới cho mơ hình và mơ tả kết quả xu hướng biến dạng của các phần tử dưới tác động của các lực sau khi phân tích (Analysis). Như vậy trên mơ hình, ta thấy được ngay sự chia lưới ở đây khá hoàn hảo và đều.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.7: Đặt lực vào cụm
Lực F1 = 1130 N, tác động lên bề mặt của tấm đỡ.
Lực F2 = 217,8 N, tác động vào mặt kéo bên cạnh của tấm đỡ động cơ đóng kẹp. Phân tích lực:
Lực tại vị trí trục truyền: P1 = 530 N (Trọng lượng của cụm hàn quai) Chiều dài tay đòn d1 = 64 mm.
Chiều dài tay đòn d2 = 30 mm.
𝐹1 = 𝑃1. 𝑑1
𝑑2 =
530.64
30 = 1131 𝑁
Lực F2 là chuyển lực về tại 1 bên: Trọng lượng động cơ: P2 = 27 N
89
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Chiều dài tay đòn d3 = 106 mm. Chiều dài tay đòn d4 = 15 mm.
𝐹2 = 𝑃2 +𝑃2. 𝑑3
𝑑4 = 27 +
27.106
15 = 217,8 𝑁
- Tại 4 vị trí chân trụ xem như là vị trí ngàm. - Kết quả mô phỏng số:
+ Ứng suất Von Mises: giá trị ứng suất von Mises sinh ra trong cụm cơ cấu có giá trị lớn nhất là 332.8 MPa
Vị trí lực
Hình 4.8: Biểu đồ trường ứng suất Von Mises Stress
Ứng suất von Mises được sử dụng để mơ tả mơ hình trường ứng suất Von Mises thể hiện một số lượng trường vô hướng thu được từ mức mật độ năng lượng biến dạng và dùng để đo lường trạng thái ứng suất. Các vật thể ứng suất Von Mises thuộc nhóm các đại lượng tĩnh. Mức mật độ năng lượng biến dạng thường được sử dụng cùng với
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Mises.
Trên hình 4.3, dựa vào thang trị số thể hiện ứng suất cho thấy các vùng chịu các ứng suất với các giá trị theo bảng ở bên phải. Do đó cho thấy các vị trí chịu ứng suất lớn nhất (màu đỏ) và nhỏ nhất (màu xanh) để người thiết kế xử lý được bằng cách thay thế các vật liệu hoặc thiết kế lại các vị trí có các mặt cắt hoặc các vùng tiếp xúc có hình dạng thay đổi đặc biệt tránh tập trung ứng suất gây nguy hại cho sức bền của kết cấu.
Trên biểu đồ, giá trị ứng xuất tiếp xúc tương đương von Mises Stress có giá trị khá nhỏ là 66.107 N/m2.
Giá trị nhỏ nhất là tại vị trí có màu xanh đậm có trị số 0 N/m2. Cơ cấu khá ổn định.
+ Chuyển vị: giá trị chuyển vị lớn nhất trong mô phỏng số cụm cơ cấu hàn quai là 0.4126 mm tại vị trí mang động cơ.
91
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.9: Biểu đồ trường biến dạng (Translational Displacement Vector)
Biểu đồ cho thấy các hướng vec-tơ biến dạng của các phân tử và trị số của các vec- tơ đó. Các trị số đó chính là giá trị biến dạng của các phần tử hay là biến dạng của các kết cấu.
Dựa trên kết quả thể hiện cũng như thang đo kết quả ở hình 4.4, xu hướng dịch chuyển giá trị chuyển vị xuống phía dưới tấm đỡ khoảng tương đối nhỏ 0,2475 (mm), tại 4 trụ đỡ chính để nâng đỡ cụm hàn quai chúng ta có thể thấy chuyển vị bằng 0, nghĩa là kích thước các trụ đỡ được chọn trong thiết kế, chế tạo thiết bị đạt mức an toàn cao.
