4.1 .Phân tích độ cứng
4.3. Phân tích độ bền mỏi
Trong bài tốn phân tích độ bền mỏi, sau khi xác định được phân bố ứng suất tĩnh trong kết cấu, chúng ta sẽ sử dụng đường cong mỏi S-N của vật liệu để nội suy ra tuổi thọ của kết cấu tại các vị trí khác nhau. Trong mục Solution, chọn mục Fatigue tool. Trong Fatigue tool, chọn Life để tính tốn chu kỳ mỏi của kết cấu.
Đường cong mỏi S-N của vật liệu thép kết cấu được cung cấp bởi thư viện vật liệu của Ansys như trong Hình 4.7 dưới đây:
Hình 4.7: Đường cong mỏi S-N của vật liệu thép kết cấu
Thực hiện phân tích độ bền mỏi của tay đòn với giá trị tải trọng đặt lên khớp cầu biến thiên trong một dải như đã nêu ở Chương 3, ta thu được các kết quả phân bố ứng suất tĩnh và phân bố tuổi thọ bền mỏi của kết cấu tương ứng. Toàn bộ các trường hợp khảo sát được tổng hợp trong Hình 4.8 dưới đây.
Trường hợp Fx=Fy=1500N
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Trường hợp Fx=Fy=2000N
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Trường hợp Fx=Fy=3000N
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Trường hợp Fx=Fy=4000N
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Trường hợp Fx=Fy=5000N
Ứng suất tĩnh Tuổi thọ bền mỏi
Hình 4.8: Phân bố ứng suất tĩnh và tuổi thọ bền mỏi của tay đòn chữ A
Để dễ dàng đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đối với tuổi thọ mỏi của kết cấu, giá trị tuổi thọ mỏi (xác định theo số chu trình) của các trường hợp khảo sát được tổng hợp trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2: Tuổi thọ mỏi của tay đòn chữ A:
Fx=Fy (N) Tuổi thọ bền mỏi Max (Chu kỳ)
Tuổi thọ bền mỏi Min (Chu kỳ) 1000 1000000 1000000 1500 1000000 829380 2000 1000000 172000 2500 1000000 76597 3000 1000000 39076 3500 1000000 22294 4000 1000000 14006 4500 1000000 9395 5000 1000000 6789
Từ các số liệu trong Bảng 4.2, chúng ta có thể xây dựng được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tuổi thọ bền mỏi nhỏ nhất (min) của kết cấu tay đòn chữ A theo lực tác dụng đặt vào vị trí khớp cầu (Hình 4.9).
Trong trường hợp lực tác dụng nhỏ nhất ( Fx=Fy=1000N ), kết quả tuổi thọ bền mỏi được thể hiện đồng đều trên toàn bộ cấu trúc, số chu kỳ mỏi là 1 000 000 chu kỳ. Điều này khơng có nghĩa là tuổi thọ bền mỏi ở các vị trí đều giống nhau mà do cách phần mềm Ansys biểu diễn kết quả. Phần mềm cho phép thiết lập một giá trị số chu kỳ tới hạn tương ứng với giới hạn mỏi của vật liệu. Khi giá trị ứng suất trong kết cấu nhỏ hơn giá trị ứng suất giới hạn mỏi của vật liệu đồng nghĩa với việc số chu kỳ có thể tiến tới vơ cùng mà không gây ra nứt gãy hay phá hủy kết cấu. Số chu kỳ tới hạn thường mặc định là 106 chu kỳ. Vậy nên, khi giá trị ứng suất trong kết cấu nhỏ, dẫn đến số chu kỳ dẫn đến phá hủy kết cấu vượt quá 106 chu kỳ thì
phần mềm khơng thể hiện chi tiết mà coi là tương ứng với 106chu kỳ. Trong trường hợp này (Fx=Fy=1000N), có thể hiểu là tồn bộ phân bố ứng suất trong kết cấu đều nhỏ hơn ứng suất giới hạn mỏi của kết cấu, sẽ không gây ra phá hủy kết cấu dù số
chu trình tác dụng lực tiến tới vô cùng.
Khi tăng lực tác dụng Fx, Fy lên tay đòn, độ bền mỏi (min) thay đổi phi tuyến, ta có thể quan sát thấy sự biến đổi như thể hiện trên Hình 4.9. Đặc biệt trong trường hợp tăng lực tác dụng từ 1500N lên 2000N, độ bền mỏi của tay đòngiảm đi hơn 4 lần. Khi tiếp tục tăng lực tác dụng thì số chu kỳ mỏi vẫn tiếp tục giảm nhưng độ giảm cũng nhỏ dần.
Kết quả mơ phỏng các trường hợp khác nhau (Hình 4.8) cho thấy được vị trí chịu ứng suất max cũng là vị trí có độ bền mỏi nhỏ nhất, đây là vị trí nguy hiểm cần được quan tâm, gia cố để đảm bảo tuổi thọ (Hình 4.10). Có thể thấy, nếu chỉ dừng lại ở bài tốn phân tích tĩnh, kết cấu vẫn đảm bảo độ bền tĩnh, tuy nhiên khi thực hiện phân tích mỏi, nhiều vị trí của kết cấu có thể khơng đạt được tuổi thọ (thời gian sử dụng của kết cấu) như mong muốn. Để đảm bảo thời gian khai thác kết cấu thì cần tất cả các vị trí của kết cấu đạt được một tuổi thọ mong muốn, vì vậy phân tích
mỏi rất cần thiết trong các bài toán kỹ thuật, đặc biệt trong các ngành công nghiệp mà thiết bị liên quan đến sự an tồn của con người như ơ tơ, máy bay, tàu thủy…
Hình 4.10: Vị trí độ bền mỏi nhỏ nhất