+ Ứng suất chính (Principal Stress): giá trị ứng suất chính thu được từ kết quả mơ phỏng số là 328.5 MPa.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.10: Biểu đồ trường ứng suất chính (Stress Princeipal Tensor Symbol)
Khái niệm tensor ứng suất chính (Stress principal tensor symbol) dùng để mơ tả mơ hình trường ứng suất chính, nó thể hiện một số lượng trường ten-xơ dùng để xác định trạng thái ứng suất và xác định hướng tải trọng cũng như phần chi tiết chịu tải trọng. Ten-xơ ứng suất chính tượng trưng thuộc nhóm các đại lượng tĩnh. Tại một điểm, ten- xơ ứng suất chính cho ta hướng mà theo đó chi tiết ở trạng thái kéo hay nén thuần túy (các phần tử ứng suất trượt bằng 0 ở các mặt phẳng tương ứng) và giá trị ứng suất kéo hay nén tương ứng.
- So sánh với thiết kế ban đầu:
Ban đầu, chọn chiều dày tấm đỡ là T = 16 mm, 4 trụ có đường kính d = 25mm. Kết quả:
93
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.11: Chuyển vị của tấm đỡ dày T = 16 mm
Kết quả độ võng là 1,043mm khá lớn, làm cho đầu hàn mỗi lần đi xuống sẽ nhấn sâu hơn vào đe hàn, lúc này đe hàn sẽ bị khoét lõm dẫn đến hỏng đe hàn siêu âm.
Kết luận: Với kết quả thu được sau khi phân tích trên phần mềm Autodesk
Inventor, ta thấy với chiều dày tấm đỡ T = 20 (mm), độ võng của tấm đỡ là 0,2475 (mm), tương đối nhỏ. Như vậy, chọn chiều dày tấm đỡ T = 20 (mm). Các ứng suất chính tương đương và ứng suất Von Mises Stress đều nhỏ hơn giới hạn bền kéo 7,5.108 N/m2 và uốn 2,5.108 N/m2 nên có thể nói: Tấm đỡ đã đủ bền để đạt được những yêu cầu kỹ thuật đặt ra lúc đầu của người thiết kế.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
4.3.1. Giới thiệu về phần mềm NX CAE
NX là phần mềm thiết kế 3 D của hãng Siemens là sản phẩm hàng đầu dùng để thiết kế từ CAD, mơ phỏng chun sâu để kiểm tra tính hợp lý của bản thiết kế chi tiết và các cụm, cung cấp những thông số cần thiết hỗ trợ việc thiết kế, lắp ráp. [33]
Là một Module trong NX, NX CAE (Module Simulation) phân tích chuyên sâu q trình thiết kế, tính tốn lực, sức bền và mô phỏng các chi tiết chuyển động trên phần mềm dùng để dự đoán và giải các bài toán sản xuất trước khi chúng được đưa vào thực tế. Ngồi ra, sử dụng để phân tích các trạng thái chuyển động: Rung, dịng chảy, gió…
NX cịn có thế mạnh về gia cơng cơ khí: CAM/CNC. Cơng cụ này được sử dụng rộng rãi ở nhiều công ty CNC hiện nay.
4.3.2. Cụm hàn siêu âm
Hình 4.12: Máy hàn siêu ân khẩu trang
Máy hàn siêu âm gồm 3 bộ phận: Thùng hàn (1), súng hàn (2), đe hàn (3). Thùng hàn có chức năng phát ra dịng điện, dịng điện qua súng hàn sẽ tạo ra tần số làm rung đầu súng hàn, nó khuếch đại qua đe hàn để tạo thành siêu âm để hàn.
95
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Vì tốc độ hàn quai dao động từ 75 ÷ 85 cái/phút nên chọn siêu âm 20kHz, cơng suất 2000W cho máy hàn quai.
Hình 4.13: Mơ hình hóa của súng và đe hàn
4.3.3. Mơ phỏng số cụm hàn siêu âm
- Các thông số đầu vào:
Bảng 6: Thông số vật liệu của cụm siêu âm
Loại Vật liệu Tỷ trọng (kg/m3) Modun đàn hồi (GPa) Hệ số Poisson Đe hàn Thép 7860 209 0.3 Súng hàn Thép 7860 209 0.3 Vòng gốm áp điện Gốm PZT-8 7600 65 0.31 Tấm điện cực Đồng 8900 115 0.31 Ốc khóa Thép 7860 209 0.31 Đe hàn Súng hàn Thạch anh sứ (vòng gốm áp điện) Tấm điện cực Ốc khóa
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
+ Giới hạn bền kéo sau khi tôi cải thiện: B = 81 (kg/mm2) = 7,5.108 (N/m2) - Mơ hình tính tốn:
+ Chia lưới:
Kích thước phần tử: (Element Size): 7 mm Số phần tử (Elements): 27158
Số nút (Nodes): 41258
Loại phần tử: Phần tử 3 chiều bậc nhất (3D Tetrahedral).
Hình 4.14: Chia lưới súng hàn và đe hàn
97
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.15: Gán điều kiện cho súng và đe hàn
(1): Vị trí liên kết cứng (2): Hai mặt tiếp xúc
- Kết quả đạt được sau mô phỏng số:
Chuyển vị lớn nhất tại bề mặt đầu búa hàn tương ứng với kết quả thể hiện trên hình màu đỏ, lúc này chuyển vị lớn nhất là 1,5917 μm tại tần số dao động là 19678 Hz (sai số khoảng 1,6 % so với tần số thiết kế 20000 Hz).
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.16: Chuyển vị (Biên độ dao động) của súng hàn và đe hàn
So với một số tính tốn mơ phỏng số tương đồng trong các nghiên cứu gần đây của 2 tác giả Luong Viet Dung [19] và Nguyễn Thanh Hải [12], sử dụng phần mềm
Abaqus®, chuyển vị (biên độ dao động) đạt được lớn nhất tương ứng với các tần số là 20142 Hz và 19616 Hz. Có thể kết luận tính tốn mơ phỏng số sử dụng trong nghiên cứu này có thể chấp nhận được với kết quả đạt được như trên.
Tương tự, kết quả đạt được với ứng suất sinh ra ở tần số tương ứng được thể hiện như ở hình bên dưới (hình 4.17)
99
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 4.17: Ứng suất của súng hàn và đe hàn
Tại bề mặt làm việc, ứng suất dao động đạt giá trị nhỏ nhất tương ứng với màu xanh.
Ứng suất lớn nhất: 1,176e+007 MPa tại ví trí lắp đe và súng. Ứng suất nhỏ nhất: 20147 MPa.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
1. Kết quả đạt được:
- Xây dựng bản vẽ chế tạo cho cụm máy quai hoàn chỉnh, đã lắp đặt thực tế. - Tính tốn thiết kế, kiểm tra độ bền cho các chi tiết, bộ phận trên toàn bộ máy. - Ứng dụng phần mềm Inventor để mơ hình hóa máy quai của dây chuyền. Sử dụng
module CAE để mô phỏng số, kiểm tra các biến dạng, ứng suất, chuyển … - Đưa ra được bảng tính tốn số xung của tồn bộ động cơ trong máy hàn quai. - Chế tạo máy hoàn chỉnh, kết nối giữa máy thân và máy quai.
- Đánh giá sản phẩm để đưa vào sản xuất hàng loạt nâng cao tỷ lệ nội địa hóa, giảm giá thành sản phẩm, trực tiếp đánh giá của nhà máy Phú Bảo.
2. Triển vọng phát triển của đề tài:
- Tiếp tục mô phỏng các thông số khi máy đang hoạt động
- Hoàn thiện, tối ưu hơn về các thiết kế cũng như hoạt động của các động cơ để nâng cao năng suất, giảm trọng lượng của các chi tiết.
101
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Nguyễn Trọng Hiệp (2006), “Chi tiết máy tập 1, 2”, Nhà xuất bản Giáo Dục. [2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2014), “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập
1, 2”, Nhà xuất bản Giáo dục.
[3] Nguyễn Hữu Lộc (2008.), “Cơ sở thiết kế máy”, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[4] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (1999), “Thiết kế chi tiết máy”, Nhà xuất bản Giáo Dục.
[5] Nguyễn Hữu Lộc (2022), “Mơ hình hóa hình học”, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[6] Nguyễn Dỗn Phước (2009), “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[7] Lưu Đức Bình (2017), “Thiết kế thực nghiệm trong cơ khí”, Nhà xuất bản
Xây dựng.
[8] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (1997), “Tự Động Hoá với SIMATIC
S7-200”, Nhà Xuất Bản Nông Nghiệp.
[9] Lâm Tăng Đức, Nguyễn Kim Ánh (2009), “Giáo trình điều khiển Logic”,
Trường Đại HọcBách Khoa Đà Nẵng
[10] Nguyễn Phương, Nguyễn Thị Phương Giang (2005), “Cơ sở tự động hóa trong ngành cơ khí”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[11] Huỳnh Thái Hoàng (2008), “Cơ sở tự động”, Đại học Bách Khoa TP. HCM. [12] Nguyễn Thanh Hải, Võ Tấn Thiện (2021), “Thiết kế thiết bị sản xuất thân khẩu trang y tế 4 lớp sử dụng công nghệ hàn siêu âm”, Tạp chí Khoa học và cơng nghệ
- Đại học Đà Nẵng, Vol. 20, No. 2, 2022
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Design”, William Andrew, Inc.
[14] Robert L.Mott, Edward M. Vavrek, Jyhwen Wang (2014), “Machine
Elements in Mechanical Design”, Shigley’s Inc.
[15] Kansal, H., “Experimental investigation of properties of polypropylene and non-woven spunbond fabric”, IOSR Journal of polymer and
textile engineering (IOSR-JPTE), Vol. 3, No.5,2016.
[16] Bruno J Strasser, Thomas Schlich, “A history of the medical mask and the rise of throwaway culture”, Perspectives, www.thelancet.com, Vol 396 July 4, 2020
[17] Strasser BJ, Schlich T (2020). "A history of the medical mask and the rise of
throwaway culture". Lancet. 396 (10243): 19–20. doi:10.1016/S0140-6736(20)31207-
1. PMC 7255306. PMID 32450110.
[18] Chughtai AA, Seale H, MacIntyre CR (2013). "Use of cloth masks in the practice of infection control – evidence and policy gaps". International Journal of
Infection Control. 9 (3). doi:10.3396/IJIC.v9i3.020.13.
[19] Luong Viet Dung, Ngo Nhu Khoa (2021), “The analysis of ultrasonic transducers using the finite element”, Hội nghị Khoa học toàn quốc Co học Vật rắn lần
thứ XV
[20] Ben M. Chen, Tong H. Lee, Kemao Peng (2006), “Handbook Hard disk drive
servo systems”, AIC.
[21] Zhong Ming Li (2000), “Optimal control issues related to the hard disk drive
servo systems”, National University of Singapore.
Website: [22] https://vi.wikipedia.org/wiki/Kh%E1%BA%A9u_trang_y_t%E1%BA%BF [23] https://antg.cand.com.vn/Khoa-hoc-Ky-thuat-hinh-su/Lich-su-chiec-khau- trang-y-te-i555487/ [24] https://mikyo.vn/day-chuyen-dong-thung-carton-tu-dong/may-san-xuat- khau-trang-y-te-601/
103
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ [25] https://maychebiengocn.com/may-san-xuat-khau-trang-n95-full-automatic- model-01 [26] https://orientcare.vn/may-san-xuat-khau-trang-tu-dong-100-moden-kf94 [27] https://www.anonkia.com/ultrasonic-cleaners/ultrasonic-equipments/face- mask-welding-machine.html [28] https://maykhautrang.vn/may-han-sieu-am-vai-khong-det [29] https://xanhdaiduong.com/may-lam-khau-trang-kf94-cong-suat-130-160- chiec-phut [30] https://www.autodesk.com/products/inventor/overview?term=1- YEAR&tab=subscription [31] https://skytechgroup.vn/tu-dong-hoa/ac-servo/ac-servo-delta/